（工程热物理专业论文）r290co2自然工质复叠式制冷循环系统的理论分析与实验研究.pdf

中文摘要 本文以自然工质r 2 9 0 c o ：复叠式低温制冷系统为研究对象，通过理论分析， 热力计算和实验研究相结合，进行了换热设备结构的优化设计，压缩机的合理配 置，提高系统性能等方面的研究。 论文对r 2 9 0 c o 。复叠式制冷循环进行了热力学分析，得出循环在一定的蒸发 温度、冷凝温度和冷凝蒸发器传热温差下，存在的最优低温循环冷凝温度和最佳 的质量流量比；分析了压缩机的效率、气体过热和液体过冷对r 2 9 0 c o ：复叠式制 冷循环性能的影响。拟合出了最佳低温循环冷凝温度、最佳质量流量比和 r 2 9 0 c 0 ：复叠式制冷循环的c o p 随蒸发温度和冷凝温度之间的函数关系。通过对 带经济器、内部热交换器和减小冷凝蒸发器传热温差的r 2 9 0 c 0 。复叠式制冷循环 的热力性能比较得出，带经济器、内部热交换器的r 2 9 0 c 0 。复叠式制冷循环的c o p 增大，压缩机排气温度、功率消耗和所需容积排量减小，为r 2 9 0 c o 。复叠式制冷 系统的优化设计和节能提供了相应的理论依据。对应用于超市食品冷冻冷藏的 r 2 9 0 c o 。复叠式制冷循环和n h 。双级压缩制冷系统进行比较，得出r 2 9 0 c o 。复叠式 制冷循环在超市制冷系统和食品加工行业中有着明显的优势。 论文对r 2 9 0 在凝结换热过程中的物性变化进行分析，得到了r 2 9 0 凝结换热 过程的流型，得出了r 2 9 0 凝结换热系数和冷凝流动过程阻力损失的影响因素。 对r 2 9 0 蒸发沸腾过程的换热特性，亚临界循环c o 。凝结换热特性进行分析。对r 2 9 0 管内沸腾、c o ：管外冷凝与r 2 9 0 管外沸腾、c o ：管内冷凝的两种形式冷凝蒸发器进 行比较，得出r 2 9 0 管外沸腾、c o 。管内冷凝的冷凝蒸发器总传热系数减小，平均 温差增大。计算了在低温下的c o 。沸腾换热过程的流动特性，分析了c 0 。沸腾换热 的影响因素。所有研究的结果为r 2 9 0 c o 。复叠式制冷循环系统的设计和运行提供 了理论基础。 根据模型优化计算的结果，对r 2 9 0 c 0 。复叠式制冷循环系统的r 2 9 0 冷凝器、 冷凝蒸发器和c o 。蒸发器和相关部件进行结构优化设计、加工制造，对r 2 9 0 压缩 机和c 0 。压缩机进行分析选型，搭建了r 2 9 0 c 0 ：复叠式制冷循环实验台。通过实验 研究，得到蒸发温度、冷凝温度、冷却水流量、冷却水进口温度，工质充灌量等 对r 2 9 0 c 0 。复叠式制冷循环运行性能的影响和对换热设备换热特性的影响，所得 到的实验结果，为今后r 2 9 0 c 0 2 复叠式制冷系统的进一步完善和优化提出相应的 依据。 关键词：r 2 9 0 c 0 。复叠式制冷循环自然工质性能优化冷凝蒸发器 a b s t r a c t t h i ss t u d yp r i n c i p a l l yi n v e s t i g a t e st l l em e 嬲u r e sf o ro p t i m i z i n g 协e 鲫r l l c t u r eo f h e a te x c h a n g e r s ，c o n f i g u r i n gc o m p r e s s o r s 锄di i l c r e 淞i n gm ee f n c i e n c yo f 也e r 2 9 0 c 0 2l l 乏眦l r a lr e 衔g e r 锄t sc 嬲c a d e dl o wt e m p e r a t u r er e 衔g e r a t i o ns y s t e m ，b y c o m b i n i l l g 也e o r e t i c a la n a l y s i s ，m e m o - p h y s i c a lc o n l p m a t i o n 锄de x p 甜m 饥t a ls m d y i n 血i sd i s s e r t a t i o n b ya n a l y z i n go fr 2 9 0 c 0 2n a t u r a l 陀衔g e m l l t sc a s c a d e dr e 仔i g e r a t i o nc y c l e ，髓 o p t i m u mm a s sn o wr a t er a t i o 锄d 锄o p t i m u mc o n d e n s a t i o nt e m p e r a t l l r eo fl o w t e m p e r a t u r ec y c l ep a r t a r eo b 诅i n e da tad e f i n i t e e v 印o r a t i n gt e m p e r a t u r e ， c o n d e n s a t i o n t e l n p e 蚤a t l 鹏 锄dh e a t t r a m s f e r 钯l n p e r a n 鹏 d i f ：l e r e l l c eo f c o n d e n s e r - e v 印o r a t o ri | 1 “sd i s s e r t a t i o n t h ee 行e c t so fe 衢c i e n c yo fc o m p r e s s o r ， s u p e r - h e a t e dt e m p e 均：t u r eo fv a p o r ，s i l b - c o o l e dt e m p e r a t u r eo fl i q u i do nt l l ec o po f r 2 9 0 c 0 2n a t u r a lr e 仔i g c r a n t sc a s c a d e dr e 衔g e m t i o nc y c l ea r ea 1 1 a l y z e d a tt 1 1 es 姗e t i m e ，n l ec o r r e l a t i o n sf o r0 p t i m 啪m a s sf l o wr a t er a t i o ；o p t i m u mc o n d e n s a t i o n t e m p e r a n 鹏柏dt l l ec o po fr 2 9 0 c 0 2c a s c a d e dr e 衔g e r a t i o nc y c l ev c r s u st l l e e v 印o r a t i n gt e m p e 咖r e 粕dc o n d e n s a t i o nt e m p e r a ：t u r ea r er e g r e s s e d b yc o m p 椭g t l l er 2 9 0 c 0 2c a s c a d e dr e f 五g e r a t i o n c y c l e w i t l l 廿l a t h a v i n ge c o n o m i c a lh e a t e x c h 柚g e r ，h a v i i l gm e rh e a te x c h 锄g e r 锄dr e d u c i n g 也et e m p e r a ：t u r cd i 矗c r e n c eo f c o n d e n s 盱e v a p o r a t o r ，t l l ec o po fi 也9 0 c 0 2c a s c a d e dr e 衔g e r a t i o nc y c l eh a v i i l g e c o n o m i c a lh e a t e x c h a n g e r ，h a v i n g i 衄e rh e a t e x c h a n g e r锄dr c d u c i n g t h e t e m p e r a _ t u r e d i f f e r e n c eo f c o n d e n s e r - e v a p l o r a _ t o r i i l c r e a s e s ， t h e d i s c h a r g i n g t c m p e 胁r ed e c r e a s e s ，t h ep o w e r 锄dv o l 啪eo fc o m p r e s s o rr e d u c e m o r e o v e r m e r e 衔g e r a t i o ns y s t e m su s e di ns u p e m 训c ( e tf o rf o o dc o o l i n g 觚df k e z i n ga r ec o m p a r e d ， i tc 锄b ec o n c l u d e dt 1 1 a ti 匕9 0 c 0 2n a n 胍lr e 酗g e r a n t sc a s c a d e dr e 衔g e r a t i o ns y s t e m h a v em o r ea d v a n t a g e st 1 1 a nn h 3t w os t a g ec o m p r e s s i o nr e 衔g e r a t i o ns y s t e m t h et 1 1 e 彻o - p h y s i c a lp r o p e n i e so fr 2 9 0i nm ep r o c e s so fc o n d e n s a t i o nh e a t 乜a n s f e ra r e 柚a l y z e di nm i sd i s s e r t a t i o n t h en o wm o d e lo fr 2 9 0c o n d e n s a t i o ni s o b t a i n e d a tt h es 锄et i m e ，t h ef a c t o r st h a ti n n u e n c et h er 2 9 0c o n d e n s a t i o nh e a t 舰n s f c rc o e m c i e n ta n dp r e s s u r e1 0 s i n ga r eo i n e d b e s i d e s ，t h et 1 1 e m l o p h y s i c a l p r o p 鲥i e so fr 2 9 0b o i l i n g 彻dc 0 2c o n d e n s a t i o na r e 咖l y z e d n eh e a t 仃a i l s f e r p e 怕舯a n c e so fc o n d e n s e r - e v a p o r a t o ro fr 2 9 0e v a p o m t i o ni 1 1 n e rp i p e 锄dc 0 2 c o n d e n s a t i o no u tp i p ea r ec o m p a r e dw i t ht h a tl 也9 0e v a p o r a t i o no u tp i p ea n dc 0 2 c o n d e n s a t i o ni 1 1 i l e rp i p e i h eh e a t 仃习m s f ：醯c o e 伍c i 咖o fc o n d e n s e r - e v a p o r a l b d rw h i c h r 2 9 0e v a p o r a t i o no u tp i p e 锄dc 0 2c o n d e n s a t i o ni i l i l e rp i p ed e c r c a s e s ，a v e r a g e t e n l p e r a _ t u r ed i 仃e r e n c e i n c r e a s e s t h eh e a t 仃a n s f c rp r o p e r t i e so fc 0 2i n 也es u b c r i t i c a lb o gn o wa r ea l s oc a l c u l a t e d t h ef a c t o r st h a te 骶c to nt l l eh e a t 仃a l l s f e ro f c 0 2b o i l i n ga r e 锄a l y z c d a l lm ea b o v es t u d i e sc 觚p r o v i d et h e o r e t i c a lb a s i sf o rt l l e r 2 9 0 c 0 2c a s c a d e dr e 衔g e r a t i o nc y c l es y s t e md e s i 印a n do p e r a t i o n b a s e do nt h ec o m p u t a t i o nr e s u l t s ，t h ei 也9 0c o n d e n s e r ，c o n d e n s e r e v 印o r a t o r ， c 0 2e v a p o m t o r 锄ds o m er e l a t e dc o m p o n e 鹏a r ed e s i 朗e da l l dm 柚u f a c t u r e d r 2 9 0 c o m p r e s s o r 锄d c 0 2c o m p r e s s o r a r ea l s os e l e c t c d t h e i 匕9 0 c 0 2c a s c a d e d r e 衔g e r a t i o nc y c l es y s t e mi ss e tu p b ye x p e r i m e n t a ls n j d y ，t l l ee a e c to fe v a p o r a t i n g t e m p e 瑚t u r e ，c o n d e n s a t i o nt e m p e r a t u r e ，c o o l i n gw a t e rn u x ，i n l e tt e m p e r a t u r eo f c o o l i l l gw a t i e ra n dr e f r i g e r a n tm a s so nt l l ep e 响咖a 1 1 c eo fr 2 9 0 c 0 2c a s c a d e d r e 衔g e m t i o nc y c l ea n dt h eh e a t 仃a n s f c rp r o p e n i e so f h e a te x c h a i l g e r sa r eg a i n e d t h e r e s u l t sp r o v i d et l l e o r e t i c a lb a s i sf o ri l i l p r o v i n g 趾dd e v e l o p i n g l el 匕9 0 c 0 2c a s c a d e d r e 衔g e r a t i o nc y c l es y s t e m k 叼啊o r d s ：r 2 9 0 c 0 2c a s c a d e dr e 衔g e r a t i o nc y c l e ；n 锄瑚，lr e 衔g e 珊吐； p e r f o m 粕c e o p t i m i z a t i o n ；c o n d e n s e r - e v 印o r a t o r n l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤壅盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：导 u x 1 签字日期： 2 o 。6 年l1 月站日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 影l 导师签名： 珍人 签字日期：工。6 年f2 月1 譬日 签字日期：上。石年他月瑚日 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论帚一早殖了匕 当南极洲上空的臭氧空洞日益扩大；当喜马拉亚主峰上的景观因为冰川的 消融而发生改变；当全球海平面的不断上升威胁到太平洋小岛上的原住居民的 生活时，全球变暖的现实正不断地向世界各国的人们敲响警钟。随着科技的迅 猛发展和世界经济的迅速发展，造成了当代的环境危机和自然资源危机，全球 面临着温室气体排放、臭氧层破坏、酸雨、土地荒漠化、热带雨林迅速减少、 生物多样性破坏、有害废弃物的越境转移和海洋污染等环境问题。出现了能源、 土地资源、水资源及其他资源危机。科技发展的同时，人工合成有机化学品的 生产和使用急剧增长，其中许多化学品对现代社会的发展发挥了重要作用，为 人类的生活提供了便利，但同时也严重危害着人体健康和生态环境，人类面临着 严峻的挑战，随着“全球化”这一概念不断地被赋予新的含义，扭转全球变暖 趋势，保护人类生态环境，给人类的子孙后代留下一个可供生存，可持续发展的 环境，便成为世晃各国的共识，是当今社会义不容辞的责任。国际社会所做出 的保护人类健康和生态环境的重大举措，正是呼吁全人类，共同携起手来，保 护我们共同赖以生存的地球，让我们拥有一个绿色的家园。 1 1 1 人类面临的环境问题 1 1 1 1 臭氧层破坏 在高层大气中，氧吸收太阳紫外线辐射而生成臭氧0 。，当0 。的浓度在大气中 达到最大值时，就形成厚度约2 0 k m 的臭氧层。臭氧层主要分布在距离地面0 2 5 k m 的大气层中，吸收波长在2 2 0 3 3 0 n m 范围内的紫外光，从而防止这种高能 紫外线对地球上生物的伤害。1 9 8 5 年，发现南极上方出现了面积与美国大陆相 近的臭氧层空洞，1 9 8 9 年又发现北极上空正在形成的另一个臭氧层空洞。此后 发现空洞并非固定在一个区域内，而是每年在移动，而且面积不断扩大。臭氧 层变薄和出现空洞，意味着有更多的紫外辐射线到达地面。紫外线对生物具有 破坏性，对人的皮肤、眼睛，甚至免疫系统都会造成伤害，强烈的紫外线还会 影响鱼虾类和其他水生生物的正常生存，乃至造成某些生物灭绝，严重阻碍各 种农作物和树木的正常生长，又会增加c 0 。而导致温室效应加剧。人类活动产生 天津大学博士学位论文 的微量气体，如氮氧化物和氟氯烷等，对大气中臭氧的含量有很大的影响。引 起臭氧层破坏的原因有多种解释，其中公认的原因之一是氟里昂( 氟氯甲烷类化 合物) 的大量使用。氟里昂被广泛应用于制冷系统、发泡剂、洗净剂、杀虫剂、 除臭剂、头发喷雾剂等。氟里昂化学性质稳定，易挥发，不溶于水。但进入大 气平流层后，受紫外线辐射而分解产生氯原子，氯原子则引发破坏o 。循环的反应， 将0 。转交为0 ：，氯原子作为催化剂，反复分解0 。，0 。就被来自氟里昂分子 图卜l 含氯化物的排放趋势图卜2 各种碳氟化合物的臭氧层消耗潜值 释放出的氯原子引发的反应而破坏。为保护臭氧层，1 9 8 7 年9 月在加拿大的蒙 特利尔市召开了专门性的国际会议，并签署了关于消耗臭氧层的蒙特利尔协 议书，于1 9 8 9 年1 月1 日起生效，协议书中对r 1 l 、r 1 2 、r 1 1 3 、r 1 1 4 、r 1 1 5 等c f c s 物质的生产进行限制。并先后召开了1 1 次缔约国会议( c o p l 一c o p l l ) ， 1 9 9 0 年6 月的伦敦修正案( c o p 2 ) ，对全部c f c s 、c c l 。、c 2 h 。c l 。的生产进行限 制，发达国家于2 0 0 0 年，发展中国家于2 0 1 0 年停止生产以上物质。1 9 9 2 年1 1 月通过的哥本哈根修正案( c o p 4 ) ，加速受控物质的淘汰过程并将甲基溴列 为受控物质。发达国家于1 9 9 6 年1 月1 日、发展中国家于2 0 0 6 年1 月1 日停 止使用c f c s ，发达国家于2 0 3 0 年、发展中国家于2 0 4 0 年停止使用h c f c s 。目前， 议定书缔约方已达到1 7 2 个，我国于1 9 9 1 年5 月加入了关于消耗臭氧层 物质的蒙特利尔议定书伦敦修正案，并于1 9 9 2 年组织制定了中国逐步淘汰 消耗臭氧层物质的国家方案。在蒙特利尔议定书的影响下，各国采取了 系列措施，图卜l 中显示出含氯化物的排放量趋势明显减少。图卜2 是世界 1 7 家化工公司联合在一起( a l t e r n a t i v ef 1 u o r o c a r b o n se n v i r o n t 玎e n t a l a c c e p t a b i l i t ys t u d y ，a f e a s ) 研究得出碳氟化合物的臭氧层消耗潜值1 。 1 1 1 2 温室气体排放 第一章绪论 为了2 1 世纪的地球免受气候变暖的威胁，1 9 9 7 年1 2 月，1 4 9 个国家和地 区的代表在日本东京召开联合国气候变化框架公约缔约方第三次会议，通 过了旨在限制发达国家温室气体排放量以抑制全球变暖的京都议定书。京 都议定书规定，对于表卜1 中所列出的6 种温室气体，到2 0 1 0 年所有发达国 家的排放数量，要比1 9 9 0 年减少5 2 。与1 9 9 0 年相比，欧盟削减8 、美国削 减7 、日本削减6 、加拿大削减6 5 、东欧各国削减5 8 。新西兰、俄罗斯 和乌克兰，可将排放量稳定在1 9 9 0 年水平上。议定书同时允许爱尔兰、澳大利 亚和挪威的排放量分别比1 9 9 0 年增加1 0 9 6 、8 、】。先后共有1 0 次缔约国会议 c o p l 一c o p l o 。1 9 9 8 年5 月2 9 日，中国常驻联合国代表秦华孙大使代表中国政 府在联合国秘书处签署了( 联合国气候变化框架公约) 京都议定书，当时中 国c 0 ：排放占世界1 3 ，中国是第3 7 个签约国。 表卜1 各种温室气体的温暖化潜势 温室气体温暖化潜势产生途径 化石能源燃烧。化石能源开采过程中的煤炭瓦 二氧化碳c a r b o nd i o x i d e ( c 0 2 ) 1 斯，天然气泄漏，水泥、石灰、化工等工业生产 天然气泄漏水稻田、牛羊等反刍动物消化过程中 甲烷m e t h a n e ( c 心) 宰2 l 排放 生产乙二酸过程使用氮肥和牲畜废物等废弃 一氧化二氮n i t r o u so x i d e ( n 2 0 )3 1 0 物的排放 h f c 一2 31 1 7 0 0用作制冷剂- 灭火剂一发泡剂、洗净剂、杀虫剂、 羹 h f c 一1 2 52 8 0 0 除臭剂、头发喷雾剂及生产铝过程的排放 碳 h f c 1 3 4 a1 3 0 0 殇 h f c 一1 4 3 a3 8 0 0 h f 一1 5 2 a1 4 0 h f c 一2 2 7 e a2 9 0 0 h f c 一2 3 6 f a6 3 0 0 h f c 一4 3 10 n 】e e 1 3 0 0 全 c r6 5 0 0生产绝缘体或半导体过程 氟 c 2 f 6 9 2 0 0 碳 化 c f i o 7 0 0 0 物 c 6 f 7 4 0 0 六氟化硫s f 6 2 3 9 0 0 生产通信继电器等电器元件。镁合金压铸保护 2 0 0 2 年8 月3 0 日，中国常驻联合国代表王英凡大使向联合国秘书长安南交 存了中国政府核准( 联合国气候变化框架公约) 京都议定书的核准书。2 0 0 2 年9 月在南非约翰内斯堡举行的第2 届“地球首脑会议”时，京都议定书正 式生效。对气候变化影响最大的是二氧化碳，二氧化碳的生命期很长，一旦排 天津大学博士学位论文 放到大气中，其寿命可达2 0 0 年，图卜3 中显示出二氧化碳的排放量变化趋势 图卜4 为二氧化碳排放的各种途径所占比例“1 。 i 0 ”“1 图卜3c 吼排放量变化趋势 圈卜4 各种途径鲍排放量的比例 111 3 持久性有机污染物的产生 2 0 世纪3 0 年代以来，人工合成有机化学品的生产和使用急剧增长，其中许 多化学品对现代社会的发展发挥了重要作用，但也对人体健康和生态环境带来 严重危害。1 9 9 5 年联合国环境署理事会要求评估1 2 种化学品的化学性质、毒性、 传输和社会经济等问题：1 9 9 6 年提出应立即采取国际行动，减少和消除其排放。 这1 2 种化学品统称为持久性有机污染物( p e r s i s t e n to r g a n i cp o l l u t a n t s p o p s ) ”。它是指人类合成的能持久存在于环境中、通过生物食物链( 网) 累积、 并对人类健康及环境造成有害影响的化学物质。这些物质在环境中不易降解、 存留时间较长，可以通过大气、水的输送而影响到区域和全球环境，并可通过 食物链富集，最终严重影响人类健康。这些物质可能造成人体内分泌系统紊乱， 生殖和免疫系统受到破坏，并诱发癌症和神经性疾病。2 0 0 1 年5 月2 3 日在瑞典 斯德哥尔摩召开了全球外交全权代表大会，通过了关于持久性有机污染物的 斯德哥尔摩公约，并开放供签署。2 0 0 4 年2 月联合国环境计划总署( u n i t e d n a t i o n se n v i r o 衄e n tp r o g r a e ，u n e p ) 宣布公约于2 0 0 4 年5 月1 7 日起正式 生效。 1 2 自然工质与可持续发展 1 9 9 2 年6 月在巴西里约热内卢举行的联合国环境与发展大会把可持续发展、 心。 甜冉 o 、 o 薹杰 鼎m 第一章绪论 生物多样性的保护和全球变化问题列为当代生态和环境科学的三大前沿领域。 可持续发展意味着，人类要合理利用生物圈即生物居住及赖以生存的地球表面 的薄覆盖层，既要使目前一代人得到最大的持久性利益，又要保持其潜力，以 满足后代的需要和愿望；也意味着，改进人类的生活质量，同时不要超过支持 发展的生态系统的负荷能力。可持续发展的要求涉及自然、社会、经济、文化 等诸多因素组成的复合系统。对发展中国家，加速经济发展，提高人均收入是 实现可持续发展的重要标志，因为贫困会迫使人们不合理地利用资源，加剧对 环境的压力。随着经济的发展，应注意改造技术，使之向低投入、低消耗的方 向转变。为了实现可持续发展，必须注意对技术的发展进行调整，发达国家的 技术不适和于发展中国家的社会、经济和环境条件，这就要求发展中国家加强 研究、开发和推广适合于自己的技术。各行各业应大力推进节能工作。作为动 力工程技术人员，将积极研究和开发高效、低耗、节能的新技术新工艺；并推 广环保适用技术，积极发展绿色产品。节约能源，提高能源的使用效率。还应 注意，不能把可持续发展与持续增长、持续利用混为一谈。因为没有任何自然 物质可以无休止地增长。可持续利用也只能用于再生资源。我国政府积极响应 里约热内卢环境与发展大会的原则要求，从中国国情出发，制定了中国2 1 世 纪议程一中国2 1 世纪人口、环境与发展白皮书。具体指出，大力推广节能工 作，使年节能率达3 以上。 随着世界制冷空调技术的应用和发展，对制冷工质的需求量逐年上升，每 年达到百万吨级的消耗量。使用的人工合成类制冷工质的绝大部分将扩散到大 气中去，有的物质在大气中存留数百年，有的物质分解后会产生其它副作用或 是分解出有害物质，始终对地球的生态环境存在着潜在的危险，而且对地球生 态环境的长期影响，短期内也难以预料。 从对环境的长期安全来看，应尽量避免使用那些最终会排放到生物圈中并影 响生态平衡的非自然工质，重新起用自然工质是一种非常安全的选择。自然工 质被已故前国际制冷学会主席g l o r e n t z e n 称为解决环境问题的最终方案哺1 。众 所周知，自然工质一直存在于大气中，对生物界无害。于是，曾经一度被淘汰 的碳氢化合物和c 0 ：又一次受到重视。美国、德国、挪威等国家学术研究和商业 推广齐头并进，我国学者近年来也开始了自然工质的研究。碳氢化合物其优点 是o d p = o ，g 胛很小，和所有常用的工程材料和润滑油都能兼容，且价格低廉。 因为可以作为制冷剂的碳氢化合物原先就已存在，并不需要另外去合成，不会 改变自然界碳氢化合物的含量，所以对温室效应没有直接影响。9 0 年代初，臭 氧层耗减和全球变暖两大问题提出后，碳氢化合物再一次被引入制冷空调领域， 当今德国9 0 的冷藏箱和冷冻箱采用碳氢化合物作为制冷剂，在全欧洲新生产的 天津大学博士学位论文 家用冷藏冷冻箱中，用作制冷剂的2 5 为碳氢化合物n 3 。 c 0 ：作为制冷工质的历史可以回溯至1 0 0 多年以前。虽然c 0 ：并不是早期唯一 的制冷工质，但由于其无毒性和不可燃性，在食品行业和民用建筑空调等领域， c o 。制冷装置占据了主要的地位。在二十世纪三十年代，由于氟里昂类制冷工质 的出现，c o 。迅速被替代。作为一种已经使用过，且已证明对环境无害的制冷工质， 近几年c 0 ：又一次引起了人们的重视。在几种常用的自然工质中，可以说c 0 ：最具 竞争力，在可燃性和毒性有严格限制的场合，c o ：是最理想的。 在制冷剂的化学结构上，没有创新可言。企图发明生物圈中不存在的新物质 来代替有问题工质，对保护自然环境是“饮鸩止渴”，只能回归自然，选用自然 工质是唯一的出路。 1 3r 2 9 0 的热力特性与应用研究现状 1 3 1r 2 9 0 的热力特征 r 2 9 0 ( 又称丙烷或p r o p a n e ) 是石油化工的产品，在石油化工工业作为工质 用于大型制冷装置已有多年的历史，具有优良的热力性能，价格低廉，而且r 2 9 0 与普通润滑油和机械结构材料具有良好的兼容性，消耗臭氧潜值为0 ，全球变暖 潜值很小，并不需要合成，不改变自然界碳氢化合物的含量，对温室效应没有 直接影响；丙烷的单位容积制冷量较大，很适合于回转式压缩机。传热性能稍 次于氨，但比c f c ，h c f c 和h f c 要好得多。如表卜2 中所示，丙烷的主要物理 性质如标准沸点、凝固点、临界温度和临界压力等参数与r 2 2 极其相近，如果 用于r 2 2 系统，可以不对原机和生产线进行改造，直接灌装丙烷，属于直接替 代物。 考虑到c f c 替代费用，丙烷特别适合于发展中国家。易燃易爆性是许多人 不敢使用碳氢化合物的主要原因，丙烷的燃点为4 6 8 ，燃烧极限为2 1 9 5 ， 一般家用冰箱等小型制冷装置的充注量在1 0 0 9 以下，即使全部泄漏也不会达到 极限浓度，但对于大型空调来说，由于充注量较大，需采取一些特别的安全措 施。有人尝试在丙烷中加入少量非可燃物以减少火灾危险性的方法，效果较为 显著。在技术上，对产品结构和生产工艺的改进以及采用新型材料，会极大地 减少泄漏的可能性，如采用高效紧凑的换热设备，可大大减少丙烷的充注量。 在挪威已经成功研制用1 k g 丙烷充注量达到3 0 4 0 k w 制冷量的系统。图卜5 是 是r 2 9 0 的分子结构图。 第一章绪论 表卜21 1 2 9 0 和其它几种制冷剂的性能比较 制冷剂 r 2 9 0 r 1 3 4 a r 4 0 4 al 2 2r 6 0 0 a 分子式c 埘8c f r c 廿 4 4 5 2 4c 唧l( 删 临界温度 9 6 71 0 17 2 59 61 1 3 5 分子量k g l 叻0 1“1 1 0 29 768 6 55 8 1 标准沸点 1 4 2l一2 654 584 0 8一l l6 2 5 时的绝对压力b a r 2 0 31 0 725 020 l0 5 8 2 5 液体密度k g l o 5 61 3 7l - 2 4l3 6o 6 2 5 时的气体的焓值k j k g 4 0 62 1 61 8 62 2 33 7 6 2 0 时的绝对压力b a r 8457儿09l30 132r 2 9 0 的应用现状 13 21 制冷空调 图卜5 中所示的是f o r dm o t o rc o m p a n y 生产的以r 2 9 0 作为空调工质的汽车， 目前已经销售到2 0 多家城市，运行已有1 年的时问，并且在做进一步的技术实 验与市场需求的调查。图卜6 中所示的是v a t 柚u c o o l 公司生产的轨道滑片式 ( 0 r b i t a lv a n er o t a r y ) r 2 9 0 汽车空调压缩机，由图卜7 所示的内部结构和图 卜8 所示的前端结构可以看出，0 v r 压缩机与传统的滑片式压缩机的结构有明显 的不同，o v r 压缩机的滑片在限定的轨道内运动，可以承受较高的压力，能够满 足冷负荷的需要。 图卜5r 2 9 0 作为空调工质的汽车 图i - 6r 2 9 0 汽车空调压缩机 天津大学博士学位论文 图卜7 压缩机的内部结构圉卜8 帆压缩杌的前端结构 1 3 22 商用制冷装置 美国d a n b y 公司、s u nv 0 1 t su n l i i t e d 公司、乳1 f l 曲o r a t o r i e sl i m i t e d 公司，美国s u nv o n su n l i m i t e d 公司等已经生产出r 2 9 0 电冰箱，洲f o s s 公司 也在开发r 2 9 0 家用电冰箱。 1 3 3r 2 9 0 的研究现状 13 31 r 2 9 0 的热力性能 j u 嘶o kk i m 等人1 对r 2 9 0 与r 1 2 5 和l 2 9 0 与r 3 2 混合制冷剂在2 5 31 5 到 3 2 31 5 k 范围内，等温状态下的蒸气循环装置内的气液两相平衡进行了测试，结 果与利用范德瓦尔单一流体模型的p e n g r 0 b i n s o n 状态方程式可以很好地关联。 c c o q u e l e t 等人“”对r 2 9 0 混合制冷剂在2 6 9 8 5 到3 2 83 5 k 的温度范围内，气液 平衡进行了测试。s e r g i ob o b b o 等人“”利用静态方法，对r 2 9 0 混合制冷剂在 2 7 8 1 5 、2 9 31 5 和3 0 8 1 5 k 温度下的气液平筏进行了测试。s b o b b o 等人“”对r 2 9 0 与r 3 2 混合制冷剂在2 4 81 3 到2 9 4 9 l k 的温度范围内，等温状态下蒸气循环装 置内的气渡两相平衡进行了测试。y u k i h i r o 等人“”对l i 2 9 0 与r 3 2 混和制冷剂在 临界区的气液两相平衡特性进行测试，温度范围3 1 6 k t ( 3 4 5 k ，密度范围 1 0 9 k g 岔 p e j o 皂， 凰 d已 圉 叱 芷 翮“ 图2 4 5 压缩机的容积排量比较 图2 4 6 压缩机的排气温度比较 从图2 4 7 和图2 4 8 中看出，带经济器制冷循环和双级压缩制冷循环的中 - 4 0 - 第二章r 2 9 0 c 0 2 复叠式制冷循环热力学分析 间压力相差不大，r 2 9 0 c 0 2 复叠式制冷循环的低温c 0 2 循环冷凝压力较高，所以， r 2 9 0 c 0 。复叠式制冷循环的冷凝蒸发器需承受较高的压力。为保证系统运行的可 靠性，r 2 9 0 c 0 。复叠式制冷循环中的冷凝蒸发换热器的换热管取较小的直径，由 于c 0 。的流量小，其换热设备的尺寸小，消耗金属材料和设备的初投资增加不大。 t n l ( 。c ) 图2 4 7 制冷循环中间压力随t 的变化关系 再 正 y _ 乱 图2 4 8 制冷循环中间压力比较 从图2 4 9 和图2 5 0 看出，c 0 2 压缩机需承受较大的压力，带经济器制冷循 环压缩机所需承受的压力分别大于双级压缩循环中高、低温循环压缩机需承受 的压力。r 2 9 0 c o 。复叠式制冷循环中r 2 9 0 压缩机的排气压力，较双级压缩n h 。高 温压缩机的排气压力降低8 1 。复叠式制冷循环中r 2 9 0 压缩机的压力差，比双 级压缩n h 。高温压缩机的压力差降低了1 - 4 ，比带经济器制冷循环r 2 9 0 压缩机和 带经济器制冷循环n h 。压缩机的压力差分别降低1 7 4 和3 4 5 。r 2 9 0 压缩机所 需承受的压力低，压缩机的可靠性提高，结构尺寸相应减小，设备结构紧凑， 金属消耗少，系统消耗投资少。 一 图2 4 9 压缩机的排气压力比较 图2 5 0 压缩机的压力差比较 图2 5 1 显示出，r 2 9 0 c 0 ：复叠式制冷循环( r c ) 中低温循环的质量流量与 高温循环的质量流量之比，随着蒸发温度的升高和冷凝温度的降低而增大，质 天津大学博士学位论文 量流量比增加，c 如的充灌量增加，r 2 9 0 的充灌量减少，减少了制冷工质的消耗 与投入，减小了对环境的污染。图2 5 2 显示出，r 2 9 0 c 0 2 复叠式制冷循环的最 佳低温循环的冷凝温度随着蒸发温度的升高和冷凝温度的降低而增大。因此， 为提高r 2 9 0 m 复叠式制冷循环的性能应尽量升高蒸发温度，降低冷凝温度。 圈2 5 lr 2 9 0 c 如复叠制冷循环质量流量比 随蒸发温度和冷凝温度的变化关系 圈2 5 2r 2 9 0 c 哇复叠循环最佳低温循环冷凝 温度随蒸发温度和冷凝温度的变化关系 通过热力计算拟合出r 2 9 0 c 0 。复叠式制冷循环中，最佳低温循环冷凝温度随 蒸发温度的变化关系： f ，= _ 0 5 1 5 + o 2 2 f o 一1 8 9 1 旷3 f 。2 ( 2 8 ) 最佳低温循环冷凝温度随冷凝温度的变化关系： f 。= 一8 + 4 3 4 f f 一6 6 9 1 0 4 ，f 2 ( 2 呻) 最佳质量流量比随蒸发温度的变化关系： ”= 1 2 3 + 1 0 6 1 0 4 + 3 4 3 1 0 。f 0 2 ( 2 1 0 ) 最佳质量流量比随冷凝温度的变化关系： 脚l 埘= 1 1 9 5 + 1 3 3 】0 3 f f 一3 2 7 1 0 。f f 2 ( 2 1 1 ) r 2 9 0 c 0 2 复叠式制冷循环的c 0 p 随蒸发温度的变化关系： c 口p = 3 6 9 + 69 2 】0 4 o + 4 4 4 】o 。f 0 2 ( 2 一1 2 ) r 2 9 0 c 0 2 复叠式制冷循环的c o p 随冷凝温度的变化关系： c o p = 8 4 7 3 2 7 】0 1 i + 3 6 6 1 0 4 f 女2 ( 2 一】3 ) 舅景 第二章r 2 9 0 c 0 2 复叠式制冷循环热力学分析 通过上述的计算分析比较得出，在较低的蒸发温度下，带经济器制冷循环 的设备结构、系统性能、可靠性、初投资等都明显不利。而r 2 9 0 为高温循环和 c 0 ：为低温循环的r 2 9 0 c o 。复叠式制冷循环，在设备外形尺寸、系统结构、系统 的性能、可靠性和初投资方面，具有一定的优势。 2 4 提高r 2 9 0 c 0 ：复叠式制冷循环性能的措施 2 4 1 带内部热交换器的r 2 9 0 c 0 。复叠式制冷循环 如图2 5 3 所示的是在r 2 9 0 高温循环和c o 。低温循环加内部热交换器 ( i n t e r n a lh e a te x c h a n g e r ，简称i h e ) 的r 2 9 0 c 0 2 复叠式制冷循环图，其中图 ( a ) 是只在c o 。低温循环加内部热交换器( 简称c i ) ，图( b ) 是在r 2 9 0 高温循环加 内部热交换器( 简称r i ) ，图( c ) 是在r 2 9 0 高温循环和c o 。低温循环都加内部热交 换器( 简称r i c i ) 。图2 5 4 是r 2 9 0 高温循环和c o 。低温循环加内部热交换器的t s 图。 ( a )嘞 ( c ) 图2 5 3 带内部热交换罄的r 2 c o ：复叠式制冷循环流程图 来自c 0 2 蒸发器的低温气体，在进入压缩机前先经过内部热交换器，在内部 天津大学博士学位论文 热交换器中与来自冷凝蒸发器的c 0 。液体进行热量交换，使c o 。液体过冷，过冷的 c 0 z 液体经过节流阀后其焓值降低，使c o 。在蒸发器中吸收的热量增加，c 0 。循环的 制冷量增加。由于，过冷的c 0 。液体节流后进入蒸发器两相流的干度降低，更有 利于液体的分配，增强蒸发器的换热效果，随着过冷温度的增加，制冷量增加。 同样，在r 2 9 0 高温循环中来自冷凝蒸发器的r 2 9 0 气体，在进入压缩机前先经过 内部热交换器，在内部热交换器中与来自冷凝器的r 2 9 0 液体进行热量交换，使 r 2 9 0 液体进一步过冷，过冷的r 2 9 0 液体经过节流阀后焓值降低，r 2 9 0 在冷凝 蒸发器中吸收的热量增加。 图2 5 4 带内部热交换器的r 2 9 0