CN103105017A - 环境试验装置制冷系统及其节能工况快速确定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种环境试验装置制冷系统节能工况快速确定方法，包括：1、基于HYSYS根据制冷剂性质选择合适的物性方法以及参数输出形式；2、进行制冷系统工艺流程特殊设计；3、输入关键点工况参数，进行动态运算，快速获取工况设计参数；4、定义条件范围，优化目标技术参数，体现节能效果。本发明可以大大提高制冷系统设计及其工况参数确定的效率，克服一些制冷系统设计软件制冷剂基础数据有限、条件选择限制等种种不利因素，同时能够根据不同环境下来实时设计工艺流程获取最节能的工艺状态参数，能够根据负荷的大小实时进行风量的计算和风量大小的确定，真正彰显其快速高效确定制冷系统工况参数的优势。
Description
技术领域
本发明涉及制冷系统技术领域，尤其涉及一种环境试验装置制冷系统节能工况快速确定方法。
背景技术
大部分环境试验装置中的制冷系统可以说是其核心组成部分，制冷系统的稳定运行与否直接决定了环境试验装置的可靠性，同时制冷系统的能耗也占了环境试验装置总负荷的很大部分，因此企业在设计生产过程或是新品研发过程中必须考虑制冷系统的设计科学性以及能耗的最小化原则。目前环境试验装置的制冷系统主要采用单级或二元复叠式制冷，企业在制冷系统设计过程中可能采用手工计算或是自身经验或是借助于诸如Solkane、REFLUENT或其它一些制冷系统工况设计等软件进行制冷系统工况设计，但是这样则存在设计效率低下、耗费时间长、极限条件限制、制冷剂种类限制和单一系统限制等缺点。因此需要寻求一种能够解决上述问题的制冷系统节能工况高效快速确定方法。
HYSYS是功能强大的过程模拟软件，由加拿大HYPROTECH公司研发，目前已被ASPEN公司收购，该软件用于过程与设备模拟、分析、设计、优化及开停车指导、动态仿真培训、设计先进控制系统等，广泛应用于石油开采、储运、天然气加工、石油化工、精细化工、制药、炼制等领域。HYSYS提供了一组功能强大的物性计算包，它的基础数据也是来源于世界富有盛名的物性数据系统，本发明基于HYSYS可以开发更多的制冷系统以及快速确定制冷系统工况参数，检验新研发制冷系统工况参数的合理性，优化系统方案，节省能耗，本发明对于企业制冷系统工况快速确定以及设备选型有着重要的指导意义。
发明内容
本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种基于HYSYS仿真分析软件进行工艺流程特殊设计的环境试验装置制冷系统节能工况快速确定方法。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种环境试验装置制冷系统，包括有高温级和低温级，所述的高温级包括有压缩机一，所述的压缩机一的排气管连接一冷凝器的进口，冷凝器的出口连接回热器一的第一管道的进口，第一管道的出口连接膨胀阀一的进口，膨胀阀一的出口连接冷凝蒸发器的第一管道的入口，第一管道的出口连接所述的回热器一的第二管道的入口，第二管道的出口连接所述的压缩机一的吸气管，所述的冷凝器上有冷却水进口和冷却水出口；所述的低温级包括有压缩机二，所述的压缩机二的排气管连接预冷器的进口，预冷器的出口连接所述的冷凝蒸发器的第二管道的进口，第二管道的出口连接回热器二的第一管道的进口，第一管道的出口连接膨胀阀二的进口，膨胀阀二的出口连接蒸发器的进口，所述的蒸发器的出口连接所述的回热器二的第二管道的进口，第二管道的出口连接所述的压缩机二的吸气管，所述的预冷器上设有冷却水进出口，所述的蒸发器上设有循环空气进出口。
所述的冷凝器的冷凝介质为蒸馏水或自来水；高温级的制冷剂为R22、R502、R404A或R410A；所述的低温级的制冷剂为R13、R23或R170。
一种环境试验装置制冷系统节能工况快速确定方法，包括以下步骤：1、基于HYSYS仿真分析软件，根据制冷剂性质选择合适的物性方法以及参数输出形式；2、进行制冷系统工艺流程特殊设计；3、输入关键点工况参数，进行动态运算，快速获取工况设计参数；4、定义条件范围，优化目标技术参数，体现节能效果。
所述的步骤1分为以下步骤：
1.1分析制冷系统可能涉及的全部组分，确定所有组分的简单称号或化学结构名称；
1.2分析各组分性质，确定制冷系统组分适宜的物性方法；
1.3根据用户使用习惯，修改变量单位以及参数输出布局形式。
所述步骤1.3还包括有根据需要显示的变量种类，通过Show Table控件添加到流程中。
所述的步骤2分为以下步骤：
2．1通过Object Palette控件添加各操作单元；
2．2通过Size Mode控件对添加的各操作单元显示尺寸进行调整；
2．3通过Attach Mode控件对添加的各操作单元进行流程连接。
所述的步骤2.1分为以下步骤：
2.1.1添加操作单元同时增加了流程中的回热器一和回热器二操作单元；
2.1.2冷凝器和预冷器操作单元采用具有进出冷却水参数输出的冷凝器；
2.1.3蒸发器操作单元采用两股物流换热器的方式代替仅具有负荷形式；
2.1.4通过添加Adjust控件，获取目标技术参数；
2.1.5通过Attach Mode控件对添加的各操作单元进行流程连接。
所述步骤2.1.4分为以下步骤：
2.1.4.1对预冷器以及冷凝器冷却水进水Temperature和Mass Flow进行调整，获取目标参数；
2.1.4.2对蒸发器进气空气BO Std Vol Flow Overall 和蒸发器Exchanger Cold Duty 进行调整，获取目标参数。
所述步骤3分为以下步骤：
3.1分析流体性质，初步设定换热设备的压力降或传热系数等参数；
3.2分析组分及工艺特点，选压缩机一和压缩机二的种类以及设定等熵压缩效率；
3.3根据实际经验，对蒸发器进出口物流温度、换热温差进行设定；
3.4根据实际经验，对冷凝器换热温差进行设定；
3.5设定回热器一和回热器二的冷流出口温度即制冷剂回气过热度；
3.6设定制冷剂进膨胀阀一和膨胀阀二前的冷凝温度及气相分率；
3.7设定冷凝蒸发器的物流进出口温度及换热温差；
3.8设定冷凝器冷凝温度及冷却水进出口工况参数。
所述步骤4分为以下步骤：
4.1根据Datebook控件，选定优化计算模型以及所有可能涉及变量，并设置被动变量以及主动变量；
4.2分析被动变量特征，定义变量范围或是重新定义优化函数；
4.3设定优化计算参数进行计算，获取最终优化计算结果。
本发明的优点是：本发明可以大大提高制冷系统设计及其工况参数确定的效率，克服一些制冷系统设计软件制冷剂基础数据有限、条件选择限制等种种不利因素，同时能够根据不同环境下来实时设计工艺流程获取最节能的工艺状态参数，用于指导企业进行设备科学选型和技术参数优化，能够根据负荷的大小实时进行风量的计算和风量大小的确定，真正彰显其快速高效确定制冷系统工况参数的优势。
附图说明
图1为本发明方法的流程图。
图2为本发明系统的结构图。
具体实施方式
如图2所示，一种环境试验装置制冷系统，包括有高温级和低温级，所述的高温级包括有压缩机一1，所述的压缩机一1的排气管连接一冷凝器3的进口，冷凝器3的出口连接回热器一6的第一管道的进口，第一管道的出口连接膨胀阀一9的进口，膨胀阀一9的出口连接冷凝蒸发器5的第一管道的入口，第一管道的出口连接所述的回热器一6的第二管道的入口，第二管道的出口连接所述的压缩机一1的吸气管，所述的冷凝器3上有冷却水进口11和冷却水出口12；所述的低温级包括有压缩机二2，所述的压缩机二2的排气管连接预冷器4的进口，预冷器4的出口连接所述的冷凝蒸发器5的第二管道的进口，第二管道的出口连接回热器二7的第一管道的进口，第一管道的出口连接膨胀阀二10的进口，膨胀阀二10的出口连接蒸发器8的进口，所述的蒸发器8的出口连接所述的回热器二7的第二管道的进口，第二管道的出口连接所述的压缩机二2的吸气管，所述的预冷器4上设有冷却水进出口13、14，所述的蒸发器8上设有循环空气进出口15、16。
所述的冷凝器3的冷凝介质为蒸馏水或自来水；高温级的制冷剂为R22、R502、R404A或R410A；所述的低温级的制冷剂为R13、R23或R170。
一种环境试验装置制冷系统节能工况快速确定方法，如图1所示，包括以下步骤：1、基于HYSYS仿真分析软件，根据制冷剂性质选择合适的物性方法以及参数输出形式；2、进行制冷系统工艺流程特殊设计；3、输入关键点工况参数，进行动态运算，快速获取工况设计参数；4、定义条件范围，优化目标技术参数，体现节能效果。
所述的步骤1分为以下步骤：
1.1分析制冷系统可能涉及的全部组分，确定所有组分的简单称号或化学结构名称；
1.2分析各组分性质，确定制冷系统组分适宜的物性方法；
1.3根据用户使用习惯，修改变量单位以及参数输出布局形式。
所述步骤1.3还包括有根据需要显示的变量种类，通过Show Table控件添加到流程中。
所述的步骤2分为以下步骤：
2．1通过Object Palette控件添加各操作单元；
2．2通过Size Mode控件对添加的各操作单元显示尺寸进行调整；
2．3通过Attach Mode控件对添加的各操作单元进行流程连接。
所述的步骤2.1分为以下步骤：
2.1.1添加操作单元同时增加了流程中的回热器一6和回热器二7操作单元；
2.1.2冷凝器3和预冷器4操作单元采用具有进出冷却水参数输出的形式；
2.1.3蒸发器8操作单元采用两股物流换热器的方式代替仅具有负荷形式；
2.1.4通过添加Adjust控件，获取目标技术参数；
2.1.5通过Attach Mode控件对添加的各操作单元进行流程连接。
所述步骤2.1.4分为以下步骤：
2.1.4.1对预冷器4以及冷凝器3冷却水进水Temperature和Mass Flow进行调整，获取目标参数；
2.1.4.2对蒸发器8进气空气BO Std Vol Flow Overall 和蒸发器8Exchanger Cold Duty 进行调整，获取目标参数。
所述步骤3分为以下步骤：
3.1分析流体性质，初步设定换热设备的压力降或传热系数等参数；
3.2分析组分及工艺特点，选压缩机一1和压缩机二2的种类以及设定等熵压缩效率；
3.3根据实际经验，对蒸发器8进出口物流温度、换热温差进行设定；
3.4根据实际经验，对冷凝器3换热温差进行设定；
3.5设定回热器一6和回热器二7的冷流出口温度即制冷剂回气过热度；
3.6设定制冷剂进膨胀阀一9和膨胀阀二10前的冷凝温度及气相分率；
3.7设定冷凝蒸发器5的物流进出口温度及换热温差；
3.8设定冷凝器3冷凝温度及冷却水进出口工况参数。
所述步骤4分为以下步骤：
4.1根据Datebook控件，选定优化计算模型以及所有可能涉及变量，并设置被动变量以及主动变量；
4.2分析被动变量特征，定义变量范围或是重新定义优化函数；
4.3设定优化计算参数进行计算，获取最终优化计算结果。
1、实施条件
某企业生产的环境试验装置所需制冷系统制冷量为22kw，拟采用环保制冷剂R404A/R23组合的二元复叠制冷方式，环境试验装置的目标工作温度为-70℃，采用水冷的冷却方式，当地冷却水水温为33℃，冷却水压力0.2MPa，换热器压力降取20KPa。高温级冷凝温度和蒸发温度分别为40℃和-30℃，低温级冷凝温度和蒸发温度分别为-25℃和-75℃，制冷剂出蒸发器过热度取2℃，低温级预冷器冷凝温度为40℃。
2、实施步骤
（1）分析制冷系统特点和制冷剂性质。
分析制冷系统特点是指整个制冷系统所有可能涉及的关键工艺设备以及制冷剂的物理化学性质，包括制冷量、换热温差、制冷方式、冷却方式、压缩机一1、压缩机二2等熵效率、冷凝器3和蒸发器8等，制冷剂的物理化学性质包括制冷剂的临界温度、临界压力、是否单纯组分、是否属于极性介质等。
（2）基于HYSYS分析组分性质和选取适宜物性方法和布局特点。
分析组分性质是指整个制冷系统所有可能涉及组分的物理化学性质，包括所有组分的组成、简单称号、化学结构名称、分子式、是否近似于理想气体或理想溶液、是否具有极性、是否需要构造虚拟组分等。例如通过Component-Match-Sim Name/Formula选择添加R23、R125、R143a、R134a、Air和H2O等组分。选取适宜物性方法是指根据系统流程中制冷剂性质选择最适合于系统组分模拟计算的物性方法，包括状态方程模型、活度模型、Chao Seader和Grayson Streed模型和蒸气压力模型等。例如通过Fluid Pkgs添加Peng-Robinson和Lee-KeslerPlocker物性方法以适宜组分的模拟计算。
选择布局特点是指根据用户使用习惯，修改变量单位以及参数输出布局形式。例如通过Tools-Variables-Available Unit Sets修改变量显示种类和单位输出形式，通过Show Table以及View Properties设定参数输出布局形式，如用户需要显示的变量输出种类和国际通用单位形式。
(3)根据目标特殊要求进行工艺流程特殊设计。
工艺流程特殊设计是指根据节能工况快速确定设计要求对整个制冷系统流程进行关键设备连接与调整，得出适合快速确定节能工况参数的工艺流程。例如通过Object Palette控件添加各操作单元；通过Size Mode控件对添加的各操作单元显示尺寸进行调整；通过Attach Mode控件对添加的各操作单元进行流程连接。对低温级的预冷器4以及高温级的冷凝器3冷却水进水Temperature和Mass Flow进行调整，获取目标参数；对蒸发器8空气进气BO Std Vol Flow Overall 和蒸发器8Exchanger Cold Duty 进行调整，获取目标参数。
（4）设定关键点工况参数，进行模拟计算，快速获取各工段工况参数。
设定关键点工况参数是指对工艺流程中已知的状态条件和设备的固有参数进行设定，然后进行动态快速计算获取各工段工况参数，也可以对其他条件进行设定计算等。例如分析流体性质，初步设定换热设备的压力降或传热系数等参数；分析组分及工艺特点，选择压缩机种类及等熵压缩效率；根据实际经验，对蒸发器8进出口物流温度、换热温差进行设定，对蒸发器进出口物流温度、压力、换热温差以及回热器一6、回热器二7的冷流出口温度即制冷剂回气过热度进行设定；设定制冷剂进膨胀阀一9、膨胀阀二10前的冷凝温度及气相分率和冷凝蒸发器5的物流进出口温度及换热温差；设定冷凝器3冷凝温度及冷却水进出口温度和压力，待参数输入过后，整个系统自动计算，快速获取工况参数。
（5）限制条件范围，优化目标函数，获取节能工况技术参数。
优化目标函数，获取节能工况技术参数是指在一定的条件范围之内对已经得出的工况参数进行优化分析，获取最节能的工况运行参数。例如根据Datebook控件，选定优化计算模型以及所有可能涉及变量，并设置被动变量以及主动变量，分析被动变量特征，定义变量范围或是重新定义优化函数进行计算，获取最终优化计算结果。
3、实施结果
流程设计以及输入已知参数并进行优化计算后，二元复叠制冷系统各工段的运行参数(包括温度、压力、流量、比焓等)以表格形式快速显示在界面上，当换热设备换热温差取5℃时，高温级和低温级制冷循环系统回气温度分别为-28℃和-30℃时，所需R23预冷器冷却水的流量为1218kg/h，R404A冷却水流量为7623kg/h，空气循环量为21310Nm3/h，高温级和低温级制冷循环系统制冷剂流量分别为115.2m3/h和149.3m3/h，高温级和低温级制冷循环系统制冷功率分别为18.42Kw和12.51Kw，得出的结果无论是总用水量还是总输入功率其都是最小的。
以下是目标输出单元和循环空气的部分物流输出参数表：
Claims (10)
1.一种环境试验装置制冷系统，其特征在于：包括有高温级和低温级，所述的高温级包括有压缩机一，所述的压缩机一的排气管连接一冷凝器的进口，冷凝器的出口连接回热器一的第一管道的进口，第一管道的出口连接膨胀阀一的进口，膨胀阀一的出口连接冷凝蒸发器的第一管道的入口，第一管道的出口连接所述的回热器一的第二管道的入口，第二管道的出口连接所述的压缩机一的吸气管，所述的冷凝器上有冷却水进口和冷却水出口；所述的低温级包括有压缩机二，所述的压缩机二的排气管连接预冷器的进口，预冷器的出口连接所述的冷凝蒸发器的第二管道的进口，第二管道的出口连接回热器二的第一管道的进口，第一管道的出口连接膨胀阀二的进口，膨胀阀二的出口连接蒸发器的进口，所述的蒸发器的出口连接所述的回热器二的第二管道的进口，第二管道的出口连接所述的压缩机二的吸气管，所述的预冷器上设有冷却水进出口，所述的蒸发器上设有循环空气进出口。
2.根据权利要求1所述的环境试验装置制冷系统，其特征在于：所述的冷凝器的冷凝介质为蒸馏水或自来水；高温级的制冷剂为R22、R502、R404A或R410A；所述的低温级的制冷剂为R13、R23或R170。
3.一种环境试验装置制冷系统节能工况快速确定方法，其特征在于：包括以下步骤：1、基于HYSYS仿真分析软件，根据制冷剂性质选择合适的物性方法以及参数输出形式；2、进行制冷系统工艺流程特殊设计；3、输入关键点工况参数，进行动态运算，快速获取工况设计参数；4、定义条件范围，优化目标技术参数，体现节能效果。
4.根据权利要求3所述的环境试验装置制冷系统节能工况快速确定方法，其特征在于：所述的步骤1分为以下步骤：
1.1分析制冷系统可能涉及的全部组分，确定所有组分的简单称号或化学结构名称；
1.2分析各组分性质，确定制冷系统组分适宜的物性方法；
1.3根据用户使用习惯，修改变量单位以及参数输出布局形式。
5.根据权利要求4所述的环境试验装置制冷系统节能工况快速确定方法，其特征在于：所述步骤1.3还包括有根据需要显示的变量种类，通过Show Table控件添加到流程中。
6.根据权利要求3所述的环境试验装置制冷系统节能工况快速确定方法，其特征在于：所述的步骤2分为以下步骤：
2．1通过Object Palette控件添加各操作单元；
2．2通过Size Mode控件对添加的各操作单元显示尺寸进行调整；
2．3通过Attach Mode控件对添加的各操作单元进行流程连接。
7.根据权利要求6所述的环境试验装置制冷系统节能工况快速确定方法，其特征在于：所述的步骤2.1分为以下步骤：
2.1.1添加操作单元同时增加了流程中的回热器一和回热器二操作单元；
2.1.2冷凝器和预冷器操作单元采用具有进出冷却水参数输出的冷凝器；
2.1.3蒸发器操作单元采用两股物流换热器的方式代替仅具有负荷形式；
2.1.4通过添加Adjust控件，获取目标技术参数；
2.1.5通过Attach Mode控件对添加的各操作单元进行流程连接。
8.根据权利要求7所述的环境试验装置制冷系统节能工况快速确定方法，其特征在于：所述步骤2.1.4分为以下步骤：
2.1.4.1对预冷器以及冷凝器冷却水进水Temperature和Mass Flow进行调整，获取目标参数；
2.1.4.2对蒸发器进气空气BO Std Vol Flow Overall 和蒸发器Exchanger Cold Duty 进行调整，获取目标参数。
9.根据权利要求3所述的环境试验装置制冷系统节能工况快速确定方法，其特征在于：所述步骤3分为以下步骤：
3.1分析流体性质，初步设定换热设备的压力降或传热系数等参数；
3.2分析组分及工艺特点，选压缩机一和压缩机二的种类以及设定等熵压缩效率；
3.3根据实际经验，对蒸发器进出口物流温度、换热温差进行设定；
3.4根据实际经验，对冷凝器换热温差进行设定；
3.5设定回热器一和回热器二的冷流出口温度即制冷剂回气过热度；
3.6设定制冷剂进膨胀阀一和膨胀阀二前的冷凝温度及气相分率；
3.7设定冷凝蒸发器的物流进出口温度及换热温差；
3.8设定冷凝器冷凝温度及冷却水进出口工况参数。
10.根据权利要求3所述的环境试验装置制冷系统节能工况快速确定方法，其特征在于：所述步骤4分为以下步骤：
4.1根据Datebook控件，选定优化计算模型以及所有可能涉及变量，并设置被动变量以及主动变量；
4.2分析被动变量特征，定义变量范围或是重新定义优化函数；
4.3设定优化计算参数进行计算，获取最终优化计算结果。
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