具有精餾裝置的自動(dòng)復(fù)疊制冷循環(huán)分析

柳江峰

摘 要：本文主要研究和分析具有精餾裝置的自動(dòng)復(fù)疊制冷循環(huán)，制冷劑選取三氟甲烷或者R-134a。使用熱力學(xué)分析新循環(huán)，這樣就能夠建立質(zhì)量和能量的平衡方程。主要分析了系統(tǒng)制熱能效比、吸氣的溫度、混合工質(zhì)配比等一系列影響。

關(guān)鍵詞：精餾裝置；自動(dòng)復(fù)疊制冷系統(tǒng)；熱力學(xué)分析

一般情況下，零下四十?dāng)z氏度的溫度環(huán)境通常會(huì)使用復(fù)疊制冷系統(tǒng)，它能夠根據(jù)不同的溫度區(qū)而使用在不同的領(lǐng)域，例如保存低溫生物、冷卻傳感器以及在低溫環(huán)境中測試物品與材料的性能等。復(fù)疊制冷系統(tǒng)一般分別兩種裝置：一種是多循環(huán)復(fù)疊式，這是一種兩級(jí)系統(tǒng)，高溫循環(huán)的工質(zhì)主要是R12，低溫循環(huán)的工質(zhì)主要是R13，兩者是通過冷凝蒸發(fā)器耦合在一起的。但是這種裝置系統(tǒng)也有其弊端，在使用時(shí)需要同時(shí)啟用兩臺(tái)壓縮機(jī)。另一種是自動(dòng)復(fù)疊式，其冷凝劑的工質(zhì)主要是非共沸混合，它在使用時(shí)只需要使用一臺(tái)單級(jí)壓縮機(jī)。由于多級(jí)的分凝循環(huán)無法有效分離低沸點(diǎn)和高沸點(diǎn)，本文提出一種新式自動(dòng)復(fù)疊式循環(huán)系統(tǒng)，它可以使用一種壓縮機(jī)實(shí)現(xiàn)多級(jí)分凝，并且只使用一個(gè)精餾裝置?；旌瞎べ|(zhì)使用在精餾裝置中能夠代替多級(jí)的分凝，這樣可以大大提高分離速率。

1 具有精餾裝置的自動(dòng)復(fù)疊制冷循環(huán)

具有精餾裝置的自動(dòng)復(fù)疊制冷循環(huán)工作流程：先使用A壓縮機(jī)將非共沸混合工質(zhì)經(jīng)過壓縮處理，再進(jìn)入B冷凝器中進(jìn)行冷凝處理，處理得到的汽液混合物置入F精餾塔進(jìn)行加熱，之后節(jié)流進(jìn)入塔內(nèi)，將其進(jìn)行精餾分離處理后，塔頂會(huì)逸出高純低沸的氣體，塔底會(huì)流出高沸點(diǎn)液體，該液體會(huì)經(jīng)過低壓冷卻之后蒸發(fā)，蒸發(fā)過后先在精餾塔中進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，再和低壓氣體進(jìn)行混合，這樣就能在低溫下蒸發(fā)，將塔頂逸出氣體進(jìn)行冷凝處理，得到的液體再經(jīng)過換熱器進(jìn)行過冷處理之后節(jié)流蒸發(fā)，這樣皆可以實(shí)現(xiàn)低溫。新式精餾裝置的自動(dòng)復(fù)疊冷循環(huán)系統(tǒng)，它具有的精餾裝置可以相當(dāng)于多級(jí)分凝器，能夠較好地分離低沸點(diǎn)和高沸點(diǎn)，此外，還能避免蒸發(fā)器堵塞。

2 分析新循環(huán)熱力學(xué)性能

在分析之前，首先需要選取合適的循環(huán)工質(zhì)，此次研究所使用的制冷劑主要是采用氫氟烴，使用R-134a作為高沸點(diǎn)組分，使用三氟甲烷作為高沸點(diǎn)組分。使用PTg方程計(jì)算熱力學(xué)性能，根據(jù)有關(guān)資料提供的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合R-134a與三氟甲烷的互相作用。為了計(jì)算的簡便性，本文將計(jì)算條件作以下假設(shè)：

①將壓縮過程的絕熱效率控制在70%左右；②忽略液體流動(dòng)以及冷凝過的壓力損失，其余連接管道以及換熱器的壓力損失情況作如下考慮：14-11的壓力損失為4kPa，11-6的壓力損失為2kPa，6-8的壓力損失為3kPa，8-0的壓力損失為1kPa，7-5的壓力損失為4kPa，將急流裝置中的壓力損失設(shè)定在21kPa，這樣就是3-4的壓力損失為21kPa；③假設(shè)從塔底流出的液體為飽和液體，塔頂逸出的氣體為飽和氣體；④E蒸發(fā)器和G蒸發(fā)器側(cè)口出來的蒸發(fā)汽體為飽和汽體；⑤換熱器的傳感溫差值作以下假設(shè)：6-9的溫差值等于5，9-8的溫差值大于等于3，4-（5+7）/2的溫差值大于等于2，3-0的溫差值大于5，12-8的溫差值大于等于5，2-3的溫差值等于5。按照換熱器以及蒸餾裝置的質(zhì)量聯(lián)合能量守恒定律能夠建立方程組，只要將方程組解開，就能得到循環(huán)系統(tǒng)各點(diǎn)的參數(shù)，進(jìn)一步求出壓力比例以及系統(tǒng)制熱能效比。

3 分析影響新式循環(huán)系統(tǒng)性能的因素

根據(jù)前面所做的一系列理想值的假設(shè)，設(shè)定冷凝器的出口溫度為四十?dāng)z氏度，蒸發(fā)器的壓力為一百四十千帕，精餾塔頂?shù)娜淄榈臐舛葹?9.66%，在以上設(shè)定條件下，分析影響新式循環(huán)系統(tǒng)性能的因素。

3.1 混合物組成

在分析影響混合物組成的因素時(shí)，需要確保精餾塔壓力以及稀奇溫度的固定值保持不變。此外，還要使得冷凝器與壓縮機(jī)的能量平衡，當(dāng)升高吸氣溫度時(shí)，就相對(duì)提升了制冷劑的焓值，為了二者的平衡，就需要同時(shí)提升制冷劑的焓值。同時(shí)，隨著吸氣溫度的提升，系統(tǒng)制熱能效比減少幅度不是很大，因此二者之間的關(guān)聯(lián)性以及影響性不大。

3.2 精餾塔操作壓力

如果三氟甲烷的濃度為52%時(shí)，精餾塔操作壓力越高，就會(huì)拉近飽和汽液相線之間的距離，這樣就會(huì)縮小汽液相間濃度差，加大了分離的難度，也會(huì)抬升精餾塔內(nèi)的壓力，進(jìn)一步提升塔底低沸點(diǎn)組分三氟甲烷的濃度，使得三氟甲烷無法足量進(jìn)入蒸發(fā)器，降低系統(tǒng)制熱能效比。

4 結(jié)束語

本文主要研究和分析具有精餾裝置的自動(dòng)復(fù)疊制冷循環(huán)，該系統(tǒng)的精餾裝置可以有效分離低沸點(diǎn)和高沸點(diǎn)。研究的制冷劑選取三氟甲烷或者R-134a。使用熱力學(xué)分析新循環(huán)，得到的結(jié)論主要有以下方面：

①如果低沸點(diǎn)在混合物組成中的含量增加，系統(tǒng)制熱能效比提升，就必須相應(yīng)提升壓縮機(jī)壓比；②如果壓縮機(jī)的稀奇溫度不斷上升，統(tǒng)制熱能效比減少幅度不是很大，因此二者之間的關(guān)聯(lián)性以及影響性不大；③精餾塔操作壓力越高，就會(huì)拉近飽和汽液相線之間的距離，提升塔底低沸點(diǎn)組分三氟甲烷的濃度，使得三氟甲烷無法足量進(jìn)入蒸發(fā)器，降低系統(tǒng)制熱能效比。

參考文獻(xiàn)：

[1]董恒一，韓志濤，呂國荃，等.復(fù)疊式制冷循環(huán)在DSC系統(tǒng)中的應(yīng)用分析[J].山西建筑，2017，16（28）：126-128.

[2]陳曦，王海霞，王海濤，等.NH3/CO2復(fù)疊式制冷循環(huán)系統(tǒng)的熱力性能分析[J].低溫與超導(dǎo)，2016，03（16）：55-59+87.

[3]鄭大宇，陳爍.自復(fù)疊制冷系統(tǒng)工質(zhì)運(yùn)行濃度變化的研究[J].制冷，2015，02（28）：18-22.