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【摘 要】利用Aspen HYSYS建立双级复叠式制冷系统流程模型，模拟分析冷凝蒸发器温度对系统制冷性能的影响，以及多种不同工质的复叠式制冷系统的制冷性能。结果表明，存在一个最佳的冷凝蒸发器温度使得系统制冷性能最好，在-40～-80℃蒸发温度范围内，复叠式制冷系统采用NH3/CO2工质比采用传统的R22/R23、R22/R13制冷性能更好。
【关键词】复叠式制冷系统；流程模拟；Aspen HYSYS；工质
【中图分类号】TB657 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2018）04-0128-02
0 引言
复叠式制冷系统通常由2个或者2个以上不同制冷剂的单级或者多级制冷系统组合而成[1]。在对温度要求较低的制冷场合中，适合采用复叠式制冷系统。通常在-40 ～-120 ℃温度范围内可以采用双级复叠式制冷系统。传统的双级复叠式制冷系统所用的工质组合主要有R22/R13、R22/R23、R22/R12等[2]，由于这些工质基本是氟利昂，对臭氧层有巨大的破坏力，且会产生强烈的温室效应，因此被环保节能的制冷剂替代是大势所趋。宁静红[3]、王炳明[4]、沈九兵[5]等人分别对R290/CO2、NH3/CO2、R134a/CO2复叠式制冷系统进行过实验研究，证实了复叠式制冷系统采用环保工质的可行性。本文分别用流程模拟软件Aspen HYSYS对采用环保工质组合NH3 /CO2、R290/CO2、R134a/CO2、R600a/
CO2、R290/R1150及传统工质组合R22/R23、R22/R13的双级复叠式制冷系统进行模拟分析。
1 双级复叠式制冷系统流程模型建立
根据双级复叠式制冷系统原理，在Aspen HYSYS中建立流程模型（如图1所示），图1中循环1-2-3-4-1为高温级循环、循环5-6-7-8-5为低温级循环。
物性包计算方法选择Peng-Robinson，组分分别选择需要模拟计算的工质组合，并对计算条件约束如下：①物流2、物流6状态为饱和液体；②物流4、物流8状态为饱和气体；③冷凝蒸发器换热温差△t=3 ℃；④物流2温度为35 ℃；⑤各换热器压降设为10 kPa；⑥每一级循环的总压比不超过16；⑦压缩机总效率为75%。
本文做以下2类模拟计算：一是分析冷凝蒸发器温度对双级复叠式制冷系统制冷性能的影响规律（假设蒸发温度t7为-50 ℃情况下模拟计算）；二是分析采用不同制冷工质组合双级复叠式制冷系统制冷性能大小（分别对采用不同的制冷工质组合双级复叠式制冷系统冷凝换热器的换热温度进行最优化，低温级蒸发温度t7分别从-40～-80 ℃，每间隔10 ℃，取一个数值进行模拟计算）。
制冷系数（COP）是衡量制冷系统性能的重要指标，计算方法是蒸发器热负荷除以两级压缩机所消耗的功率之和。
2 双级复叠式制冷系统流程模拟分析
2.1 双级复叠式制冷系统冷凝换热器温度模拟分析
模拟结果如图2所示。从图中可以看出，在给定的工况下，随着冷凝换热器工作温度t7的降低，双级复叠式制冷系统的COP先增加，达到最大值后逐渐减小。可见，双级复叠式制冷系统的冷凝换热器存在最佳工作温度，使得系统的COP能达到最大。
2.2 采用不同工质组合的双级复叠式制冷系统流程模拟
分别模拟计算采用不同工质组合的双级复叠式制冷系统，计算结果如图3所示。从图3中可以看出，低温级蒸发温度在-40 ～-80 ℃温度区间内，采用不同工质组合的双级复叠式制冷系统的COP曲线从高到低的排列顺序为NH3 /CO2、R22/R13、R22/R23、R290/CO2、R134a/CO2、R600a/
CO2、R290/R1150。其中，采用NH3 /CO2工质组合的复叠式制冷系统COP最高，采用R290/R1150工质组合的复叠式制冷系统COP最低，采用R22/R13、R22/R23工质组合的COP曲线基本重合，采用R290/CO2、R134a/CO2、工质组合的COP基本重合。
3 结论
（1）通过模拟分析冷凝换热器工作温度对双级复叠式制冷系统COP的影响，发现随着冷凝换热器工作温度的降低，双级复叠式制冷系统的COP先增加后降低，中间存在一个最佳温度使得系统COP最大。
（2）通过对多个工质组合的双级复叠式制冷系统模拟计算，发现在-40 ～-80 ℃蒸发温度范围内，采用环保的NH3/CO2工质组合的复叠式制冷系统制冷性能良好，比传统的R22/R13、R22/R23氟利昂工质组合的系统制冷性能更佳。而采用R290/CO2、R134a/CO2、R600a/CO2、R290/
R1150环保工质组合的复叠式制冷系统制冷性能均低于采用传统的R22/R13、R22/R23氟利昂工质组合的系统制冷性能，并且制冷性能依次降低。
参 考 文 献
[1]陈光明，陈国邦，沈永年，等.制冷与低温原理[M].北京：机械工业出版社，2000：124.
[2]刘杨，臧润清.NH3/CO2复叠式制冷系统概述[J].制冷与空调，2010，10（2）：53-56.
[3]寧静红，李惠宇，彭苗.R290/CO2复叠式制冷系统的性能实验[J].制冷学报，2007（6）：57-60.
[4]王炳明，于志强，姜绍明，等.NH3/CO2复叠制冷系统实验研究[J].制冷学报，2009，30（3）：21-24.
[5]沈九兵，胡斌，邱建伟，等.R134a/CO2复叠制冷系统的实验研究[J].制冷学报，2013，34（4）：59-63.
[责任编辑：钟声贤]
【关键词】复叠式制冷系统；流程模拟；Aspen HYSYS；工质
【中图分类号】TB657 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2018）04-0128-02
0 引言
复叠式制冷系统通常由2个或者2个以上不同制冷剂的单级或者多级制冷系统组合而成[1]。在对温度要求较低的制冷场合中，适合采用复叠式制冷系统。通常在-40 ～-120 ℃温度范围内可以采用双级复叠式制冷系统。传统的双级复叠式制冷系统所用的工质组合主要有R22/R13、R22/R23、R22/R12等[2]，由于这些工质基本是氟利昂，对臭氧层有巨大的破坏力，且会产生强烈的温室效应，因此被环保节能的制冷剂替代是大势所趋。宁静红[3]、王炳明[4]、沈九兵[5]等人分别对R290/CO2、NH3/CO2、R134a/CO2复叠式制冷系统进行过实验研究，证实了复叠式制冷系统采用环保工质的可行性。本文分别用流程模拟软件Aspen HYSYS对采用环保工质组合NH3 /CO2、R290/CO2、R134a/CO2、R600a/
CO2、R290/R1150及传统工质组合R22/R23、R22/R13的双级复叠式制冷系统进行模拟分析。
1 双级复叠式制冷系统流程模型建立
根据双级复叠式制冷系统原理，在Aspen HYSYS中建立流程模型（如图1所示），图1中循环1-2-3-4-1为高温级循环、循环5-6-7-8-5为低温级循环。
物性包计算方法选择Peng-Robinson，组分分别选择需要模拟计算的工质组合，并对计算条件约束如下：①物流2、物流6状态为饱和液体；②物流4、物流8状态为饱和气体；③冷凝蒸发器换热温差△t=3 ℃；④物流2温度为35 ℃；⑤各换热器压降设为10 kPa；⑥每一级循环的总压比不超过16；⑦压缩机总效率为75%。
本文做以下2类模拟计算：一是分析冷凝蒸发器温度对双级复叠式制冷系统制冷性能的影响规律（假设蒸发温度t7为-50 ℃情况下模拟计算）；二是分析采用不同制冷工质组合双级复叠式制冷系统制冷性能大小（分别对采用不同的制冷工质组合双级复叠式制冷系统冷凝换热器的换热温度进行最优化，低温级蒸发温度t7分别从-40～-80 ℃，每间隔10 ℃，取一个数值进行模拟计算）。
制冷系数（COP）是衡量制冷系统性能的重要指标，计算方法是蒸发器热负荷除以两级压缩机所消耗的功率之和。
2 双级复叠式制冷系统流程模拟分析
2.1 双级复叠式制冷系统冷凝换热器温度模拟分析
模拟结果如图2所示。从图中可以看出，在给定的工况下，随着冷凝换热器工作温度t7的降低，双级复叠式制冷系统的COP先增加，达到最大值后逐渐减小。可见，双级复叠式制冷系统的冷凝换热器存在最佳工作温度，使得系统的COP能达到最大。
2.2 采用不同工质组合的双级复叠式制冷系统流程模拟
分别模拟计算采用不同工质组合的双级复叠式制冷系统，计算结果如图3所示。从图3中可以看出，低温级蒸发温度在-40 ～-80 ℃温度区间内，采用不同工质组合的双级复叠式制冷系统的COP曲线从高到低的排列顺序为NH3 /CO2、R22/R13、R22/R23、R290/CO2、R134a/CO2、R600a/
CO2、R290/R1150。其中，采用NH3 /CO2工质组合的复叠式制冷系统COP最高，采用R290/R1150工质组合的复叠式制冷系统COP最低，采用R22/R13、R22/R23工质组合的COP曲线基本重合，采用R290/CO2、R134a/CO2、工质组合的COP基本重合。
3 结论
（1）通过模拟分析冷凝换热器工作温度对双级复叠式制冷系统COP的影响，发现随着冷凝换热器工作温度的降低，双级复叠式制冷系统的COP先增加后降低，中间存在一个最佳温度使得系统COP最大。
（2）通过对多个工质组合的双级复叠式制冷系统模拟计算，发现在-40 ～-80 ℃蒸发温度范围内，采用环保的NH3/CO2工质组合的复叠式制冷系统制冷性能良好，比传统的R22/R13、R22/R23氟利昂工质组合的系统制冷性能更佳。而采用R290/CO2、R134a/CO2、R600a/CO2、R290/
R1150环保工质组合的复叠式制冷系统制冷性能均低于采用传统的R22/R13、R22/R23氟利昂工质组合的系统制冷性能，并且制冷性能依次降低。
参 考 文 献
[1]陈光明，陈国邦，沈永年，等.制冷与低温原理[M].北京：机械工业出版社，2000：124.
[2]刘杨，臧润清.NH3/CO2复叠式制冷系统概述[J].制冷与空调，2010，10（2）：53-56.
[3]寧静红，李惠宇，彭苗.R290/CO2复叠式制冷系统的性能实验[J].制冷学报，2007（6）：57-60.
[4]王炳明，于志强，姜绍明，等.NH3/CO2复叠制冷系统实验研究[J].制冷学报，2009，30（3）：21-24.
[5]沈九兵，胡斌，邱建伟，等.R134a/CO2复叠制冷系统的实验研究[J].制冷学报，2013，34（4）：59-63.
[责任编辑：钟声贤]