柳江峰

摘 要：本文主要研究和分析具有精馏装置的自动复叠制冷循环，制冷剂选取三氟甲烷或者R-134a。使用热力学分析新循环，这样就能够建立质量和能量的平衡方程。主要分析了系统制热能效比、吸气的温度、混合工质配比等一系列影响。

关键词：精馏装置；自动复叠制冷系统；热力学分析

一般情况下，零下四十摄氏度的温度环境通常会使用复叠制冷系统，它能够根据不同的温度区而使用在不同的领域，例如保存低温生物、冷却传感器以及在低温环境中测试物品与材料的性能等。复叠制冷系统一般分别两种装置：一种是多循环复叠式，这是一种两级系统，高温循环的工质主要是R12，低温循环的工质主要是R13，两者是通过冷凝蒸发器耦合在一起的。但是这种装置系统也有其弊端，在使用时需要同时启用两台压缩机。另一种是自动复叠式，其冷凝剂的工质主要是非共沸混合，它在使用时只需要使用一台单级压缩机。由于多级的分凝循环无法有效分离低沸点和高沸点，本文提出一种新式自动复叠式循环系统，它可以使用一种压缩机实现多级分凝，并且只使用一个精馏装置。混合工质使用在精馏装置中能够代替多級的分凝，这样可以大大提高分离速率。

1 具有精馏装置的自动复叠制冷循环

具有精馏装置的自动复叠制冷循环工作流程：先使用A压缩机将非共沸混合工质经过压缩处理，再进入B冷凝器中进行冷凝处理，处理得到的汽液混合物置入F精馏塔进行加热，之后节流进入塔内，将其进行精馏分离处理后，塔顶会逸出高纯低沸的气体，塔底会流出高沸点液体，该液体会经过低压冷却之后蒸发，蒸发过后先在精馏塔中进行运转，再和低压气体进行混合，这样就能在低温下蒸发，将塔顶逸出气体进行冷凝处理，得到的液体再经过换热器进行过冷处理之后节流蒸发，这样皆可以实现低温。新式精馏装置的自动复叠冷循环系统，它具有的精馏装置可以相当于多级分凝器，能够较好地分离低沸点和高沸点，此外，还能避免蒸发器堵塞。

2 分析新循环热力学性能

在分析之前，首先需要选取合适的循环工质，此次研究所使用的制冷剂主要是采用氢氟烃，使用R-134a作为高沸点组分，使用三氟甲烷作为高沸点组分。使用PTg方程计算热力学性能，根据有关资料提供的实验数据拟合R-134a与三氟甲烷的互相作用。为了计算的简便性，本文将计算条件作以下假设：

①将压缩过程的绝热效率控制在70%左右；②忽略液体流动以及冷凝过的压力损失，其余连接管道以及换热器的压力损失情况作如下考虑：14-11的压力损失为4kPa，11-6的压力损失为2kPa，6-8的压力损失为3kPa，8-0的压力损失为1kPa，7-5的压力损失为4kPa，将急流装置中的压力损失设定在21kPa，这样就是3-4的压力损失为21kPa；③假设从塔底流出的液体为饱和液体，塔顶逸出的气体为饱和气体；④E蒸发器和G蒸发器侧口出来的蒸发汽体为饱和汽体；⑤换热器的传感温差值作以下假设：6-9的温差值等于5，9-8的温差值大于等于3，4-（5+7）/2的温差值大于等于2，3-0的温差值大于5，12-8的温差值大于等于5，2-3的温差值等于5。按照换热器以及蒸馏装置的质量联合能量守恒定律能够建立方程组，只要将方程组解开，就能得到循环系统各点的参数，进一步求出压力比例以及系统制热能效比。

3 分析影响新式循环系统性能的因素

根据前面所做的一系列理想值的假设，设定冷凝器的出口温度为四十摄氏度，蒸发器的压力为一百四十千帕，精馏塔顶的三氟甲烷的浓度为99.66%，在以上设定条件下，分析影响新式循环系统性能的因素。

3.1 混合物组成

在分析影响混合物组成的因素时，需要确保精馏塔压力以及稀奇温度的固定值保持不变。此外，还要使得冷凝器与压缩机的能量平衡，当升高吸气温度时，就相对提升了制冷剂的焓值，为了二者的平衡，就需要同时提升制冷剂的焓值。同时，随着吸气温度的提升，系统制热能效比减少幅度不是很大，因此二者之间的关联性以及影响性不大。

3.2 精馏塔操作压力

如果三氟甲烷的浓度为52%时，精馏塔操作压力越高，就会拉近饱和汽液相线之间的距离，这样就会缩小汽液相间浓度差，加大了分离的难度，也会抬升精馏塔内的压力，进一步提升塔底低沸点组分三氟甲烷的浓度，使得三氟甲烷无法足量进入蒸发器，降低系统制热能效比。

4 结束语

本文主要研究和分析具有精馏装置的自动复叠制冷循环，该系统的精馏装置可以有效分离低沸点和高沸点。研究的制冷剂选取三氟甲烷或者R-134a。使用热力学分析新循环，得到的结论主要有以下方面：

①如果低沸点在混合物组成中的含量增加，系统制热能效比提升，就必须相应提升压缩机压比；②如果压缩机的稀奇温度不断上升，统制热能效比减少幅度不是很大，因此二者之间的关联性以及影响性不大；③精馏塔操作压力越高，就会拉近饱和汽液相线之间的距离，提升塔底低沸点组分三氟甲烷的浓度，使得三氟甲烷无法足量进入蒸发器，降低系统制热能效比。

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