基于Aspen Plus的自然復(fù)疊制冷系統(tǒng)過程模擬分析_圖文

1、第7卷第4期2009年12月順德職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)Joumal of Shunde PolytechnicV01.7No.4Dec.20(9科技與應(yīng)用基于Aspen Plus的自然復(fù)疊制冷系統(tǒng)過程模擬分析徐言生1。余華明12(1.順德職業(yè)技術(shù)學(xué)院,廣東佛山528333;2.華南理工大學(xué),廣東廣州510641摘要:為有效減小自然復(fù)疊制冷系統(tǒng)匹配和調(diào)試實(shí)驗(yàn)工作量,引入在化工領(lǐng)域常用的大型流程模擬軟件Aspen P1us軟件進(jìn)行自然復(fù)疊制冷系統(tǒng)的過程模擬。模擬和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較表明,該軟件具有較好的模擬效果?？捎行p小實(shí)驗(yàn)工作量。關(guān)鍵詞:自然復(fù)疊制冷系統(tǒng);質(zhì)量濃度比;Aspen plus;過程模擬中圖分

2、類號:TB6文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A文章編號:16726138(200904002903DOI:10.3969/:j.issn.16726138.2009.04.008自然復(fù)疊制冷系統(tǒng)使用二元或多元非共沸制冷劑(如R23和R134a昆合制冷劑,使用一個(gè)常溫壓縮機(jī)便可以獲得多個(gè)溫區(qū)的制冷效果,更主要的是在-48以下具有比傳統(tǒng)雙級復(fù)疊制冷系統(tǒng)更好的制冷c0Pl”。因此,近年來自然復(fù)疊制冷設(shè)備被廣泛研究并被制成產(chǎn)品。但由于自然復(fù)疊制冷系統(tǒng)一般采用多個(gè)換熱器和多個(gè)節(jié)流元件,使得系統(tǒng)的匹配和調(diào)試實(shí)驗(yàn)丁作最和難度較大,選擇合適的軟件進(jìn)行自然復(fù)疊制冷系統(tǒng)的過程模擬很有必要。1自然復(fù)疊制冷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和原理圖1有回?zé)崞骱?/p>

3、分凝器的自然復(fù)疊制冷系統(tǒng)流程圖圖l所示流程圖為用Aspen Plus繪制。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)。南,Asp髓Plus是主要用于化工領(lǐng)域的大型通用流程模擬混合制冷劑經(jīng)壓縮機(jī)Bl壓縮進(jìn)人冷凝器B2,經(jīng)過一個(gè)系統(tǒng),該系統(tǒng)具有完備的物性數(shù)據(jù)庫。另外,該系統(tǒng)具有回?zé)崞鰾3后氣液兩相混合物進(jìn)入氣液分離器B5,分離完整的軟件結(jié)構(gòu),除了組分、物性、狀態(tài)方程外,還包括為飽和氣態(tài)制冷劑和飽和液態(tài)制冷劑:飽和氣態(tài)制冷劑先各個(gè)單元操作模塊,制冷系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)都可以在其中找后經(jīng)過分凝器B4和蒸發(fā)冷凝器B7降溫進(jìn)入二級節(jié)流閥B8到對應(yīng)的模塊閣。選擇化工領(lǐng)域的Aspen Plus來模擬制冷行節(jié)流然后進(jìn)入蒸發(fā)器B9;飽和液態(tài)制冷劑經(jīng)一

4、級節(jié)流閥B6業(yè)的自然復(fù)疊問題,主要基于以下原因:節(jié)流,與從蒸發(fā)器出來的制冷劑在匯合端B10匯合后進(jìn)入(1目前制冷系統(tǒng)所使用的制冷劑均屬化T產(chǎn)品。本蒸發(fā)冷凝器B7對從氣液分離器H來的飽和氣態(tài)制冷劑進(jìn)行自然復(fù)疊制冷系統(tǒng)所使用的制冷劑R23(cFH,和R134a 降溫,然后經(jīng)回?zé)崞鰾3回到壓縮機(jī)完成一個(gè)循環(huán)。(cH:FcF3為常用的化-【=產(chǎn)品;2引入Aspen吼s軟件分析礎(chǔ)上黼8篙篡瓣淼裟霎襲翥翥根據(jù)A。p。nte。h公司出版的Aspen Plus“.1用戶指性方程的一些算法的應(yīng)用;收稿日期:2009一10一09 作者簡介:徐言生(1967一,男,湖北石首人,教授,研究方向:制冷技術(shù)。順德職業(yè)技術(shù)

5、學(xué)院學(xué)報(bào)第7卷(3自然復(fù)疊制冷系統(tǒng)最關(guān)鍵的問題是處理混合制冷劑的露泡點(diǎn)問題,這在化丁領(lǐng)域就是相位平衡問題,而Apsen Plus本身就是處理平衡態(tài)體系的軟件;(4Aspen Plus內(nèi)建了幾乎所有化-T領(lǐng)域所涉及的數(shù)據(jù)庫。并且能結(jié)合實(shí)驗(yàn)同歸出一嘗具體領(lǐng)域的數(shù)據(jù)參數(shù),這對于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析具有重大作用;(5Aspen Plus還是一個(gè)很好的分析軟件,可以輕松模擬出不同丁況下系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài),這對于降低自然復(fù)疊制冷系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)調(diào)試的丁作量很有益。因Aspen PIus主要是針對化工領(lǐng)域,所以在引入AspenPlus用作自然復(fù)疊制冷系統(tǒng)模擬的時(shí)候,要解決幾個(gè)問題:(1選擇Aspen Plus內(nèi)建合適單元操作

6、模塊構(gòu)建自然復(fù)疊制冷流程的問題;(2對每一個(gè)模塊的物性方法選擇的問題。物性方法的正確選擇是獲得理想模擬結(jié)果的關(guān)鍵,同一個(gè)流程物性方法的不同選擇獲得的結(jié)果可能很大;(3對每一個(gè)模塊的操作條件的輸入,包括入口物料的狀態(tài)、流量、相率等等。每個(gè)設(shè)備的熱、功變量等等,這些數(shù)據(jù)往往是依賴經(jīng)驗(yàn)值或是實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的。3模擬及實(shí)驗(yàn)3.1模擬程序的建立在Aspen Plus中建立的流程圖如圖1所示,其單元操作模塊如表l所示。表1自然復(fù)疊制冷系統(tǒng)的單元操作模塊制冷系統(tǒng)環(huán)節(jié)壓縮機(jī)B1軟件單元模塊compr制冷系統(tǒng)環(huán)節(jié)分凝器B4軟件單元模塊Mhtx制冷系統(tǒng)環(huán)節(jié)蒸發(fā)器B9軟件單元模塊Heater 冷凝器B2回?zé)崞鰾3氣液分離

7、器Hea把r Mhealx S叩2蒸發(fā)冷凝器B7一級節(jié)流閥B5二級節(jié)流閥B8 MhPatX VaIve V alve回流閥B10VlIlvP3.2模擬條件和假設(shè)嘲(1系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境溫度25,冷凝溫度35;當(dāng)采取回?zé)岽胧┖?回?zé)崞鞒隹谥评鋭囟?0;(2系統(tǒng)冷凝壓力1600kPa,蒸發(fā)壓力140kPa;m(3壓縮機(jī)指示效率7=爭一o.00025+島唧可確定.K(注:田為壓縮機(jī)指示效率,死、。為壓縮機(jī)回氣溫度,單位分別為K、,瓦為壓縮機(jī)排氣溫度,單位K(4不考慮管路能量損失,不考慮管路的液相積存;(5節(jié)流滯止焓相等,即毛細(xì)管節(jié)流前后魄+學(xué)相等。Z3.3物性方法選擇物性方法是一批方法和模型,Aspen

8、 Plus用它們來計(jì)算熱力學(xué)物性和傳遞性質(zhì),熱力學(xué)物性包括:逸度系數(shù)(K 值、焓、熵、吉布斯自由能、體積;傳遞性質(zhì)包括:粘度、熱導(dǎo)率、擴(kuò)散系數(shù)、表面張力。對于自然復(fù)疊制冷系統(tǒng),雖然各操作模塊的T況有可能不同,但考慮到模擬系統(tǒng)的簡潔性?？梢詾檎麄€(gè)流程選擇一個(gè)通用的物性方法,本模擬所選用的物性方法為Aspentech公司出版的Aspen Plus11.1物性方法和模型說明書中介紹的PRBM方法。該方法采用帶有BostonMathisa僅函數(shù)的PR立方狀態(tài)方程計(jì)算熱力學(xué)性質(zhì),適用于非極性的混合物,在所有溫度和壓力范圍該方法都能得到合理的計(jì)算結(jié)果,其缺點(diǎn)是要想在氣液平衡計(jì)算中得到精確的結(jié)果,需要使用二

9、元參數(shù),但Aspen Plus 本身不具有所需的二元參數(shù),需要集合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸。3.4自然復(fù)疊制冷系統(tǒng)各單元狀態(tài)的模擬利用前述流程和方法。可以對系統(tǒng)各單元的運(yùn)行狀況進(jìn)行模擬。如圖2所示為模擬所得的制冷系統(tǒng)在R23/R134a質(zhì)量濃度比為0.4/0.6時(shí)的運(yùn)行狀態(tài),圖中各點(diǎn)對應(yīng)圖l中的狀態(tài)點(diǎn)。圖2自然復(fù)疊制冷系統(tǒng)各狀態(tài)點(diǎn)模擬圖從圖2中可以確定:(1制冷系統(tǒng)要想獲得好的混合制冷劑分離效果,狀態(tài)點(diǎn)3必須在露泡點(diǎn)雙曲線范同內(nèi),也就是說R23的質(zhì)量濃度只能在0.40.7范圍內(nèi),考慮到冷凝溫度為35。所以R23質(zhì)量濃度不能超過055,即所充注的制冷劑中R23質(zhì)量濃度在04。055范圍內(nèi),這一點(diǎn)在文獻(xiàn)呵

10、以得到證實(shí),該文獻(xiàn)作者通過實(shí)驗(yàn)證明R23質(zhì)鼉濃度為0.4時(shí)制冷效果最佳;(2在R23質(zhì)量濃度為O.4的情況下可能獲得的最低蒸發(fā)溫度為一74.3,要想不斷優(yōu)化并獲得更低蒸發(fā)溫度理論上不可行。3.5系統(tǒng)運(yùn)行性能的模擬及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證構(gòu)建系統(tǒng)流程后,町以利用Aspen P】us的M0del Analysis rI鈿ls中的sensitiv時(shí)進(jìn)行敏感性的分析,即模擬當(dāng)輸人條件改變后系統(tǒng)的運(yùn)行變化,考慮到實(shí)驗(yàn)的可行性,本文對COP和壓縮機(jī)排氣溫度在輸入R23質(zhì)量濃度改變時(shí)的變化情況進(jìn)行模擬和實(shí)驗(yàn).數(shù)據(jù)比較如圖3、圖4所示。在排氣溫度模擬和實(shí)驗(yàn)比較中,由于R23質(zhì)量濃度為05時(shí)的實(shí)驗(yàn)排氣溫度已經(jīng)超過120,已經(jīng)

11、超出安全范圍。所以不進(jìn)行比較。OOO8642屯q喝啃mp、毯贈一第4期徐言生。等:基于AsDen PIus的自然復(fù)疊制冷系統(tǒng)過程模擬分析0.350.4O.450.5R23質(zhì)量濃度圖3系統(tǒng)COP變化情況0.35O.4O.450.5R23質(zhì)量濃度圈4系統(tǒng)排氣溫度變化情況從圖中可以看出,模擬和實(shí)驗(yàn)在變化趨勢上保持一致,并且在R23質(zhì)量濃度為0.45時(shí)表現(xiàn)出最好的吻合度,在其他質(zhì)量濃度下有一定誤差,分析如下:(1Aspen Plus所選用的物性方法缺乏針對性的二元參數(shù),這導(dǎo)致計(jì)算有一定誤差,要想獲得更理想的計(jì)算結(jié)果,結(jié)合實(shí)驗(yàn)對物性方法進(jìn)行數(shù)據(jù)回歸,建立針對R23/R134a 混合制冷劑的物性方法是關(guān)鍵

12、;(2對于傳遞過程計(jì)算,所進(jìn)行的很多假設(shè)本身是有一定誤差的;(3在單元操作模塊的參數(shù)輸入中很多必需的數(shù)據(jù)缺乏實(shí)驗(yàn)依據(jù)。這些分析也指出了要想將Aspen Plus引入作為制冷系統(tǒng)的模擬計(jì)算和分析還需要完善的所在。4結(jié)語AspenPlus是一個(gè)結(jié)構(gòu)完善和功能強(qiáng)大的過程模擬軟件,將其引入進(jìn)行自然復(fù)疊制冷系統(tǒng)過程的模擬,從模擬和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較可以看出具有較好的模擬性,對降低系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)下作量具有重要作用,特別是對于較難實(shí)驗(yàn)但關(guān)鍵的充注混合制冷劑的質(zhì)量濃度比問題的模擬具有一定的參考價(jià)值。但模擬中也存在不夠精確的問題,需要在下面幾點(diǎn)進(jìn)行深入研究:(1完善相關(guān)的實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。減少過程中的假設(shè)成分;(2對

13、A即en Plus的物性方法繼續(xù)進(jìn)行研究,畢竟PRBM方法更適合于化工領(lǐng)域的氣體加工,所以結(jié)合實(shí)驗(yàn)利用Aspen Plus回歸出適合R23/R134a工質(zhì)對自己的物性方法非常關(guān)鍵;(3利用軟件做更多的敏感度和特性分析,并用實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證分析,進(jìn)一步檢驗(yàn)軟件的模擬效果,并對模擬程序本身進(jìn)行修正。參考文獻(xiàn):【1】王忠良,杜塏.R23,R134a自然復(fù)疊和經(jīng)典復(fù)疊循環(huán)的分析比較|JJ.流體機(jī)械,2005,33,364367.2】余華明.R134a,R23自然復(fù)疊制冷系統(tǒng)的仿真和優(yōu)化研究J】.順德職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2008,6(2:15一17.3】陸向陽,張華,黃森,劉訓(xùn)海.R134a爪23自動(dòng)復(fù)疊制冷

14、循環(huán)的試驗(yàn)研究fJ】.低溫與特氣,2004,22(5:2630.An Analysis of the Process Simulationof Natural Cascade Refrigeration System BasedonAspen PlusxuYaJlshen,Yu Huamin矛(1.Shunde Polytechnic,Foshan Guangdong 528333,China;2.South chinaunive陪時(shí)of Technology,Gu蛐鏟hou Guangdong 510641,chinaAbstract:In ordertoe|kctively reduce the work load ofm舭hing and testing the natural cascade re銜geration 8ystem,aso脅are n珊edAsPen Plus is appliedtosimulate the chemical pmcess.Thecomparison o