引言各行业对低温制冷机的需求越来越大，但是使用单一制冷剂的单级压缩制冷循环温度一般只能达到-40 ℃左右。如果要制取更低的温度，可以在Linde-Hampson循环中利用非共沸混合制冷剂的热力学特点制冷。吴裕庆[1]等对R23/R134a、R23/R600a等混合工质在单级压缩回热系统下进行理论分析，王勤[2]对R23/R134、R13/R12、R170/R600a等混合工质在单级压缩系统的变化趋势进行分析。张爱民[3]等对混合工质的配比进行模拟计算，得出相关物性参数图。陆宏权[4]等利用软件对系统性能进行模拟分析。如何在众多混合工质的组合和配比中选择较为合适的制冷剂具有重要研究意义。因此，以冷凝温度为30 ℃，蒸发温度为-60 ℃的低温冷柜机组为研究对象[5]，搭建物理模型，利用NIST9.1软件和Aspen Plus v11软件研究R600a/R290、R290/R170、R134a/R23、R600a/R23混合工质对单级压缩回热系统循环性能的影响，探究较为合适的混合制冷剂及合适的质量比例。1循环原理及制冷剂特性分析1.1单机压缩回热循环过程单机压缩回热循环系统主要由压缩机、冷凝器、回热器、节流阀、蒸发器等构成[6]。单机压缩回热循环原理如图1所示。混合制冷剂的过热蒸气从压缩机排出，低沸点的制冷剂无法被冷凝。气、液混合态制冷剂经过冷凝器排出后进入回热器，低沸点制冷剂在回热器放热冷凝为液态后经节流降压进入蒸发器，低沸点制冷剂在蒸发器中被蒸发为气态，而高沸点制冷剂因沸点高无法被蒸发为气态。气、液混合态制冷剂在蒸发器排出后再次进入回热器，高沸点制冷剂吸热被蒸发为气态。回热器排出的混合气态制冷剂回到压缩机，被压缩为高温高压的过热蒸气[6]。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.07.024.F001图1单机压缩回热循环原理1.2非共沸制冷剂特性分析R290、R170、R600a、R134a、R23制冷剂达到环保制冷剂的使用要求，在环境保护方面具有优势[7]。R23、R134a、R600a、R290、R170标准沸点相差值符合40~80 ℃，混合制冷剂适用于-40~-80 ℃低温制冷系统。几种工质的物性相关参数如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.07.024.T001表1几种工质的物性相关参数制冷剂标准沸点/℃临界压力/MPa临界温度/℃ODPGWPR600a-11.703.64134.7020R290-42.204.2596.7020R170-88.904.8732.3020R134a-26.264.07101.301 300R23-82.104.8425.9012 0002制冷系统模型建立2.1问题描述及假设条件以较为简单的单级压缩回热系统为研究背景，以冷凝温度为30 ℃，蒸发温度为-60 ℃的低温冷柜机组为研究对象[5]，设定制冷剂质量流量为4.52 kg/h，额定制冷量为300 W，搭建物理模型。模拟分析不同质量比例的混合制冷剂对压缩机排气温度、制冷量、性能系数(COP)以及压缩机功率等的影响。设定系统运行状态为稳定状态，各处混合制冷剂的质量流量保持不变，系统内部的能量损失及系统与外界之间的热量损失忽略不计。2.2系统流程描述模拟系统流程如图2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.07.024.F002图2模拟系统流程由图2可知，过程1~过程6的状态与图1中的过程状态一一对应。管路7代表热量由HEATX1模块传向HEATX2模块，并将模块组合作为模拟系统的回热器。定义管路1为系统模拟开始计算的管路，采用Aspen Plus软件中的Wegstein仿真收敛方法确定循环流程计算是否收敛[8-10]。压缩过程为等熵压缩，设定其压缩效率为72％，节流过程为绝热节流。系统模拟流程各模块参数以及各工质对相关参数设定如表2和表3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.07.024.T002表2系统模拟流程各模块参数设定设备部件模块名称单元操作模块压缩机COMPRECompr冷凝器CONDENHeater回热器HEATX1+HEATX2Heater节流阀VALVEValve蒸发器EVALOPHeater10.3969/j.issn.1004-7948.2023.07.024.T003表3各工质对相关参数设定工质对压缩机冷凝器回热器节流阀蒸发器排气温度/℃压力/MPa冷凝温度/℃压力/MPa冷端出口温度/℃出口压力/MPa蒸发温度/℃压力/MPaR600a/R2901200.65300.65-400.02-600.02R290/R1701202.07302.07-400.16-600.16R134a/R231201.65301.65-400.13-600.13R600a/R231200.75300.75-400.21-600.213混合制冷剂的最佳配比分析3.1各配比下的蒸发压力和压比分析通过使用NIST9.1软件，可以得出系统运行时，R600a/R290、R290/R170、R134a/R23、R600a/R23混合制冷剂在某质量比例和温度条件下的饱和蒸汽压力曲线图[1-7]。不同质量比例混合制冷剂的蒸发压力和压比如图3~图6所示。R134a/R23、R600a/R23和R290/R170混合制冷剂的蒸发压力曲线几乎重合，蒸发压力较高，使系统运行时的高压侧压力降低，对系统的稳定性有利。R600a/R290混合制冷剂的蒸发压力最低且曲线偏离其他曲线。单级压缩回热循环系统正常运行的下限压比不宜过高，一般为10左右[9]，R600a/R290混合制冷剂下限压比最高，不利系统正常运行。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.07.024.F003图3质量比例为6∶4时不同混合制冷剂的蒸发压力10.3969/j.issn.1004-7948.2023.07.024.F004图4质量比例为5∶5时不同混合制冷剂的蒸发压力10.3969/j.issn.1004-7948.2023.07.024.F005图5质量比例为4∶6时不同混合制冷剂的蒸发压力10.3969/j.issn.1004-7948.2023.07.024.F006图6不同质量比例混合制冷剂的压比通过以上分析得出R600a/R290混合制冷剂不适用于系统，接下来不再对R600a/R290混合制冷剂进行分析，只分析其余3种组合的制冷量、COP、排气温度、功率的变化，进而得出最适合系统运行的制冷剂组合。3.2各配比下的制冷量和COP分析通过使用Aspen Plus软件，观察改变制冷剂质量比例对系统循环中的制冷量和COP的影响。不同质量比例混合制冷剂的制冷量和COP变化如图7~图10所示。在冷凝温度为30 ℃时，R290/R170混合制冷量和COP最大，通过制冷量和COP分析，初步得出选用R290/R170混合制冷剂。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.07.024.F007图7质量比例为6∶4时混合制冷剂的制冷量变化10.3969/j.issn.1004-7948.2023.07.024.F008图8质量比例为4∶6时混合制冷剂的制冷量变化10.3969/j.issn.1004-7948.2023.07.024.F009图9质量比例为6∶4时混合制冷剂的COP变化10.3969/j.issn.1004-7948.2023.07.024.F010图10质量比例为4∶6时混合制冷剂的COP变化3.3各配比下的排气温度和功率分析10.3969/j.issn.1004-7948.2023.07.024.F011图11质量比例为6∶4时混合制冷剂的排气温度10.3969/j.issn.1004-7948.2023.07.024.F012图12质量比例为4∶6时混合制冷剂的排气温度10.3969/j.issn.1004-7948.2023.07.024.F013图13质量比例为6∶4时混合制冷剂的功率变化通过使用Aspen Plus软件，观察改变制冷剂质量比例对系统循环中排气温度和压缩机功率的影响。不同质量比例混合制冷剂的排气温度和功率变化如图11~图14所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.07.024.F014图14质量比例为4∶6时混合制冷剂的功率变化由图11~图14可知，冷凝温度为30 ℃时，质量比例为4∶6的R290/R170混合制冷剂的排气温度高于150 ℃，超过压缩机的运行温度极限[10]，不适合系统的运行。R134a/R23与R600a/R23混合制冷剂的排气温度在压缩机的合理范围内，对系统稳定运行更有利。R290/R170混合制冷剂的压缩机功率较大，R134a/R23与R600a/R23混合制冷剂对压缩机的损害较小。通过对排气温度和功率分析得出R134a/R23、R600a/R23较为合理。R290/R170混合制冷剂的制冷量、COP、排气温度均在合理范围内且对系统运行更有利，故选用R290/R170作为系统运行时的制冷剂更有利。4R290/R170各配比变化对系统影响分析使用Aspen PlusV 11软件对R290/R170混合制冷剂在单级压缩回热系统中的运行情况进行模拟分析，质量比例变化对排气温度、COP、制冷量以及功率的影响如图15~图18所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.07.024.F015图15质量比例变化对排气温度的影响10.3969/j.issn.1004-7948.2023.07.024.F016图16质量比例变化对COP的影响10.3969/j.issn.1004-7948.2023.07.024.F017图17质量比例变化对制冷量的影响10.3969/j.issn.1004-7948.2023.07.024.F018图18质量比例变化对功率的影响由图15~图18可知，R290/R170混合制冷剂能够在30 ℃环境温度实现-60 ℃深制冷。针对R290/R170混合制冷剂，随着低沸点组分占比的增加，制冷量、COP、排气温度和功率也会增加。随着冷凝温度升高，制冷量和COP单调递减；冷凝温度为30 ℃，质量比例为6∶4时，排气温度和压缩功率最低且符合正常运行范围。因此，综合分析R290/R170混合制冷剂的制冷量和COP以及压缩机功率和排气温度，质量比例为6∶4最合适。参考张海旭[6]等的R290/R170单级压缩回热制冷系统模拟研究，对R290/R170在系统中的应用进行了模拟和实验，并将模拟结果与实验结果进行对比。冷凝温度为30 ℃，蒸发温度为-65 ℃时，质量比例为6∶4最适合系统运行。文中设定的参数和系统环境与文献[6]基本相似。文献结果与论文模拟结果对比如表4所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.07.024.T004表4文献结果与论文模拟结果对比运行参数排气温度/℃冷凝压力/MPa冷凝温度/℃蒸发压力/MPa蒸发温度/℃COP文献模拟结果112.802.07030.000.130650.24文献实验结果114.502.13829.760.127—0.23文中模拟结果103.142.06030.000.140-600.22由表4可知，本次系统模拟结果与文献[6]模拟结果的相对误差在±10％范围内，因此基于Aspen plus软件得出的模拟结果能够描述单级压缩回热系统的相关特性，且通过模拟结果与文献对比可以得出与文献相同的结论，故R290/R170质量比例为6∶4时，适用于单级压缩回热循环系统。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.07.024.F0195结语通过各配比下的蒸发压力分析得出，只考虑高压侧的饱和蒸汽压力时，系统循环使用制冷剂R134a/R23、R600a/R23和R290/R170较合理，如考虑获得较大制冷量则选用制冷剂R600a/R290更有利。通过各配比下的下限压比分析得出，R600a/R290不合适系统运行。通过各配比下的制冷量和COP变化分析得出，R290/R170较为合理，且R290/R170质量比例为6∶4时，适用于单级压缩回热循环系统。