（制冷及低温工程专业论文）r22替代制冷剂的理论与实验研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 随着h c f c 。禁用期的不断提前，r 2 2 替代工作正在全球范围内加快进程，找 到一种既能保持r 2 2 原有优点，又具有较高的c o p ，且不会对大气臭氧层和温 室效应产生影响的替代物已成迫在眉睫的任务。通常，寻找h c f c 。的替代物在 分子结构中不含氯原子的h f c 。中进行，但实际上，我们几乎不可能找到一种与 r 2 2 效率和工作压力等性能参数都接近的纯工质来替代它，现实可行的办法是 用两种或两种以上的h f c 。的近共沸混合物来代替r 2 2 。本文正是从这里着手， 寻找合适的工质，对之进行理论计算并在此基础上进行实验研究。 1 、选用m h 一5 9 方程对r 2 2 进行热力计算： 2 、选用删一5 9 方程、合适的混合法则对替代剂r 4 1 0 a ( r 3 2 与r 1 2 5 质量 比各占一半的混合物) 进行了热力计算： 3 、根据g b 5 7 7 3 8 6 国家标准，搭建了第二制冷剂量热器法试验装置，本 装置不仅能在不同工况下对某一制冷剂进行研究，而且可以对比研究不同制冷 剂在同一工况下的性能，本文就在此装置上分别对以r 2 2 和替代剂r 4 1 0 a 为制 冷工质的制冷系统进行了一系列的实验。 4 、建立了制冷系统的稳态理论模型，并按最小二乘法进行数学模似，计算 结果与实验结果符合较好，验证了理论模型的可靠性。 5 、根据理论计算和实验结果，对分别以r 2 2 和r 4 i o a 为制冷剂的制冷系统 进行详细的分析比较。 6 、采用变频调速技术，降低试验装置上压缩机电动机转速，进行了以r 4 1 0 a 模拟r 2 2 的特性工况试验。 关键词：替代制冷剂 模! 甄塑篁一 浙江大学硕士学位论文 t h e o r e t i c a la n d e x p e r i m e n t a ls t u d y o n t h ea l t e r n a t i v e r e f r i g e r a n t o fr 2 2 z h a n gp i n g r e f r i g e r a t i o n a n dc r y o g e n i c e n g i n e e r i n gi n s t i t u t e ，z h e j i a n gu n i v e r s i t y a b s t r a c t a sh c f c sw i l lb ep h a s e do u tm o r ea n dm o r ee a r l i e r , t h es u b s t i t u t i o no fr 2 2i s q u i c k e n e d i nt h e g l o b a lr a n g e t of i n d a na l t e r n a t i v ef o rr 2 2 ，w i t hl o wg l o b a l w a r m i n gp o t e n t i a l ，z e r oo d p a n dh i 【g hc o p , h a sb e e na nu r g e n tt a s k u s u a l l yh f c ； t 1 1 a th a v en oc h l o r i n ei nt l l e i rm o l e c u l e sa r ec o n s i d e r e dt h es u b s t i t u t e so f h c f c s b u t w ec o u l db a r e l yf i n da p u r eh f c s t h a th a ss i m i l a re f f i c i e n c ya n d w o r k i n gp r e s s u r et o r 2 2 t h e r e f o r e ，af e a s i b l ew a yi st ou s ea na z e o t r o p i co ra n e a r a z e o t r o p i cr e f r i g e r a n t w i t ht w oo rt h r e ep u r er e f r i g e r a n t s i nt h i sp a p e r , w et r yt of i n das u i t a b l ea l t e r n a t i v e f o rr 2 2i nt h i sw a y t h e o r e t i c a la n a l y s i si sc a r r i e do u ta n dt h ee x p e r i m e n t sa r ed o n e a sf o l l o w i n g ： 1 t h e r m o d y n a m i c c a l c u l a t i o ni sd o n ew i t hr 2 2 u s i n g m h 5 9e q u a t i o n 2 t h e r m o d y n a m i c c a l c u l a t i o ni sd o n ew i t h r 4 1 0 a ( r 3 2 r 1 2 55 0 5 0 w t ) u s i n g m h 一5 9 e q u a t i o na n d a n a p p r o p r i a t em i x i n g r u l e 3 a ne x p e r i m e n t a l a p p a r a t u s i ss e t u pa c c o r d i n g t ot h en a t i o n a ls t a n d a r d g b 5 7 7 3 - 8 6 i tu s e st h es e c o n dr e f r i g e r a n tt om e a s u r et h er e f r i g e r a t i o nc a p a c i t y t h e a p p a r a t u sc a no p e r a t eu n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n sa n d 、i t l ld i f f e r e n tr e f r i g e r a n t s a s e r i e so f e x p e r i m e n t sw e r e d o n eu s i n gr 2 2a n d r 4 10 aa sr e f r i g e r a n t 4 a s t e a d y s t a t em o d e l i s e s t a b l i s h e da n dn u m e n c a ls i m u l a t i o ni sc a r r i e do u tw i t h t h el e a s t s q u a r em e t h o d t h en u m e r i c a lr e s u l t s a r ei n g o o dc o n s i s t e n c e w i t ht h e e x p e r i m e n t a ld a t a o b t a i n e d 5 a c c o r d i n gt ot h et h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o na n dt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ，d e t a i l e d c o m p a r i s o n s a r em a d eb e t w e e nt h er e f f i g e r a t i o ns y s t e m st h a tu s er 2 2a n dr 4 1 0 aa s r e f r i g e r a n tr e s p e c t i v e l y 6 u s i n g t h et e c h n o l o g yo f f r e q u e n c yc o n t r o l t ol o w e rt h er o t a t i o n a ls p e e do ft h e m o t o ro ft h ec o m p r e s s o r , t h eo p e r a t i n gm o d e so fr 2 2a r es i m u l a t e dw i t hr 4 1 0 aa s t h e r e f r i g e r a n t ( k e y w o r d s ：a l t e r n a t i v er e f r i g e r a n t ，s i m u l a t i o n ，e x p e r i m e n t ) i i 常用符号表 拉丁字母 a b c c q c o p g h m m n q 。 q v p o p p c p e l p o p k r m h 一5 9 方程常数 相对余隙容积 定压比热容 性能系数 质量流量 比焓 分子量 多变膨胀指数 多变压缩指数 制冷量 单位容积制冷量 理论功率 指示功率 电机轴功率 电机功率 蒸发压力 冷凝压力 通用气体常数 制冷剂代号 比熵 温度 比容 理论排气量 质量分数 摩尔分数 压缩因子 常用符号表 希腊字母 6 o吸排气过程平均 压力损失之和 液体密度 压力比 潜热 输气系数 指示效率 机械效率 电效率 液相 汽相 理想气体状态 蒸发 冷凝 临界参数 m 标 标 p y 九 q n n上， 半下0 k c s t v v x y z 第一章文献综述 第一章文献综述 - 1 概述 伴随着制冷与空调行业的发展，制冷和热泵循环工质的发展亦有个逐步 以优代劣的过程。1 8 6 7 年p r e k i n s 在他的第一台制冷机中使用了乙醚工质，此 后，二甲醚、氨、二氧化碳、一氯甲烷等，都先后作为工质使用。本世纪3 0 年 代，t h o m a sm i d g l e y 发明了氯氟烃( c f c ) 类制冷工质，美国杜邦( d u p o n t ) 公司率先使之成了商品，并命名为氟利昂，后来国际制冷业界约定俗成地把卤 代烷烃这一大类的化学物质统称为氟利昂，氟利昂基本上可分为三大类：氯氟 烃c f c ，氢氯氟烃h c f c 和氢氟烃h f c 。此外，尚有由一个卤族元素将h 原子完 全取代的氯烃c c i 。( 即四氯化碳) 及氟烃c f 4 ( 即四氟化碳) 和c ，e ，但它们仅 仅是特例，不能单成一类。氟利昂由于其良好的特性而被广泛应用至今。 但是，1 9 7 4 年美国加利福尼亚大学的m o l i n a 和r o w l a n d 博士在“自然”杂 志发表了论文“环境中氯氟烷烃”，第一次指出氯氟烃是臭氧层破坏和温室效应 的元凶。当时，人们并不相信这一论点，但在以后的大气测定和一系列研究 进一步证实了这一论述。常见的卤代烃制冷剂大都含有氯，因此，对制冷业的 冲击特别大”j 。 c f c 破坏臭氧层的机理口1 主要是由于氯氟烃类化学性质极其稳定，寿命很 长，在低空中难以分解，所以最终都会升到高空的平流层。在那里，强烈的紫 外线将促使其分解，释放出氯原子，此种氯原子对臭氧具有亲合作用，生成氧 化氯和氧分子，从而破坏了臭氧。如c f ：c l ：( c f c l 2 ) 与臭氧层的反应如下： c f 2 c 1 2 - - c f 2 c i + c i 从c f c l 2 放出的氯原子与臭氧反应，即 c f + d 3 - - c i o + 0 2 更糟糕的是，氧化氯又能和大气中游离的氧原子起作用，重新生成氯原子： c i o + 0 j c l + 0 2 该氯原子又去消耗臭氧，如此循环下去，一个c f c 分子分解生成的氯原子 可以连续消耗掉近十万个臭氧分子，故会严重破坏臭氧层。 在氟利昂中，除了h f c 类外，c f c 和h c f c 都含有c l 原子，因而都属于禁 用的范畴。然而，由于h c f c 中还存在没有被取代的h 原予，未被取代的h 能大 大降低其化学稳定性，分子中的氢氧原子能与大气中存在的水及氢氧根离子发 生反应，使它在大气层中的寿命降低，c 1 原子在较低的大气层中就分解了，多 数都到不了臭氧层，因此破坏臭氧层的能力降低。如h c f c 2 2 ( c h c i f 2 ) 其分解 反应如下： 与水反应：c h c i f 2 + h ，o c h f o h + h c l c h f o h + h 2 0 h c 0 2 h + 2 h f 与氢氧根反应： c h c l f 2 + o h c c l f 2 + h 2 0 c c i f 2 + o h h c l + 2 h f 十c 0 2 h 第一章文献综述 从上述反应可知，当h c f c 类制冷剂排放到大气中在未到达臭氧层之前，大 部分就已分解为水溶性分子，而后随雨水回到地面，其臭氧消耗值o d p 仅为c f c 的2 - 1 0 ，但仍具有破环作用。 臭氧层的破坏，对生态环境造成的危害主要有： ( 1 ) 加剧全球气候变暖的作用。引起气候的改变。地球温度将上升1 5 。c 一4 5 ，将使冰山融化、海平面升高而使许多城市陷于汪洋之中； ( 2 ) 农业减产，植物生长损害，有约2 5 的植物将逐渐绝种：引起海洋 浮游生物及虾、蟹幼体和贝类的大量死完； ( 3 ) 加速传染病的传播，破坏人体免疫系统，增加爱滋病、皮肤癌、白内 障等的发病率。 臭氧减少带来的全球性灾难，得到了世界各国的极其重视。1 9 8 5 年8 月， 保护臭氧层的维也纳公约诞生。1 9 8 7 年9 月，联合国环保组织在加拿大的蒙特 利尔市召开会议，签署了一个“控制破坏大气臭氧层物品的协议”，即众所周知 的“蒙特利尔( m o n t r e a l ) 协议”。该协议在随后的几次缔约国会议上，几经修 改，限制条件越来越严格，不仅对c f c 类物质禁用期限从2 0 0 0 年提前到1 9 9 6 年，而且将h c f c 也列入了禁用范围。在2 0 2 0 年前，h c f c 类物质也将几乎被完 全禁用( 仅0 5 可继续使用) 。寻找替代物的研究已成迫在眉睫的任务。 1 - 2 开发c f c 和h g f c 替代物的趋势 自从蒙特利尔协议签定以来，开始了对不同的c f c 和h c f c 替代物的广泛讨 论。必须仔细考虑许多不同的方面，包括如臭氧层的衰减，全球变暖，易燃性 和有毒性等。开发研究替代物沿着两个方向，一方面向着氟化烃化合物方向发 展，另一方面向自然工质如氨、丙烷、丁烷的应用方向发展。 一、对天然制冷剂碳氢化合物由于其o d p 值为零，g w p 值几乎为零， 尤其是丙烷h ，其热力性质与r 2 2 比较接近。与r 2 2 相比，能效比较高， 排气温度低，但容积制冷量较小，主要是由于其可燃性应用上受到限制。 二、氨是一种较好的制冷剂，最早成功应用于压缩式制冷循环的制冷 卉笥，既使在大多数c f c s 已经被使用的时代，氨在制冷装置上仍被大量使 用，因此在氨的应用技术上积累了大量知识和经验。氨的热力性能优良， 价格低廉，来源方便，其容积制冷量及能效比均可优于r 2 2 ，然而其排气 温度很高，尤其是其毒性及易燃易爆性限制了它的使用。今后需在技术 细节上更加完善，同是改变人们的习惯认识，加强安全措施，以不断扩 大氨作为制冷剂的使用范围。 三、从甲烷、乙烷衍生物系中寻找，如图1 1 所示，o d p 值为零的工 质有：r s o 、r 4 1 、r 3 2 、r 2 3 、r 1 4 、r 1 7 0 、r 1 6 1 、r 1 5 2 a 、r 1 4 3 a 、r 1 3 4 a 、 r 1 2 5 、r 1 1 6 ，去掉易燃易爆h 原子数3 的甲烷衍生物，h 原子数5 的乙 烷衍生物，并考虑到三角的全氟代烃工质r 1 4 和r 1 1 6 在大气层的生存时 i a j 过长，会引起强烈温室效应，参选的工质为三角形底边上的r 3 2 、r 2 3 、 r 1 5 2 a 、r 1 4 3 a 、r 1 3 4 a 、r 1 2 5 。椐文献 5 1 介绍，替代工质可以由工质的饱和 第一章文献综述 蒸汽压曲线来确定如图1 2 所示，蒸汽压曲线在上者，容积制冷量大， c o p 低，反之，蒸汽压曲线在下者，容积制冷量小，c o p 高。故选择替代 工质时遵循替代工质与原工质蒸汽压线接近的原则，这些工质一旦被采 用，制冷机所需的设计变化很小，因而颇有吸引力。 i 董多圆 困 p 图i ，1 卤代甲、乙烷衍生图 影雾 图1 2 制冷剂的蒸汽压线 4 第章文献综述 从图中看出r 1 3 4 a 与r 1 2 的蒸汽压曲线靠近，经过十多年的研究与实践， r 1 3 4 a 以其可靠的安全性、良好的兼容性及其与r 1 2 相似的热力性成为较为理 想的r 1 2 替代物。文献 6 研究表明：( 1 ) r 1 3 4 a 的各项评价指标总体优于r 1 2 ， 对臭氧层无损耗，从环保角度来看，可长期作为r 1 2 的替代物。r 1 3 4 a 与r 1 2 安全性分别同属a 1 组，更换制冷剂后冷冻机房原有安全设施条件无需改变。 ( 2 ) r 1 3 4 a 的热力性能与r 1 2 相似，但其单位容积制冷量低于r 1 2 ，从而使其 所需压缩机容量比r 1 2 大8 左右。更换工质需考虑加大压缩机容量。由于r 1 3 4 a 的c o p 值略低于r 1 2 ，所以更换工质将引起系统能耗增加。为保证r 1 3 4 a 制冷 系统循环的性能系统，应选用高效冷凝器和蒸发器，以降低冷凝压力和提高蒸 发压力。( 3 ) r 1 3 4 a 与一般制冷系统所用矿物油不相容，更换工质前须冲洗系 统以确保原矿物油残留量低于1 。 但对于r 2 2 ，根据文献”1 的结论，单纯从纯质着眼，很难找到各方面都能周 r 2 2 相比拟的制冷剂，若容积制冷量大，贝i 效比较低，若能效比较高者，则容积 制冷量较小，如表1 1 所示。因此，从混合制冷工质中寻找r 2 2 的替代物是一 种较好的选择。 表1 1 各种纯质的主要特性 工质沸点分子量 t c可燃性g w po d p 相对相对容 ( ) c o p积冷量 r 2 24 0 88 6 ，4 89 62无0 3 40 ，0 5ll r 1 2 54 8 51 2 0 06 6 3无0 5 40 00 8 31 0 1 2 r 1 3 4 a- 2 6 31 0 2 01 0 1 7无0 2 60 01 0 0 40 5 6 2 r 1 5 2 a一2 4 26 6 0 51 1 3 3锾燃0 0 30 01 0 60 5 5 4 r 3 25 1 75 z 0 27 8 4微燃0 ，l l0 00 9 7 11 7 0 3 r 1 4 3 a- 4 7 7 58 4 07 3 1微燃o 7 40 oo 9 61 1 3 r 2 9 04 274 419 6 7可燃0 0 10 ，0o 9 808 6 卜3 混合制冷工质 目前正在使用及发展的无公害或低公害的纯质，如前所述不仅数量少，而 且每一种都有一些缺陷。混合工质为寻找更多的替代剂提供了一种可能。 混合工质是由两种或两种以上的纯工质混合而成，在有限种类的纯工质中， 通过有目的的混合，可以得到多种热力性质较好的混合工质，对于空调用r 2 2 ， 混合工质可以选择r 3 2 、r 1 2 5 以及r 1 3 4 a 等纯质根据一定的比例来进行混合。 如表1 2 所示为目前在制冷剂生产厂家研究中最为重要的几种混合物”j 。 第一章文献综述 表1 2 无氯的混合物替代物 种类r 2 2 可能的替代物重量比温度滑移 ( ) 近共沸工质h f c 3 2 1 2 55 0 5 0 0 2 h f c 3 2 1 2 54 5 5 5 02 非共沸工质h f c 3 2 1 2 5 1 3 4 a1 0 7 0 2 0 4 1 2 3 2 5 5 27 1 3 0 1 0 6 074 i f c 3 2 1 3 4 a3 0 7 07 4 混合工质根据其性质不同分为三大类： 一、共沸混合工质：共沸混合工质是指在等压相变过程中仍保持恒温相变 的特点，且具有和单工质一样的特性，在汽液相中的组分相同的混合工质。共 沸混合工质改善了纯工质的物理、化学性质及热工性能，如单位容积制冷量比 组成它的组分都高，标准蒸发温度低于其组成的组分，而且压缩机排汽温度也 可低于纯组分的排气温度。 由于二元共沸工质不是很常见，三元或更高元的共沸工质则更是少见，因 而在选用上受到了限制。 二、近共沸混合工质：当相变时泡露点温差数值较小时，常称为近共沸混 合工质。近共沸混合工质是具有很小的温度滑移和组分滑移的非共沸工质，虽 然近共沸工质并不象共沸工质那样有真正的共沸点。但由于其露点、泡点温差 较小，定压相变过程中温度变化很小，因此它的沸腾特性更接近于纯物质。有 些近共沸混合工质中虽有易燃组分，但在不达到可燃的成分情况下仍是不燃的， 另外从实验中得出人们所关心的非共沸混合工质在系统中的泄漏问题，在近共 沸混合工质中是较容易处理的。因此近共沸工质对现有的制冷系统是可以兼容 的，在短期替代中可以发挥作用，受到人们广泛的重视。根据目前的研究，可 期望的近共沸工质主要有：h f c 3 2 1 2 5 1 4 3 a 、h f c l 2 5 1 4 3 a 1 3 4 a 和h f c 3 2 1 2 5 。 三、非共沸混合工质：非共沸混合工质是变温的相变过程，整个过程出现 泡点和露点之间的温度差。非共沸混合工质的性质是介于组成混合工质的两组 分性质之间。它还可实现非等温制冷，减少冷热流体间的传热温差，从而可减 少温差传热引起的不可逆损失，非共沸混合工质实现制冷中的节能有广阔的前 景。实现非等温传热是通过逆流式热交换器进行，但对现在正在使用的制冷系 统及其装置需要作较大的更动。 下面简要说明非共沸制冷工质能实现节能的机理旧： 经典热力学理论表明n 0 ，“1 ，理想的卡诺( c a r n o t ) 循环热效率只与高、低温 热源的温度t 及t ：有关，而与工质或其它因素无关。逆卡诺循环是逆向的理想 热力循环，整个循环相应的热源是恒温的( 即无限热源) ，它具有相同对比条件 下最高的循环效率，如图1 3 所示。 但是，实际的逆向循环诸如制冷和热泵循环，般在两个变温的热源下工 作( 即有限热源) 。对于非恒温热源的循环，早在1 8 9 4 年苏黎士工程师劳仑兹( h 第一章文献综述 l o r e n z ) 就发表了论文，针对一侧以冷却盐水，另一侧以冷却水为热源的制冷机 提出了温度渐变热源的理想循环，称之为多变循环，也就是劳仑兹循环，如图 1 4 所示。该循环由两个可逆绝热过程和两个可逆的多变过程组成，其多变过 程要保证工质热力过程的温度变化与外界热源的温度变化一致，其变温热源可 逆循环的热效率为： 一荨 其中瓦、z 分别为低温和高温变温热源的平均温度，该式在形式上与卡诺循 环效率的计算式完全一样。 tt 图1 ，3 逆卡诺循环t s 图图1 4 劳化兹循环t s 图 显然，从热力学理论分析，劳化兹循环较逆卡诺循环并无超越之处，它只 不过是一种特定热源条件下的理想循环。令人感兴趣和欣慰的是，这个特定热 源条件就是制冷和热泵循环的变温热源条件，因而人们都在试图用各种手段来 实现和接近这一理论循环。 对于单工质，相变在定温定压条件下进行，显然无法与外部热源流体温度 匹配，但从热力学原理可知，非共沸混合工质具有相变时的变温特性。非共沸 混合工质即是沸点不同的两种纯质的汽液平街混合物，如图1 5 所示，蒸发过 程温度升高，而冷凝过程温度下降，相变过程温度变化值为1 至2 点的温差。 如果在换热器中采用逆流换热方式，就能达到温度匹配的要求。 变温热源的理想循环如图1 6 所示( 图中d t 为最小换热温差) ，使用全逆 流换热器，可使工质与热源之间达到温度匹配。 t 图1 5 非共沸工质相图图1 6 变温热源理想循环 x 匿 第一章文献综述 由于非共沸混合工质二元或多元变组分配比具有较大的灵活性，且能实现 节能，因此非共沸混合工质循环的研究越来越引起人们的关注。根据目前的研 究，有希望的非共沸工质有：h f c 3 2 1 2 5 1 3 4 a 和h f c 3 2 1 3 4 a 。 1 4 国内外h c f c s 替代技术研究概况 综上所述，c f c s 对大气臭氧层有严重的破坏作用，寻找替代工质是制冷界 一项重要而紧迫的任务，国内冰箱行业已全面进行这方面的研制以及生产工作“2 - 1 4 ，并有数家冰箱厂已生产出替代r 1 2 的环保型冰箱。对于空调行业，由于其使 用的制冷剂r 2 2 属于h c f c s ，尽管其o d p 值仅为0 0 5 5 ，但它对臭氧层仍有破坏 作用，且有一定的g w p 值( 0 3 6 ) ，现已将它列入了逐步禁用范围。 r 2 2 自1 9 3 6 年问世以来，迄今为止，可以说是在制冷空调业中应用最广， 综合性能最为优秀的一种制冷剂，并且在设计、制造、运行、维修等方面对它 已积累了长期的成功经验。 当前对于r 2 2 的替代技术研究是解决传统制冷剂向环保型转换的一项最重 要也是难度最大的工作。 一般来说。用来评估作为r 2 2 替代剂的新工质应具备以下要求： l 、环境可接受性。除o d p = o 及g w p 值较低外，应具有优良的热力性质， 即替代剂的工作压力与温度水平应与r 2 2 大致相当，而容积制冷量及c o p 值希 望能大于或相当于r 2 2 的值。 2 、安全性。无毒，不燃及高的容积电阻率。 3 、系统耐久性。包括热力、化学稳定性，与材料及润滑油的相容性等。 4 、易于管理。价格合理，供货稳定，便于管理等。 一、国外对h c f c 替代技术的研究 目前西方发达国家美、加、日、德等均加紧了这方面的研究“”2 。 早在哥本哈根会前的1 9 9 2 年1 月，美国制冷与空调学会成立了用来评估r 2 2 和r 5 0 2 替代研究的项目技术委员会( a 1 t e r n a t i v er e f r i g e r a n t se v a l u a t i o i l p r o g r a m t e e h n i c a lc o m m i t t e e ，即a r e p t c ) h “几乎同时，日本于同年提出 了j a r e d t c 项目，这两项目内容相近，建议在下列广泛范围内对r 2 2 的替代物 进行试验与评估：( 1 ) r 3 2 r 1 3 4 a ( 3 0 7 0 w t ) ， ( 2 ) r 3 2 r 1 2 5 r 1 3 4 a ( 1 0 7 0 2 0 w t ) ，( 3 ) r 3 2 r 1 2 5 r 1 3 4 a ( 3 0 l o 6 0 w t ) ，( 4 ) r 3 2 r 1 2 5 r 1 3 4 a r 2 9 0 ( 2 0 5 5 2 0 5 w t ) ，( 5 ) r 3 2 r 1 2 5 ( 6 0 4 0 w t ) ，( 6 ) r 3 2 r 2 2 7 e a ( 5 0 5 0 ) ，( 7 ) r 3 2 r 1 3 4 a ( 2 5 7 5 w t ) ，( 8 ) r 1 3 4 a ，( 9 ) r 2 9 0 ，( 1 0 ) r t l 7 ，( 1 1 ) r 3 2 r 1 3 4 a ( 4 0 1 6 0 w t ) ，( 1 2 ) r 3 2 r 1 2 5 r 3 4 a ( 2 4 1 6 6 0w t ) 英国i c i 公司对不同组分的r 3 2 r 1 3 4 a 和r 3 2 r 1 2 5 r 1 3 4 a 进行了小型制 冷机的充灌替代试验，蒸发温度在一2 0 2 0 。c ，冷凝温度在2 1 4 0 。c ，得到4 5 0 组数据，结果为：替代物的c o p 和r 2 2 相近，排气温度有所下降。杜邦公司用 a c 9 0 0 0 ( r 3 2 r 1 2 5 r 1 3 4 a ) 进行充灌实验研究，证明该工质用于空调和热泵可 提供与r 2 2 相似的制冷量及供热量，但在能效方面有3 4 的损失。 第一章文献综述 联合信号公司采用a z 2 0 ( r 3 2 1 2 5 ) 及r 3 2 1 2 5 1 3 4 a 作为替代物进行试验 研究，系统用蜗旋式压缩机，并增加再循环换热器。 德国在替代剂的问题上，一直采取积极态度。德国家用制冷装置制造厂早 在1 9 9 3 年在其新产品中已完全不用c f c 。，所用新工质为r 1 3 4 a 或碳氢化合物( 纯 】：质或混合工质) ，他门认为，在家用制冷装置中使用碳氢化合物，由于制冷装 置的充注量较小，即便在家庭使用中发生泄漏，一般也不会有爆炸的危险。 二、国内对h c f c 替代技术的研究 国内也有部分高校与研究所开始了这方面的研究。 上海理工大学于1 9 9 3 年开始用不同比例的r 3 2 1 3 4 a 二元混合物在窗式空 调器中进行替代r 2 2 的试验。随后于1 9 9 4 年在从理论及实验两方面较完整地对 r 3 2 r 1 3 4 a ( 3 0 7 0 w t ) 及r 3 2 r 1 2 5 r 1 3 4 a ( 2 3 2 5 5 2 w t ) 即r 4 0 7 c 在窗式空 调器中进行了替代技术研究和试验工作“”。 浙江大学于1 9 9 6 年从事吸收式制冷中r 2 2 的替代研究试验。从理论和实践 两方面较完整地对r 3 2 渊f 、r 1 3 4 a + r 3 2 d m f 等工质对在吸收式制冷系统中 进行了替代技术的研究和试验工作 1 。 广东省中山威力空调器厂与西安建筑科技大学合作，于1 9 9 6 - - 1 9 9 7 年发表 了r 3 2 r 1 3 4 a 、r 3 2 r 1 2 5 、r 3 2 r 1 2 5 r 1 3 4 a 、r 3 2 r 1 2 5 r 1 3 4 a r 2 9 0 在家用空调 中替代r 2 2 的理论与试验研究文章“。r 3 2 r 1 3 4 a 是非共沸混合工质，文章指 出，当r 3 2 r 1 3 4 a 在某种组成比( 实际上是指3 0 7 0 w t ) 时空调器的冷量，能 效比可达到并优于r 2 2 的水平。 对于丙烷在空调器中替代r 2 2 的可能性，上海纺织大学与上海通用机械技 术研究所于1 9 9 6 年合作进行了试验研究口。理论分析和实验研究证实了r 2 9 0 是r 2 2 的优选替代工质。实验表明，在使用r 2 2 的家用空调器中可不作任何改 变就可用r 2 9 0 替代r 2 2 ，其能耗可比r 2 2 系统低2 0 。 重庆建筑大学与深圳高等职业学院于1 9 9 6 年从事过r 3 2 r 1 5 2 a 在空调中替 代r 2 2 的试验研究“。研究结果表明：空调器采用r 3 2 r 1 5 2 a 混合工质，其能 效比提高了1 5 1 ，是r 2 2 很有希望的种替代制冷剂。 西安交通大学于1 9 9 7 年在家用空调中对七种新的r 2 2 替代物进行了理论和 实践的研究口，这七种替代工质是：r 3 2 1 2 5 1 5 2 a ( 1 ) 、r 3 2 1 2 5 1 5 2 a ( 2 ) 、 r 2 9 0 1 2 5 、r 3 2 2 9 0 、r 3 2 2 9 0 1 2 5 、r 3 2 2 9 0 1 3 4 a 、r 3 2 1 2 5 1 5 2 a 2 9 0 ，通过 理论分析和初步实践证明文中配比下的r 3 2 1 2 5 1 5 2 a 三元混合工质为运行安 全、热力性能好的r 2 2 替代物，有较好的直接充灌特性和变工况特性。 三、有望的r 2 2 替代物 表1 3 中列出了经过几年的试验研究得到的比较成熟的r 2 2 替代物陟2 。 9 第一章文献综述 表1 3r 2 2 替代工质特性 代号组成及质量成数沸点温度o d pg w p临界温度 ( )滑 ( c o 2 = 10 ) ( c o2 2 10 ) t c r ) r 1 3 4 a- 2 6无01 2 0 01 0 i r 4 0 7 cr 3 2 ，r 1 2 5 r | 3 4 a- 4 4 37 1 01 6 0 08 7 2 3 2 5 5 2 r 4 1 0 ar 3 2 ，r 1 2 55 l0 2o1 6 9 07 3 5 0 t 5 0 r 4 1 0 br 3 2 爪1 2 5- 5 l0202 0 2 07 l 4 5 1 5 5 r 5 0 7r 1 2 5 ，r 1 4 3 a- 4 6 5003 6 0 07 09 5 0 s o r 4 0 4 ar 1 2 5 r 1 3 4 a r 1 4 3 a- 4 6 50 803 5 2 07 2i 4 4 4 5 2 在这些替代剂的研究中，其中r 4 0 7 c ( r 3 2 1 2 5 1 3 4 a ) 是呼声较高的r 2 2 替代物”7 t 2 。r 4 0 7 c 属非共沸混合工质，是为吻合r 2 2 的蒸汽压力曲线而开发 的，得到的研究较多，在表1 3 所列各混合工质中它的温度滑移最大，因此蒸 发器和冷凝器的设计中应予考虑。研究表明原有r 2 2 机器设备改用r 4 0 7 c 后除 更换润滑油，调整系统充注量及节流元件外，对压缩机及其余设备均可不作改 动，但采用r 4 0 7 c 后机器的制冷量及能效比比r 2 2 时稍有下降，经结构优化后 可望性能与r 2 2 时相近。 r 4 1 0 a 、r 4 1 0 b 2 钔这两种制冷剂属于近共沸混合工质，其热力学性能十分接 近单一工质，这对热力计算、充注、维修均带来方便。用它们来替代r 2 2 ，系 统的冷凝压力和制冷量均增大近5 0 ，而制冷系数低1 0 9 6 左右，尤其是在低蒸发 温度时，制冷量增加更多。美国杜邦公司称r 4 1 0 a 为s u v a9 1 0 0 ，对r 4 1 0 a 与金 属、非金属，p o e 润滑油的相容性、安全性等已有详细报告”。用它们替代r 2 2 后机器更为紧凑，但要对机器结构进行重新设计，空调设备结构上要作改动。 r 5 0 7 属共沸混合制冷剂，实验证明可以替代r 2 2 和r 5 0 2 ，即用于低蒸发温 度( 一4 5 - - 0 ) 的场合，r 5 0 7 可使用聚酯油，在一4 5 。c 0 的范围内r 5 0 7 与油完全溶解。 r 4 0 4 a e ”1 属近共沸混合制冷剂，可以替代r 2 2 及r 5 0 2 ，可用于较低蒸发温 度的场合。计算和试验表明，r 4 0 4 a 具有与r 5 0 2 相近的制冷性能，特别是在蒸 发温度高和冷凝温度低的情况。在低温范围，r 4 0 4 a 的性能比r 5 0 2 略有下降， r 4 0 4 a 的排气温度一般低于r 5 0 2 ，这对于提高压缩机的运行可靠性和使用寿命 是有利的，因此是r 5 0 2 的优选替代制冷剂。 r 1 3 4 a 它是r 1 2 的首选替代品，用它来替代r 2 2 后系统制冷量有大幅度下 降，然而，在离心式制冷压缩机中，如开利公司采用r 1 l r 2 2 1 3 4 a 的替代技 第一章文献综述 术路线，并已研制出采用膨胀透平代替节流阀的高效r 1 3 4 a 离心式制冷机，从 此角度看r 1 3 4 a 不失是离心式制冷机中r 2 2 的替代物。 在h c f c 替代品中，各型号基本上是以r 3 2 、r 1 2 5 、r 1 3 4 a 等为基础产生的。 目前研究表明，没有哪一种工质性能特别优秀，能完全替代r 2 2 。 总的说来，目前国际上对h c f c 的替代研究正在紧锣密鼓地进行中，我国尽 管属于发展中国家，限用日程可适当推迟，但由于改革开放新形势及国际市场 接轨带来的影响，面对国际性h c f c 替代的进展已愈来愈感受到紧迫感与压力。 本文就是在这一国内外的严峻的背景下开展研究的。 第二章实验部分 第二章实验部分 为了对以纯质为制冷剂和以混合物为制冷剂的制冷系统性能的特性进行全 面的比较研究，按照国标g b 5 7 7 3 - - 8 6 ，作者自行设计、安装、调试成功一个可 用于不同制冷剂在同一工况下的性能测试及同- n 冷剂在不同工况下的性能测 试的高精度实验台，本文在此实验台上，分别对阻r 2 2 、r 4 1 0 a 为制冷工质的制 冷系统进行了系统的实验研究。实验结果可为进一步的理论分析计算提供可靠 的基础。 2 - 1实验装置 2 1 1 、实验装置的总体设计 图2 i 所示为本文采用的整个实验装置图。 图2 1 实验装置图 1 2 第二章实验部分 该装置由以下几部分组成： ( 1 ) 匹全封闭活塞式制冷压缩机一台 ( 2 ) 壳管式水冷式冷凝器一台 ( 3 ) 壳管式水冷式过冷器一台 ( 4 ) 手动膨胀阀一个 ( 5 ) 第二制冷剂量热器个 图2 2 为该实验装置的系统原理图，系统采用水冷却式制冷循环。 图2 ，21 1 2 2 替代制冷剂制冷循环系统图 系统的工作过程是这样的：高压制冷剂液体通过节流阀节流降压送入量热器 内的蒸发器中，低压低温制冷剂两相流体在蒸发器中吸收量热器内的电加热器 产生的热量，而蒸发成气体，并控制其一定的过热度后被压缩机吸入，低压制 冷剂蒸汽经过压缩机压缩升压后排入壳管式水冷式冷凝器中，被管内的水冷却 冷凝至液体，送入壳管式水冷式过冷器桶内，管内的水将制冷剂渡体过冷，产 生的制冷剂过冷液体经过干燥过滤器后至节流阀，进入蒸发器，以此进行周而 复始的循环。 量热器内的电加热器首先加热量热器桶内的第- n 冷剂r “，将其蒸发， 产生的蒸汽被桶内上方的蒸发器冷却，r 1 1 在蒸发器管外表面放出热量而冷凝 成液体，回到筒下部，继续被电加器加热。 为了能够全面对各种制冷工质的制冷系统的性能进行全面的分析，该实验 台的设计应满足以下要求： l 、为能在相同工况下对各种制冷工质进行对比，系统应能调节并控制排气 压力、吸气压力、过冷温度、过热温度。 第二章实验部分 2 、系统能够准确测量出该制冷压缩机所消耗的功及制取的冷量。 3 、量热器的漏热量应不超过压缩机制冷量的5 。 漏热量的标定：关闭量热器制冷剂进、出口截止阀后进行漏热量的标定。 调节输入第二制冷剂的电加热量，使第二制冷剂压力所对应的饱和温度比环境 温度高1 5 左右，并保持其压力不变。环境温度应在4 0 _ c 以下，保持其温度波 动不超过1 ，每龋一小时测量一次第二制冷剂压力，直至连续四次相对应的 饱和温度值的波动不超过0 5 c 时。 4 、系统的制冷量要能进行调节。 5 、压缩机应有无级变频调速的功能。 6 、装置能够准确地测量出系统中肯4 冷剂在各有关状态点的温度和压力。 7 、排气压力过高时，对压缩机应有保护措藏。 8 、对量热器应有高压保护措施。 系统在设计时，由于r 4 1 0 a 在相同工况下的功率比r 2 2 大得多，为保证压 缩机能正常启动，在压缩机的进出口处设置了旁通阀，以便压缩机能空载启动。 制冷剂流量由靠近量热器安装的膨胀阀调节。为了减少外界漏热量的影响， 所有的管道均进行隔热保温。 2 1 2 系统部件 一、制冷压缩机 压缩机是压缩式制冷循环系统的心脏。它的作用是将蒸发器中吸热汽化后 的低温低压制冷剂蒸汽吸入其汽缸内，并压缩成为高温高压制冷荆蒸汽，再送 入冷凝器中放热冷凝。 本装置采用日本m a t s u s h i t ae 1 e c t r i ci n d u s t r i a lc o l t d 生产的 p 1 7 c q 型压缩机一台，压缩机的工作参数是：v 。，= 1 7 c m 3 r ，n = 2 9 0 0 r m i n ， 电动机额定功率；7 5 0 w ，名义制冷量= 2 7 4 0 w 。 二、壳管式水冷式冷凝器 冷凝器是制冷循环系统中的一个重要的热交换部件。其作用是将压缩机排 出的高温高压制剂蒸气的热量传送给周围的冷却介质，使之凝结成为高压的制 冷剂液体。 图2 3 壳管式水冷式冷凝器示意图 1 4 第二章实验部分 本装置采用壳管式水冷式冷凝器，结构如图2 3 所示。该冷凝器制冷剂在 管外流动，冷却水在管内流动而带走热量。其壳体是用中1 5 9 6 的无缝钢管， 两端焊有管板，壳体内的冷却管是采用中1 6 双面强化铜管，铜管是焊接在管板 上的。冷凝器两端装有水盖，为提高冷却水在管内的流速，水盖上设有隔层， 成为多流层式冷凝过程。 换热器面积的确定：因压缩机在变工况下工作，冷凝面积的确定按给定压缩 机的额定功率进行大致的确定。 对p 1 7 c q 型的压缩机，其额定功率为7 5 0 w ，其制冷量大致为： q o = 4 7 5 0 = 3 0 0 0 w 冷凝负荷为：1 3 q 。= 1 3 3 0 0 0 = 3 9 0 0 w 对于水冷式冷凝器单位面积的传热量为口2 1 ：q f = 5 0 0 0 w m 2 q k = q f f ，则f = q k q f = 3 9 0 0 5 0 0 0 = 0 7 8 群 冷凝器的换面积设计为0 8 m 2 。即壳体内是采用中1 6 的双面强化铜管1 8 根， 长均为0 9 m 。 三、壳管式水冷式过冷器 壳管式水冷式过冷器作用是使制冷剂液体过冷，以提高制冷量。 本装置中采用的过冷器的结构与冷凝器的结构基本相同。 换热面积的确定：制冷剂通过过冷器的过冷度取1 0 ，用上式公式同样可 以确定出过冷器的冷却面积。