非共沸混合工質(zhì)的熱力性能分析

樊啟迪

摘 要：混合工質(zhì)以其優(yōu)異的性能在各類制冷系統(tǒng)中廣泛使用，本文對純工質(zhì)制冷劑R134A和非共沸混合工質(zhì)R404A在壓縮機排氣口增加預(yù)冷裝置，分析制冷系統(tǒng)在制冷劑過冷前后系統(tǒng)的性能差異進行了分析，并在此基礎(chǔ)上提出制冷系統(tǒng)優(yōu)化的運行模式。

關(guān)鍵詞：非共沸混合工質(zhì);熱力性能分析

理想制冷工質(zhì)除了價格低廉、獲取容易外，還必須滿足較好的環(huán)境安全性，包括對臭氧層破壞小，溫室效應(yīng)低，且泄漏后不會因光化學(xué)反應(yīng)造成大氣污染等。因此，在含氟環(huán)保制冷劑在替代HFC類制冷劑時應(yīng)評估其光化學(xué)臭氧生成潛能只PCOP。

1 蒸汽壓縮制冷循環(huán)

制冷循環(huán)基本原理是利用制冷劑的相態(tài)變化實現(xiàn)吸熱放熱的循環(huán)過程，在理想循環(huán)中，低溫低壓飽和氣態(tài)制冷劑在壓縮機經(jīng)可逆絕熱壓縮后變?yōu)楦邷馗邏哼^熱氣態(tài)，然后進入冷凝器。在冷凝器中制冷劑經(jīng)等壓放熱過程冷凝至飽和或過冷的高壓常溫飽和液態(tài)，經(jīng)過節(jié)流機構(gòu)實現(xiàn)等焓絕熱膨脹，制冷劑壓力迅速降低且部分制冷劑因壓力降低出現(xiàn)閃蒸，以氣液兩相進入蒸發(fā)器;低溫低壓液態(tài)制冷劑在蒸發(fā)器內(nèi)蒸發(fā)，吸收大量蒸發(fā)潛熱而達到冷卻效果。

實際過程中，制冷劑在蒸發(fā)器和冷凝器中流動時因與管壁發(fā)生摩擦造成壓力損失，使得蒸發(fā)和冷凝過程并非在等壓下進行;其次為降低制冷劑的閃蒸現(xiàn)象，會增加冷凝器出口制冷劑的過冷度，使其處于過冷狀態(tài)而非飽和液態(tài);為避免壓縮機液擊，壓縮機回氣口制冷劑蒸汽需要有4～6℃的過熱度;同時壓縮機壓縮過程制冷劑與外界、管路摩擦換熱，壓縮機排氣在進入冷凝器前有壓降、熱損失，造成熵增現(xiàn)象，所以實際壓縮過程較理想壓縮過程耗功多。

2 制冷劑熱物性質(zhì)分析

制冷劑熱物性與流動性是分析整個系統(tǒng)性能的基礎(chǔ)，在現(xiàn)有系統(tǒng)設(shè)備不變的條件下，探索最優(yōu)的熱力性能且低臭氧破壞指數(shù)和溫室效應(yīng)指數(shù)是選擇制冷劑的前提。R404A非共沸混合制冷劑具有不含氯等特性，其對環(huán)境危害較小，且R404A在不同蒸發(fā)溫度和冷凝溫度隨充注量、壓力等變化，可通過改變這些參數(shù)有效減小系統(tǒng)的不可逆性及壓縮機的功耗，進而提高機組的性能系數(shù)。

2.1 理想制冷劑必要條件

理想制冷劑應(yīng)具備無毒、不爆炸、不燃燒、泄漏時易察覺、對金屬及非金屬無腐蝕作用，具有較大的蒸發(fā)潛熱、化學(xué)穩(wěn)定性好、對潤滑油無破壞、環(huán)境友好。此外，還應(yīng)具有較低的凝固溫度，蒸發(fā)壓力要高、臨界溫度較高和冷凝壓力要小，可溶于潤滑油等物理特性。最后，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、無毒性和腐蝕性，不破壞臭氧層，且不具爆炸性和易燃性，溫室效應(yīng)低。

2.2 理想制冷劑必要條件

非共沸制冷劑是多種純工質(zhì)按照固定比例混合而成，目前常見的有二元混合工質(zhì)和三元混合工質(zhì)。不同成份制冷劑混合后的制冷劑具有相同沸點的成為共沸工質(zhì)，混合后各組分沸點接近的新工質(zhì)稱為近共沸制冷劑;如果混合后制冷劑各組分沸點相異的則稱為非共沸工質(zhì)。混合制冷劑主要用于替代對環(huán)境有破壞的制冷劑，其主要優(yōu)點在于臭氧破壞指數(shù)為零，以安全性高的制冷劑稀釋危險性制冷劑以降低混合制冷劑的危險性，同時提高混合制冷劑的能效使其近似于被替代的制冷劑的熱物性特性。

2.3 液態(tài)制冷劑充注特性

非共沸制冷劑分餾現(xiàn)象可能發(fā)生在制冷劑瓶進行制冷劑充注或分裝時，另外機組運行或停機有泄漏時均會有分餾現(xiàn)象。如果非共沸制冷劑存儲于瓶內(nèi)，而混合制冷劑以氣體狀態(tài)進行制冷劑充注操作時，則注入的成份將大部分是壓力較高且傳熱性能也高的成份;同時制冷劑瓶內(nèi)的液態(tài)制冷劑組分也會隨著氣態(tài)制冷劑的注入而有所改變。因此分餾的結(jié)果將會使制冷劑成分比例發(fā)生變化而失去原有的性能，系統(tǒng)運行效率也將隨著混合制冷劑成份的變化降低，此現(xiàn)象會因溫度滑移而明顯。反之，如果制冷劑由液態(tài)進行充注時，因其為維持非共沸混合制冷劑的比例不變，分餾現(xiàn)象就不明顯，可維持混合制冷劑的優(yōu)勢與性能。因此為維持非共沸混合制冷劑的比例，必須利用液態(tài)對制冷進行填充。在系統(tǒng)運行時充注制冷劑時，易導(dǎo)致液態(tài)制冷劑直接流入壓縮機，造成壓縮機液擊。為防止壓縮機閥片損壞，可在制冷劑瓶口加裝充注棒，可防止過量液態(tài)冷媒直接進入壓縮機中。

3 混合工質(zhì)系統(tǒng)運行分析

對混合制冷劑制冷性能、系統(tǒng)加裝預(yù)冷器、系統(tǒng)加裝經(jīng)濟器以及系統(tǒng)加裝預(yù)冷器和經(jīng)濟器四種狀態(tài)下機組性能進行比較。加裝附加設(shè)備后較原系統(tǒng)具有較好的降溫速率，在加裝經(jīng)濟器、預(yù)冷器及同事加裝經(jīng)濟器和預(yù)冷器時，系統(tǒng)的降溫時間可減少65 min、123 min和133 min，比原系統(tǒng)節(jié)約了約32.2%、52.8%和57.1%的凍結(jié)時間。此外，壓縮機功耗在加裝經(jīng)濟器、預(yù)冷器和預(yù)冷器及經(jīng)濟器后耗電量較低，分析認為低溫側(cè)壓縮循環(huán)系統(tǒng)散熱條件改善使得壓縮機排氣壓力降低，從而使功耗降低。低溫側(cè)制冷循環(huán)在加裝經(jīng)濟器后壓縮比比原系統(tǒng)略有降低，但在加裝經(jīng)濟器和預(yù)冷器后，壓縮機的壓縮比有明顯下降，最大下降率達到8.7%。以基本的混合工質(zhì)為基準(zhǔn)，系統(tǒng)在加裝經(jīng)濟器、預(yù)冷器和經(jīng)濟器及預(yù)冷器同時加裝三種模式下，系統(tǒng)分別節(jié)約了24%、65.3%和57.8%的能耗。因此，對制冷系統(tǒng)加裝預(yù)冷器及經(jīng)濟器可顯著提高制冷系統(tǒng)的制冷性能，降低碳排放量。

4 結(jié)論

本文對非共沸混合工質(zhì)R404A的熱力性能進行了分析，并對制冷系統(tǒng)加裝預(yù)冷器、系統(tǒng)加裝經(jīng)濟器以及系統(tǒng)加裝預(yù)冷器和經(jīng)濟器的性能進行了對比。壓縮機排氣口加裝預(yù)冷器可有效控制冷凝器出口制冷劑溫度低于38℃;而加裝經(jīng)濟器能改善低溫側(cè)蒸發(fā)器停機后溫升不穩(wěn)定等問題，從而提升制冷速度。以系統(tǒng)正常運行時的能耗為基準(zhǔn)，加裝預(yù)冷器、加裝經(jīng)濟器以及加裝預(yù)冷器和經(jīng)濟器三種模式下的節(jié)能百分比分別為24%、54.3%及57.8%。