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三氟碘甲烷作为冰箱制冷剂的理循环分析
通过对环保工质三氟碘甲烷的饱和蒸汽压曲线、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。工程热物理冰箱制冷剂理论循环分析:,3,:,3,/,:2901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、可燃性、环保和热工性能方面存在缺陷,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,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。关于:,3,的热物性,只有文献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能性。
2理论循环分析的工具
2.1,,状态方程两参数,、ζ,的求解
,,状态方程的具体形式为:
而是方程的最小正根。
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ζ,、斜率,。对于:,3,,文献给出其,,=3.953,,,,,,=396.44,。ζ,、,的求解方法如下:选取,个饱和液相数据点,;假设一个ζ,初值;由式、、求出Ω,、Ω,、Ω,,代入式、求得,、,;
由汽液平衡条件,,=,,,输入某数据点,的,,由式、求出α,;由,个数据点的用最小二乘法拟合式,求出,;由ζ;和已求出的Ω,,Ω,,Ω;,,,根据方程,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;
以一定的步长改变ζ;,重复步骤-。选取最小,,,所对应的ζ;、,作为,,方程的参数。
文献给出了,,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,=0.6514、ζ;=0.3105。2.2,,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,并与文献的实验数据进行了对比。对比实验数据为,0.9,;范围内的13个饱和液相点、22个饱和蒸汽压点和,,;内77组气相区数据。结果
明,饱和液密度、饱和蒸汽压、气相区密度的最大相对误差分别为2.94%、0.42%、5.87%,平均相对误差分别为1.54%、0.25%、2.17%。相对误差、平均相对误差计算式分别为
式中,,-所要比较的物理量,,,,-,,方程的计算值,,,,-实验值,,-数据点的个数。
冰箱的名义工况为蒸发温度,,,,,=-23.3?,冷凝温度,,:,=54.4?,吸气温度、过冷温度32.2?,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:,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。图1为几种工质的蒸汽压对比,其中:,3,的蒸汽压方程为
式中,,1=-7.204825,,2=1.393833,,3=-1.568372,,4=-5.776895,适用范围243,,,,;其它制冷剂的蒸汽压数据来自,,,,,,。
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。
4:,3,作为冰箱制冷剂的循环性能分析
4.1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0.70,计算了几种工质的循环性能。混合工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:,:12高40%左右。:,3,的::,是最高的,比:,:12高3.4%,这是:,3,的优势,而,:290是最低的。通过以上的比较可以看出::,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;,: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。
4.2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,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灌注式替代物的潜力。
5:,3,/,:290混合物作为冰箱制冷剂的循环性能分析
5.1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。
5.2变工况
对上面所给4种配比下的:,3,/,:290混合物进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。
5.3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18.4%。一般家用冰箱的制冷剂的充灌量为0.1,,左右,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0.0184,,。文献指出,在密封性好的制冷系统中,只要碳氢化合物的充灌量小于0.15,,,那么系统就是安全的。因此,:,3,的摩尔组成在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。
6结论
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。
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。
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。