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1、从本学科出发，应着重选对国民经济具有一定实用价值和理论意义的课题。课题具有先进性，便于研究生提出新见解，特别是博士生必须有创新性的成果三氟碘甲烷作为冰箱制冷剂的理论循环分析 王怀信 张宇 郑臣明 马利敏 摘要： 通过对环保工质三氟碘甲烷(3)的饱和蒸汽压曲线、冰箱名义工况和变工况下循环性能等三方面的 理论 分析 ,发现3和3的摩尔组成在50%-65%范围的3/290混合工质,理论循环性能与12接近,具有作为冰箱中12灌注式替代物的潜力。 关键词： 工程热物理 冰箱制冷剂 理论循环分析 3 3/290 1引言 冰箱制冷剂12的现有替代物主要有134、600和152/22,它们分别在加工工艺、可燃
2、性、环保和热工性能方面存在缺陷1,2,寻求新型环保节能的冰箱工质仍是人们 研究 的方向。 三氟碘甲烷(3)是作为哈龙替代物而开发的新型灭火剂,其臭氧层破坏势()为0,20年的全球变暖势()低于5,不燃,油溶性和材料相容性很好3,饱和蒸汽压曲线与12相近,具备了作为冰箱制冷剂的前提条件(至于毒性 目前 还没有定论3,4)。关于3的热物性,只有 文献 3进行了较为系统的研究,目前还缺乏适用于汽液两相区的状态方程;3在冰箱工况下的循环性能,还没有被系统地分析。根据文献3的实验数据,确定同时适用于3汽液两相的方程;并在此基础上,对3在冰箱工况下的循环性能进行系统地理论分析,旨在考察其作为冰箱制冷剂的可
3、能性。 理论循环分析的工具 .1状态方程两参数、的求解 状态方程5的具体形式为: (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) 而是方程(8) 的最小正根。 (8) 式中,为工质的通用气体常数,=/。确定状态方程需要具体物质的四个参数:临界压力、临界温度、虚拟压缩因子、斜率。对于3,文献3给出其=,=3。、的求解 方法 如下:(1)选取个饱和液相数据点(、)(=1,);(2)假设一个初值;(3)由式(6)、(7)、(8)求出、,代入式(4)、(5)求得、; (4)由汽液平衡条件=,输入某数据点的(、),由式(1)、(2)求出;(5)由个数据点的(,)用最小二乘法拟合式(3),求出;(
4、6)由和已求出的,根据方程(1) (2)和汽液平衡条件 计算 各点的 与 的相对误差 ，以及个数据点的平均相对误差 ；(7)以一定的步长改变,重复步骤(3)-(6)。选取最小所对应的、作为方程的参数。文献3给出了3在301-范围内的25个饱和液相密度点,其中3个数据点是为了确定临界点而测的;把这3个数据点当作一个临界点对待,选取其余22个数据点按照上面的步骤求解得到3的=、=。状态方程精度的验证为了检验如上确定的适用于3的方程的 计算 精度,以该方程对3的饱和液密度、饱和蒸汽压、气相区性质进行了计算,并与 文献 3的实验数据进行了对比。对比实验数据为 式中,-所要比较的物理量,-方程的计算值,
5、-实验值,-数据点的个数。 冰箱的名义工况为蒸发温度=-,冷凝温度=,吸气温度、过冷温度6,处于上述温度区间。可见,确定的适用于3的方程,能够用于对3的冰箱循环性能 分析 计算,而且精度良好。 3蒸汽压曲线的分析 从热力学角度看,替代制冷剂最好具有与原制冷剂相似的蒸汽压曲线7。图1为几种工质的蒸汽压对比,其中3的蒸汽压方程为3 式中, 1=-,2=,3=-,4=-,适用范围243;其它制冷剂的蒸汽压数据来自8。 由图1可见,在冰箱名义工况的温度区间内,152/22、134的蒸汽压曲线与12吻合得很好;290的蒸汽压高于12,600的蒸汽压则比12低许多。3的蒸汽压介于600与12之间,在冰箱名
6、义工况下与12的最大差距为20%左右。由蒸汽压看,3比600更适合作为12的灌注式替代物;按照优势互补原则选择290与3组成混合物,灌注式替代12的效果可能会更好。 3作为冰箱制冷剂的循环性能分析 .1冰箱名义工况 采用带回热的冰箱制冷循环模型,即用回热器来实现工质的过冷和过热,并设工质经过回热器换热后节流前的温度与压缩机的吸气温度相等,这一温度称为回热温度。 计算3的循环性能所需的理想气体比热式3为: 式中的单位为,为3的气体常数,单位为/()。计算焓、熵的 参考 态为规定的-40的饱和液态,参考态上=0/,=0/()。 在冰箱名义工况下,设压缩机的总效率为,计算了几种工质的循环性能。混合工
7、质的蒸发温度取为蒸发器进口和露点温度的平均值,冷凝温度取其冷凝压力下的泡露点平均值。计算结果见表1。表中1、2分别表示质量百分比85/15、75/25的152/22。 观察表1中各种工质的性能参数,在压力水平方面,除了600、290外,现有的几种冰箱制冷剂的蒸发压力、冷凝压力与12都很接近。3的压力水平与12有一定偏差,其略低于大气压,蒸发器为微负压,不利于系统运行。3的压比与12的最接近。压缩机排气温度方面,600和290的较低。3的较高,不利于压缩机的运行;但与1、2十分接近,表明 目前 的冰箱压缩机能够承受这样的温度。3的单位容积制冷量比12小20%左右,也比134、1和2小,290比1
8、2高40%左右。3的是最高的,比12高%,这是3的优势,而290是最低的。通过以上的比较可以看出:(1)3的循环性能指标与12相近,可以在对原有制冷系统稍作改动的基础上,作为12的灌注式替代物;(2)290与3在循环性能指标上具有互补性,若将两者组成混合物,在性能上可能更接近12。 .2变工况 变工况循环性能 分析 ,一般包括、随冷凝温度、蒸发温度、回热温度的变化 规律 。相比之下,各性能指标随回热温度的变化规律比随蒸发温度、冷凝温度的变化规律更重要一些,这是因为冰箱的回热器一般裸露在环境中1,回热温度的变化幅度、频率要比蒸发温度、冷凝温度要大、要快。分析几种制冷剂循环性能指标随回热温度的变化
9、规律,分析 方法 是固定蒸发温度、冷凝温度,变化回热温度,看性能指标的变化趋势。 结果如图2-图5所示。回热温度由0变化到50,几种工质的都降低,其中3降低得最慢。在方面,290随回热温度的变化显著,其他工质的变化规律相似。随着回热温度的升高,3的增加速度比其它工质快,这是不利于冰箱运行的。由于在 计算 中固定了蒸发温度、冷凝温度,所以对于纯质来说保持不变,而对于混合工质来说,有轻微地上升。由图还可以发现,3与290的循环性能指标分布在12的两侧。 3各项性能指标随回热温度的变化所表现的规律与12基本类似,数值幅度上的偏差也不太大。优于12,较12为高。总起来说,3存在作为12灌注式替代物的潜
10、力。 3/290混合物作为冰箱制冷剂的循环性能分析 .1冰箱名义工况 由以上分析可知,3与290的循环性能具有互补性,下面具体分析不同配比下290/3混合物的循环性能。 计算工况、压缩机总效率的选取同上。表2列出了循环性能计算结果。 由表1已经知道3的、0、都比290的小,所以随着290在混合物中所占比例的增加,290/3混合物的、0、都应该呈现增大的趋势,而、应该减小,这种规律在表2中得到了很好的体现。 对比表2和表1,可以看到3/290混合物在65/35、60/40、55/45、50/50四种摩尔百分配比下各个性能指标与12吻合得很好。 .2变工况 对上面所给4种配比下的3/290混合物进
11、行了循环性能参数随回热温度变化规律的计算。结果表明,混合物的循环性能与12十分接近,从 理论 循环分析的角度看,是12理想的灌注式替代物。 图2-图5中列出了摩尔百分比为65/35(质量百分比为/)的3/290的计算结果,其它3种配比下3/290混合物的性能也与之相近。 .3可燃性分析 以上4种配比的3/290混合物中,290的摩尔比例最大为50%,其相应的质量比例最大为%。一般家用冰箱的制冷剂的充灌量为左右6,9,以本文提出的4种3/290混合物作为冰箱制冷剂,290的最大充灌量仅为。 文献 10指出,在密封性好的制冷系统中,只要碳氢化合物的充灌量小于,那么系统就是安全的。因此,3的摩尔组成
12、在50%65%范围的3/290混合工质在 应用 中的安全性是可以得到保证的。 结论 (1)求得了适用于3的方程,此状态方程对于3的热力学性质和循环性能计算具有较高的精度。 (2)通过对3的蒸汽压曲线、冰箱名义工况、变工况的计算分析,发现3的循环性能与12相近。 (3)按照优势互补的原则,筛选提出了3的摩尔组成在50%65%范围的3/290混合工质,其循环性能与12十分接近,可作为12的灌注式替代物。 参考 文献 1何茂刚.三氟甲醚作为冰箱制冷剂的理论分析.李惠珍,李铁辰等.西安 交通 大学学报,XX,37(1):1014 梁荣光.环保制冷剂-01的应用.曾恺,简弃非.制冷学报,XX,24(1):5760 段远源.三氟碘甲烷和二氟甲烷的热物理性质 研究 :博士学位论文.北京:清华大学,1998 .,1997,35:64 .
