基于AspenPlus的自然复叠制冷系统过程模拟分析

1、第7卷第4期2009年12月顺德职业技术学院学报Joumal of Shunde PolytechnicDec.20(9科技与应用基于Aspen Plus的自然复叠制冷系统过程模拟分析徐言生1。余华明12(1.顺德职业技术学院,广东佛山528333;2.华南理工大学,广东广州510641摘要:为有效减小自然复叠制冷系统匹配和调试实验工作量,引入在化工领域常用的大型流程模拟软件Aspen P1us软件进行自然复叠制冷系统的过程模拟。模拟和实验数据的比较表明,该软件具有较好的模拟效果。可有效减小实验工作量。关键词:自然复叠制冷系统;质量浓度比;Aspen plus;过程模拟中图分类号:TB6文献标

2、志码:A文章编号:16726138(200904002903自然复叠制冷系统使用二元或多元非共沸制冷剂(如R23和R134a昆合制冷剂,使用一个常温压缩机便可以获得多个温区的制冷效果,更主要的是在-48以下具有比传统双级复叠制冷系统更好的制冷c0Pl”。因此,近年来自然复叠制冷设备被广泛研究并被制成产品。但由于自然复叠制冷系统一般采用多个换热器和多个节流元件,使得系统的匹配和调试实验丁作最和难度较大,选择合适的软件进行自然复叠制冷系统的过程模拟很有必要。1自然复叠制冷系统的结构和原理图1有回热器和分凝器的自然复叠制冷系统流程图图l所示流程图为用Aspen Plus绘制。系统运行时。南,Asp髓

3、Plus是主要用于化工领域的大型通用流程模拟混合制冷剂经压缩机Bl压缩进人冷凝器B2,经过一个系统,该系统具有完备的物性数据库。另外,该系统具有回热器B3后气液两相混合物进入气液分离器B5,分离完整的软件结构,除了组分、物性、状态方程外,还包括为饱和气态制冷剂和饱和液态制冷剂:饱和气态制冷剂先各个单元操作模块,制冷系统的各个环节都可以在其中找后经过分凝器B4和蒸发冷凝器B7降温进入二级节流阀B8到对应的模块阁。选择化工领域的Aspen Plus来模拟制冷行节流然后进入蒸发器B9;饱和液态制冷剂经一级节流阀B6业的自然复叠问题,主要基于以下原因:节流,与从蒸发器出来的制冷剂在汇合端B10汇合后进

4、入(1目前制冷系统所使用的制冷剂均属化T产品。本蒸发冷凝器B7对从气液分离器H来的饱和气态制冷剂进行自然复叠制冷系统所使用的制冷剂R23(cFH,和R134a 降温,然后经回热器B3回到压缩机完成一个循环。(cH:FcF3为常用的化-【=产品;2引入Aspen吼s软件分析础上黼8篙篡瓣淼裟霎袭翥翥根据A。p。nte。h公司出版的Aspen Plus“.1用户指性方程的一些算法的应用;收稿日期:2009一10一09 作者简介:徐言生(1967一,男,湖北石首人,教授,研究方向:制冷技术。顺德职业技术学院学报第7卷(3自然复叠制冷系统最关键的问题是处理混合制冷剂的露泡点问题,这在化丁领域就是相位平

5、衡问题,而Apsen Plus本身就是处理平衡态体系的软件;(4Aspen Plus内建了几乎所有化-T领域所涉及的数据库。并且能结合实验同归出一尝具体领域的数据参数,这对于实验数据的分析具有重大作用;(5Aspen Plus还是一个很好的分析软件,可以轻松模拟出不同丁况下系统的运行状态,这对于降低自然复叠制冷系统实验调试的丁作量很有益。因Aspen PIus主要是针对化工领域,所以在引入AspenPlus用作自然复叠制冷系统模拟的时候,要解决几个问题:(1选择Aspen Plus内建合适单元操作模块构建自然复叠制冷流程的问题;(2对每一个模块的物性方法选择的问题。物性方法的正确选择是获得理想

6、模拟结果的关键,同一个流程物性方法的不同选择获得的结果可能很大;(3对每一个模块的操作条件的输入,包括入口物料的状态、流量、相率等等。每个设备的热、功变量等等,这些数据往往是依赖经验值或是实验数据的。3模拟及实验3.1模拟程序的建立在Aspen Plus中建立的流程图如图1所示,其单元操作模块如表l所示。表1自然复叠制冷系统的单元操作模块制冷系统环节压缩机B1软件单元模块compr制冷系统环节分凝器B4软件单元模块Mhtx制冷系统环节蒸发器B9软件单元模块Heater 冷凝器B2回热器B3气液分离器Hea把r Mhealx S叩2蒸发冷凝器B7一级节流阀B5二级节流阀B8 MhPatX VaI

7、ve V alve回流阀B10VlIlvP3.2模拟条件和假设嘲(1系统运行环境温度25,冷凝温度35;当采取回热措施后,回热器出口制冷剂温度20;(2系统冷凝压力1600kPa,蒸发压力140kPa;m(3压缩机指示效率7=争一o.00025+岛唧可确定.K(注:田为压缩机指示效率,死、。为压缩机回气温度,单位分别为K、,瓦为压缩机排气温度,单位K(4不考虑管路能量损失,不考虑管路的液相积存;(5节流滞止焓相等,即毛细管节流前后魄+学相等。Z3.3物性方法选择物性方法是一批方法和模型,Aspen Plus用它们来计算热力学物性和传递性质,热力学物性包括:逸度系数(K 值、焓、熵、吉布斯自由能

8、、体积;传递性质包括:粘度、热导率、扩散系数、表面张力。对于自然复叠制冷系统,虽然各操作模块的T况有可能不同,但考虑到模拟系统的简洁性。可以为整个流程选择一个通用的物性方法,本模拟所选用的物性方法为Aspentech公司出版的Aspen Plus11.1物性方法和模型说明书中介绍的PRBM方法。该方法采用带有BostonMathisa仅函数的PR立方状态方程计算热力学性质,适用于非极性的混合物,在所有温度和压力范围该方法都能得到合理的计算结果,其缺点是要想在气液平衡计算中得到精确的结果,需要使用二元参数,但Aspen Plus 本身不具有所需的二元参数,需要集合实验数据进行回归。3.4自然复叠

9、制冷系统各单元状态的模拟利用前述流程和方法。可以对系统各单元的运行状况进行模拟。如图2所示为模拟所得的制冷系统在R23/R134a质量浓度比为0.4/0.6时的运行状态,图中各点对应图l中的状态点。图2自然复叠制冷系统各状态点模拟图从图2中可以确定:(1制冷系统要想获得好的混合制冷剂分离效果,状态点3必须在露泡点双曲线范同内,也就是说R23的质量浓度只能在0.40.7范围内,考虑到冷凝温度为35。所以R23质量浓度不能超过055,即所充注的制冷剂中R23质量浓度在04。055范围内,这一点在文献呵以得到证实,该文献作者通过实验证明R23质鼍浓度为0.4时制冷效果最佳;3.5系统运行性能的模拟及

10、实验验证构建系统流程后,町以利用Aspen P】us的M0del Analysis rI钿ls中的sensitiv时进行敏感性的分析,即模拟当输人条件改变后系统的运行变化,考虑到实验的可行性,本文对COP和压缩机排气温度在输入R23质量浓度改变时的变化情况进行模拟和实验.数据比较如图3、图4所示。在排气温度模拟和实验比较中,由于R23质量浓度为05时的实验排气温度已经超过120,已经超出安全范围。所以不进行比较。OOO8642屯q喝啃mp、毯赠一第4期徐言生。等:基于AsDen PIus的自然复叠制冷系统过程模拟分析0.350.4R23质量浓度图3系统COP变化情况0.35O.4R23质量浓度

11、圈4系统排气温度变化情况从图中可以看出,模拟和实验在变化趋势上保持一致,并且在R23质量浓度为0.45时表现出最好的吻合度,在其他质量浓度下有一定误差,分析如下:(1Aspen Plus所选用的物性方法缺乏针对性的二元参数,这导致计算有一定误差,要想获得更理想的计算结果,结合实验对物性方法进行数据回归,建立针对R23/R134a 混合制冷剂的物性方法是关键;(2对于传递过程计算,所进行的很多假设本身是有一定误差的;(3在单元操作模块的参数输入中很多必需的数据缺乏实验依据。这些分析也指出了要想将Aspen Plus引入作为制冷系统的模拟计算和分析还需要完善的所在。4结语AspenPlus是一个结

12、构完善和功能强大的过程模拟软件,将其引入进行自然复叠制冷系统过程的模拟,从模拟和实验数据的比较可以看出具有较好的模拟性,对降低系统的设计和实验下作量具有重要作用,特别是对于较难实验但关键的充注混合制冷剂的质量浓度比问题的模拟具有一定的参考价值。但模拟中也存在不够精确的问题,需要在下面几点进行深入研究:(1完善相关的实验经验数据。减少过程中的假设成分;(2对A即en Plus的物性方法继续进行研究,毕竟PRBM方法更适合于化工领域的气体加工,所以结合实验利用Aspen Plus回归出适合R23/R134a工质对自己的物性方法非常关键;(3利用软件做更多的敏感度和特性分析,并用实验进行验证分析,进

13、一步检验软件的模拟效果,并对模拟程序本身进行修正。参考文献:【1】王忠良,杜垲.R23,R134a自然复叠和经典复叠循环的分析比较|JJ.流体机械,2005,33,364367.2】余华明.R134a,R23自然复叠制冷系统的仿真和优化研究J】.顺德职业技术学院学报,2008,6(2:15一17.3】陆向阳,张华,黄森,刘训海.R134a爪23自动复叠制冷循环的试验研究fJ】.低温与特气,2004,22(5:2630.An Analysis of the Process Simulationof Natural Cascade Refrigeration System BasedonAspen

14、 PlusxuYaJlshen,Yu Huamin矛(1.Shunde Polytechnic,Foshan Guangdong 528333,China;2.South chinaunive陪时of Technology,Gu蛐铲hou Guangdong 510641,chinaAbstract:In ordertoe|kctively reduce the work load ofm舭hing and testing the natural cascade re衔geration 8ystem,aso胁are n珊edAsPen Plus is appliedtosimulate the chemical pmcess.Thecomparison of the