二甲醚用作汽车空调制冷剂的实验研究

1、二甲醚用作汽车空调制冷剂的实验研究刘敬辉,陈江平,鲁雪生,陈芝久(上海交通大学机械与动力工程学院200030提要:根据二甲醚的热物理性质对二甲醚的制冷循环性能进行了分析,并在R134a汽车空调系统上对二甲醚的制冷性能进行了测试,结果表明:由于二甲醚的气相和液相粘度都比较小,使用二甲醚作为制冷剂可以有利于减小系统的阻力,有利于制冷系统制冷性能的提高。二甲醚可以直接灌注式替代R134a,但会造成蒸发器出口过热度降低,需对膨胀阀弹簧预紧力进行调整,才能充分发挥二甲醚的制冷性能。关键词:制冷,二甲醚,汽车空调Experimental Study on an Auto-air Conditioner u

2、sing DimethyletherLiu Jinghui, Chen Jiangping, Lu Xuesheng , Chen Zhijiu(School of Mechanics Shanghai Jiaotong University Shanghai China 200030Abstract: According to thermodynamic properties, this paper analyzed refrigeration performance of DME, and some tests were carried out in an R134a bus air co

3、nditioner. The results show that because viscosity of liquid and vapor DME is low, pressure drop of DME refrigeration system can be reduced and refrigeration efficiency can be improved. DME can be directly charged to replace R134a in an auto-air conditioner, but spring force of TXV(Thermal Expansion

4、 V alvemust be enhanced, otherwise, superheat degree at the evaporator outlet would become small and liquid refrigerant would enter the compressor.Keywords: refrigeration, dimethyl ether, auto-air conditioner1. 引言CFCs(全卤代烃和HCFCs(非完全卤代烃具有非常好的热力性质,几十年来它们一直被用作制冷剂。然而人们赖以生存的保护层臭氧层的破坏和温室效应的出现给人们敲响了警钟,CFCs

5、和HCFCs物质被认为是破坏臭氧层的罪魁祸首,因此替代现有制冷剂的呼声越来越高。就目前来看,考虑到对臭氧层的破坏和温室效应两个因素,只有自然工质才具有良好的环保性能,因此对臭氧层破坏作用为零、温室效应指数接近为零的自然工质才是解决CFC问题的根本办法【1】。自然工质用作制冷剂早在1 00年前就已使用,氨、二氧化碳、烃类物质很早就用作制冷剂,尤其是氨,到现在还在冷库等行业广泛的应用2,二氧化碳在商业制冷上应用的研究近几年也成为热点3。烃类物质具有不错的制冷性能,由于其可燃性,仅在有限的范围内使用。二甲醚是近年来作为一种替代汽油的发动机清洁燃料越来越受到人们的重视4, 2005年5月,在上海交通大

6、学黄震教授带领的研究小组的共同努力下,中国的第一辆二甲醚客车在上海面世。由于二甲醚和R12有相近的热物理性质,黄忠和何茂刚分别对二甲醚用作冰箱制冷剂替代R12进行了理论分析和实验研究5,6,证实了二甲醚在冰箱上替代R12的可行性。考虑到二甲醚良好的热物理性质及与材料的兼容性,且标准蒸发温度与R134a 相近,Dongsoo Jung 等人【7】采用二甲醚与R134a 混合的方法来实现替代R12在汽车空调上进行实验,认为DME/R134a 混合物可以作为R12的长期替代工质。目前二甲醚作为制冷剂的研究正日益展开【8】。本文从二甲醚的热物理性质出发,对二甲醚制冷循环的性能进行分析,并与现在被人们熟

7、知的常用制冷剂R12和R134a 进行了比较。为了验证分析的正确性,在某种型号的巴士空调上对二甲醚的制冷性能进行了测试。 2.二甲醚的热物理性质分析表1 R134a 、R12和二甲醚的主要热力性质对比 要热力性质对比,表中数据取自文献,或根据文献【9】的公式计算所得。从表1可以看出,二甲醚是一种对环境友好的制冷剂,其沸点为-24.9,比R12和R134a 稍高,但临界温度却比R12和R134a 高约26,即二甲醚有比R12和R134a 更低的c T T 0值,理论上二甲醚应比R12和R134a 有更高的制冷效率。虽然由于二甲醚可燃,用于实际制冷装置时,须考虑装置的安全性,但若用于充注量不大的小

8、型制冷装置可以实现装置的节能。因此从热物理性质来说,二甲醚是一种非常好的制冷剂。而且作者研究表明,二甲醚除了对普通橡胶有轻微的溶解作用外,与润滑油和材料均有良好的兼容性【8】,是一种性能良好的制冷剂。 3.二甲醚理论制冷性能分析3.1二甲醚理论制冷循环分析二甲醚的理论制冷循环性能系数和单位容积制冷量随蒸发温度的变化曲线如图1和图2所示,为了说明二甲醚的制冷性能,图中也给出了R12和R134a 的性能系数和单位容积制冷量曲线。从图中可以看出,二甲醚有着比R12和R134a 更高的理论循环制冷系数,与上述热物性分析一致。其单位容积制冷量比R12低约6%7%,在蒸发温度较低时,二甲醚的单位容积制冷量

9、比R134a 稍高,在蒸发温度较高时,比R134a 稍低。原来使用R12或R134a 的制冷装置,在直接灌注二甲醚后,其制冷量的降低理论上不会超过10%,因此原来二甲醚可以实现对R12和R134a 的直接灌注式替代。图1 二甲醚的制冷系数随蒸发温度变化 图2 二甲醚的单位容积制冷量随蒸发温度变化3.2管道阻力对制冷性能的影响 制冷系统管道阻力对制冷性能会有负面影响,管道阻力的增加会降低制冷系统的性能,因此要求管道阻力越小越好。但过大的制冷剂管道不仅会增加制冷系统的成本,而且由于制冷剂流速过低,会造成制冷系统的回油等问题,因此制冷剂管道管径的选取有一定的限制。最理想的情况就是管道内的制冷剂既要达

10、到一定的速度,又要管道阻力小,管道阻力可由下式(1计算。22if d L p = (1式中:i d L ,-分别为制冷剂管道的长度和内径。,-分别为制冷剂的密度和制冷剂流速。其中摩擦阻力系数可由Haaland 公式求出【11】:+-=Re 9.67.3log 8.1111.1id e (2 式中:Re ,e -分别为管壁粗糙度和Renold 数。从(1式可以看出,制冷系统的管道阻力除了与管道的设计尺寸有关外,还与制冷剂的热物理性质有关,即与制冷剂的密度和粘度有关。图3 二甲醚制冷系统气体管道阻力相当的饱和温度降低随制冷量的变化图4 二甲醚制冷系统液体管道阻力相当的饱和温度降低随制冷量的变化图3

11、和图4分别是二甲醚制冷系统气体管道和液体管道阻力随制冷量的变化曲线,为了便于说明管道阻力对制冷性能的影响,图中阻力转化为制冷剂饱和温度的降低。为了说明二甲醚的阻力特性,图中也给出了R12和R134a 的阻力特性作为比较。从图中可以看出,无论是气相还是液相,在相同制冷量和管道尺寸情况下,二甲醚的管道阻力均比R12和R134a 低很多,这意味着二甲醚作为制冷剂可以减小制冷系统的阻力,对提高制冷系统的性能是有利的;在相同的制冷量和管道阻力情况下,可以使管道尺寸缩小,降低系统的造价。 4.二甲醚制冷性能在汽车空调上的测试4.1测试装置测试在标准房间量热器室中进行,如图5所示。测试工况按汽车空调的行业测

12、试标准,详见表2。测试用空调器选用型号为:KQZN14巴士顶置式空调,测试所用压缩机为开式活塞压缩机,排量为:313ml r ,膨胀阀为外平衡式热力膨胀阀。 合器机加热器却盘管(室外机混合器风机(接室外水源加湿器加热 器 图5 标定型量热器室示意图4.2二甲醚在汽车空调上的制冷性能表2 二甲醚和R134a 在汽车空调上的对比在巴士汽车空调上的测试结果,其中DME (1为膨胀阀未作调整时的测试结果,DME (2为膨胀阀作调整后的测试结果。从表2的DME (1可以看出,二甲醚和R134a 的制冷系数分别为1.543和1.521,即二甲醚的制冷系数比R134a 高约1.44%。二甲醚的实际制冷量比R

13、134a 高约4.7%,在上述制冷循环分析中表明,二甲醚的制冷量应稍有减小,那是由于分析中没有考虑换热温差以及系统匹配等的影响。从表2的DME (1可以看出,在装置充注二甲醚后,压缩机吸入口的温度比R134a 低,这是由于膨胀阀未作任何调整,二甲醚的供液量偏大,蒸发器出口过热度较低,蒸发器换热面积得以更充分的利用,因此出现了二甲醚的制冷量反而比R134a 大的结果,以下在分析二甲醚对节流机构的影响时,将会对其供液量过大的原因作出理论解释,在此不再赘述。从DME (2中可以看出,热力膨胀阀预紧力稍作调整后,压缩机的吸排气温度均有所上升,制冷量则稍有下降,制冷系数进一步提高,比R134a 高约5.

14、6%。5.R134a 制冷系统直接充注DME 对节流机构的影响图6给出了外平衡式热力膨胀阀连接及膜片的受力示意,从图中可以看出,外平衡式热力膨胀阀的开度受蒸发压力0p 、感温包内压力s p 和弹簧预紧力f p 控制,膨胀阀膜片的力平衡关系可由下式表示10:s f p p p =+0 (3这三者的关系随蒸发温度变化情况如图7中实线所示,在充注二甲醚后二甲醚的蒸发压力随温度的变化曲线如虚线所示。由于二甲醚的饱和蒸发压力比R12和R134a 低,原来使用R12和R134a 的制冷装置在未作膨胀阀预紧力调节的情况下改充二甲醚后,会因为弹簧的预紧力较小,造成蒸发器出口的温度会降低,过热度减小(由sht

15、变为sh t ',造成过液量较大,从而使得蒸发器的换热面积得到更充分的利用,所以表2中二甲醚的实测制冷量大于R134a 。但同时由于蒸发器出口过热度减小,会造成压缩机吸入口的过热度较低,压缩机吸气带液,造成压缩机的效率降低。从表2中可以看出,制冷系统在改充二甲醚后压缩机的排气温度比R134a的排气温度有明显降低(低约24,这说明压缩机的吸气中已经带液。适当增加膨胀阀的弹簧预紧力(由fp调整为fp ,使得压缩机的吸入口过热度提高,则虽然会使蒸发器的制冷量稍有降低,但有利于提高整个系统的制冷系数。 图6 外平衡式热力膨胀阀与制冷系统连接示意图图7 原R134a(R12制冷系统改充二甲醚后对

16、节流装置的影响6.结论二甲醚是一种性能良好的制冷剂,它不仅具有非常高的理论制冷性能,而且与润滑油和材料有良好的兼容性。二甲醚的气相和液相粘度都比较小,使用二甲醚作为制冷剂可以有利于减小系统的阻力,使得系统的制冷性能提高。二甲醚可以直接贯注式替代R134a,会造成蒸发器出口过热度降低,需对膨胀阀弹簧预紧力进行调整,方能充分发挥二甲醚的制冷性能。参考文献:1. G.Lorentzen The use of natural refrigerants: a complete solution to the CFC/HCFC predicament. International Journal of R

17、efrigeration J, 1995, V ol.18,No.3: 190-197.2. S.B.Riffat,C.F.Afonso,A.C.Oliveria,D.A. Reay. Natural refrigerants for refrigeration and air conditioning. Applied Thermal EngineeringJ,1997,V ol.17,No.1:33-42. 3.Sergio Girotto, Silvia Minetto, Petter Neksa. Commercial refrigeration system using CO2 as

18、 the refrigerant. International Journal of RefrigerationJ. 2004,Vol.27:717723. 4.黄震等. 我国能源安全和环境保护之路-二甲醚,2003 DME论坛,上海C:26-31.5.黄忠. 二甲醚替代CFC12的电冰箱模拟计算和实验研究.重庆建筑大学学报J,1999, 21(3:50-55.6. 何茂刚,李铁辰,刘志刚. 二甲醚作为冰箱制冷剂的试验研究. 西安交通大学学报J,2004, 38(3:221-225.7. Dongsoo Jung at.el. Evaluation of supplementary/retrofit refrigerants