非共沸混合制冷剂分离过程传热传质特性研究.doc

目录中文摘要ABSTRACT 第一章 绪论 1 1.1 引言 .1 1.2 课题的背景和意义 .2 1.2.1 关于制冷剂的环境影响 .2 1.2.2 能源问题的日益突出和高效节能产品的开发 4 1.3 国内外研究现状 .4 1.3.1 三元混合工质热力性质的研究 5 1.3.2 变容量调节空调系统的研究 6 1.3.3 组成调节装置热质传递模型的研究 7 1.4 本文研究的主要内容 .8 第二章 R 407C 中单质的热物理性质的计算 . 9 2.1 制冷剂热力性质的计算 .9 2.1.1 制冷剂常用性质 9 2.1.2 压力的计算 .10 2.1.3 理想气体状态的比热 .12 2.1.4 密度的计算 .13 2.2 制冷剂迁移性质的计算 .15 2.2.1 饱和状态粘度的计算 .15 2.2.2 饱和状态导热系数的计算 .16 2.3 表面张力的计算 .172.4 本章小结 . 18 第三章 混合工质分馏特性和变组成容量控制分析 .20 3.1 混合工质分馏特性的评价方法 .20 3.2 相对挥发度的计算和比较 .22 3.3 变组成容量控制的机理 .24 3.4 本章小结 .26 第四章 混合工质组分分离实验研究 .27 4.1 组分分离原理 . 27 4.2 实验系统 . 28 4.2.1 组分分离系统 .28 4.2.2 组成调节装置的结构和参数 .30 4.2.3 测试系统 .34 4.2.4 实验步骤 .34 4.3 实验的结果及分析 .34 4.4 本章小结 .41 第五章 组成调节装置热质传递模型的建立和分析计算 .42 5.1 实现混合工质变组成的过程和原理 .42 5.2 组成调节装置模型 . 42 5.2.1 MESH模型的建立 . 42 5.2.2 MESH模型的计算及结果分析 . 45 5.3 热质传递模型 .48 5.3.1 填料塔热质传递模型的建立 . 48 5.3.2 热质传递模型的计算及结果分析 . 515.4 模型的比较分析 . 575.5 本章小结 . 58 第六章 结论与建议 . 59 6.1 主要工作与结论 . 59 6.2 对今后工作的建议 . 60 符号表 .61参考文献 .62 在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .65致谢 .66摘 要 节能和环保是面向21世纪的科学技术发展的两大议题。研究变组成容量控制的节能特性，在节能和环保这两大世界热点问题上有着特殊的双重实际意义。 本文在对混合工质的分离特性和变组成循环性能进行理论分析的基础上，建立了组分分离的物理模型及其相应的数学模型。本文主要对R32/R125/R134a三元非共沸混合制冷剂在实现变组成容量控制的组成调节装置中的分离器即填料塔中的传热传质过程进行了理论研究，建立了初步的热质传递模型。 选择合适的状态方程式和关联式对组成三元混合工质R 407C 的三种单质R32/R125/R 134a 分别进行热力性质、迁移性质以及表面张力等的计算，确定合适的状态方程式用于热质传递模型的计算。 对填料塔建立了热质传递模型，首先根据已有的热力性质、迁移性质和表面张力等参数计算出传质系数，然后按照模型的计算方法进行模拟计算得到了填料塔沿程的温度变化以及各组分填料塔沿程的组成变化，计算结果和MESH 模型的计算结果趋势一致。 针对R32/R125/R 134a 三元混合工质的非共沸特性，选择R 407C 为原始料液，在组分分离实验台上进行了相应的分离实验。结果表明：经过组分分离实验，R 407C 的组分有明显的改变，并且在一定的实验工况下可以得到较好的分离效果。实验结果表明理论仿真模拟计算与实验测量结果的趋势基本一致。本文所建立的热质传递模型对于填料塔是合适正确的。 关键词：非共沸混合工质 填料塔 分离特性 热质传递ABSTRACT Energy saving and environmental protection are two big subjects which are faced to the science and technology development in the 21st century. Research on energy saving characteristic of varying composition capacity control air conditioning system has special dual practical significance in the two world hot topic: energy saving and environmental protection . A new varying composition capacity control air conditioning system is introduced in this paper. On the basis of theoretical of the separation characteristic and its theoretical cyclic performance of the non-azeotropic refrigerant mixtures, the physical and mathematical models for separating process are set up. In this paper, theoretical study on R32/R125/R 134a ternary mixture about the process of heat and mass transfer in a composition adjustable device which can meet the needs of refrigerant alternative and continuous capacity control is conducted. Suitable state equations and relations are selected to calculate thermodynamic properties and transport properties and surface tension of R32, R125 and R 134a . Right equations are used for calculating heat and mass transfer model. A heat and mass transfer model for composition adjustable device is made. First based on the calculated thermodynamic properties, transport properties and surface tension, the heat transfer coefficient and mass transfer coefficient is calculated. According to the simulation results, it is shown that the trend of results calculated by heat and mass transfer model accord with that by MESH model. According to non-azeotropic properties of R32/R125/R 134a ternary mixtures, R 407C was applied as the refrigerant to the rectifier experiment separator. The results indicated that after the experiments, the composition of R 407C has been obviously changed. The experimental result indicates that the trend of theory computation is consistent with that of the experimental results. Key words: non-azeotropic mixture, packed column, separation efficiency, heat and mass transfer1.1 引言 节能和环保是面向21世纪科学技术发展的两大议题。21世纪制冷空调技术的发展方向将是：环保和绿色技术、节能和智能技术相结合的多元技术共同发展的综合体现。目前，能源短缺和环境污染已经成为人类面临的重要问题，而在世界范围内总能源消耗量中用于制冷空调方面的能源又占据了重要的一部分，制冷空调设备中所使用的一些制冷剂被证明对大气臭氧层有破坏作用以及对地球还会产生附加的温室效应，因此与全世界人们日常生活密切相关的制冷空调行业正受到严峻的挑战，鉴于以上要求开发节能型的高效率制冷系统和减少制冷剂对大气环境的危害的研究已成为工程热物理学科的前沿课题。 混合工质在节能方面有其独特的优越性，单位容积制冷量随组成的变化特性是混合工质节能的优势之一。混合工质可以利用混合物组分的分离和重组来实现浓度调节，从而达到调节系统负荷的目的，还能提高混合工质循环系统的性能。采用混合工质变组成进行容量控制是机组节能的合理和有效的方式之一，国内外对这种调节方式已经展开初步的理论和实验研究，获得了较满意的进展，但在实际制冷空调机组中还缺乏更深入的系统研究，从而局限了该技术从理论走向实用的进程。 混合工质是CFCs和HCFCs很有前途的工质替代方法。由于纯工质的理想替代物非常有限，要解决当今正在使用中的制冷剂对大气臭氧层的短期或长期的危害，可以通过少数几种低环害的制冷工质组合出多种热物理性质和性能接近于被替代制冷剂的混合工质，其中作为新兴的替代工质，一批混合工质制冷剂越来越受到研究人员的重视，混合工质制冷剂在工质替代保护臭氧层、缓解大气污染和温室效应、提高性能等方面有着广阔的应用前景。近年来，混合工质制冷剂已在工商业制冷和空调机组中得到了广泛的应用，取得了良好的社会效益和经济效益。 因此，研究混合工质的热力性质和变组成容量控制的节能特性，不仅在节能和环保这两大世界热点问题上有着特殊的双重实际意义，而且在揭示变组成容量控制的制冷空调系统的节能机理方面有着重要的理论价值。 本文从混合工质实际应用可靠性和分馏特性角度出发选取目前国际上已经得到公认的商业化的非共沸混合制冷剂R 407C (R32/R125/R 134a ，23/25/52%wt.)作为制冷循环工质，对组成三元混合工质R 407C 的单质R32/R125/R 134a 的热力性质和迁移性质进行计算；通过对该三元混合工质体系分离特性的分析并结合混合工质在制冷空调循环系统中进行变组成容量控制的可行性分析，揭示了混合工质节能的固有特性。根据已有的组成调节装置，对该装置建立了一个初步的热质传递模型，根据已有的单质热力性质和迁移性质的经验方程式以及分离实验和MESH模型计算的结果，对热质传递模型进行计算和分析。 据此，本文首先对国内外目前在替代工质以及它们在制冷空调系统中进行变组成容量控制研究的背景和意义进行初步的总结，了解其发展现状和进一步的研究方向，明确本课题的最终研究目标。 1.2 课题的背景和意义 1.2.1 关于制冷剂的环境影响 随着制冷空调生产的日益发展，制冷剂的大量使用，由此引起的臭氧层的耗损和全球气候变化，是当前全球所面临的举世瞩目的环境问题。 自从1834年第1台以乙醚作制冷剂的蒸气压缩式制冷机问世以来，人们一直不懈地努力寻求“理想”的工质，二十世纪中期以后，人工合成的氯氟烃物质（CFCs）和氢氯氟烃物质（HCFCs）逐渐成为最常用的制冷剂。1974年美国加利福尼亚大学的两位科学家马里奥莫利纳和舍伍德罗兰首先提出了扩散到臭氧层中的氟氯碳化合物对臭氧层有破坏作用，揭示了破坏臭氧层的主要罪魁祸首正是目前已在全世界大量生产和使用的氟氯碳化合物类制冷剂CFCs和HCFCs，这类人工合成的化合物排放到大气层中导致了臭氧层的破坏，引起了制冷行业首次对环境问题产生了如此重大的关注，由此也对制冷空调行业的发展具有深远的影响1。经过大约十年的研究，人们普遍承认这些人工合成化合物确实是臭氧层的耗损物质（ODS）。臭氧层的减薄，使地球吸收了过多的紫外线辐射，破坏人类免疫系统，导致皮肤癌和白内障患者增多；还可能造成农作物减产及影响海洋浮游生物的生产，进一步破坏海洋生物的食物链。正是由于全世界对臭氧层破坏之后所产生的危害作用有了充分的认识，保护臭氧层已成为目前环境保护中最受人们关注的焦点之一。 在意识到CFCs、HCFCs对臭氧层有破坏作用的同时，人们也发现这类卤代烃化合物对地球还会产生附加的温室效应2。本来地球表面的温室效应的典型来源是大气中的二氧化碳、甲烷等气体，但大多数CFCs和HCFCs也有类似的特性，这类气体在大气中的化学寿命很长，因此有足够的时间允许它们在大气中累积起来，从而对地球辐射平衡和气候产生持续的影响。最近半个多世纪，由于人类活动排放的温室气体剧增，地表平均温度升高了约 0.5 ，导致海平面相应上升约 10cm ，这一变化相当于此前1000年地表温度的变化。从表1-1中可以看出，任何一种卤代烃的温室效应指数都要比二氧化碳高得多，由于这些物质的排放不可避免地对温室效应产生了影响。温室效应的加剧，其最终将导致地球平均气温急剧上升，尤其是地球两极气温上升更为明显。气温的升高会改变自然生态系统，使沙漠和草原扩大，森林面积缩小，土壤侵蚀会变得更加严重，还会导致地球两极冰雪融化和海水膨胀，海平面升高。同时暴风雨的频率将会加快，强度也会加剧，大片陆地将被海水淹没，人们将为防止被海水淹没付出昂贵的代价。 表1-1 HFCs替代制冷剂和HCFC22的性质 项 目 HCFC HFC 名 称 22 23 32 125 134a 143a 152a 分子式 CHCLF2 CHF3CH 2F 2CHF2CF3CH2FCF3CH3CF3CH3CHF2 分子量 86.48 70.01 52.02 120.02 102.03 84.04 66.05 沸点() -40.8 -82.1 -51.7 -48.1 -26.1 -47.2 -25 ODP 0.055 0 0 0 0 0 0 GWP(100年)510 11700 650 2800 1300 3800 140 寿命（年） 15 310 6 16 28 41 1.7 毒性TLV(ppm) 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1000 燃烧极限 无 无 13-29.3 无 无 7-19 4-19.6 当今世界十大环境问题的第二（温室效应）和第三（臭氧层减少）项都与氟利昂的大量排放有关。1987年在加拿大签署了关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书是人们采取措施的标志。该协议正式规定了逐渐削减CFC的生产和消费的日程表。1995年，不仅所有的CFC类物质被全面禁止生产和使用，HCFC类物质也被列入禁用时间表。根据蒙特利尔协定及其修正案，CFC和HCEF类物质将在2030年前被全面禁止使用。因此可以说， CFCs和HCFCs制冷剂的替代已经成为国际性环境保护的热门话题，寻找合适的替代制冷剂更是工程热物理专业研究人员的一项巨大而又艰巨的任务。 目前已有许多HCFC22替代的研究成果出现，有的已逐步进入使用阶段，当前国际上应用较普遍的HFCs类替代物是R 410A 、R 407C 等。HFC三元非共沸混合工质R 407C 是众多候选替代制冷剂中呼声较高的R22替代工质，由于R 407C 的热力性质与R22最为相近，它们的工作压力范围和制冷量都十分相似，这使得替代简单易行。据最新的资料预测，R 407C 将在家用或商用空调（520kW）的低冷量范围和除螺杆压缩机外的其他容积式压缩机的水冷冷水机组（20350kW）的高冷量范围很有前途3。针对当前欧美各国倾向于在空调系统中采用R 407C 替代R22的这种趋势，以及我国在这方面所进行的试验研究较少的情况，对R 407C 空调制冷系统的深入研究势在必行。 1.2.2 能源问题的日益突出和高效节能产品的开发 随着工业化的发展和人民物质文化生活水平的提高，能源需求与日俱增，同时由于社会生产力的高速发展和人口数量的急剧增长，能源紧张已经成为当今世界各国所关注的社会问题。空调作为一种耗电多的机器，强调能源的节约和开发并用，优化设计制冷空调系统，节能意义非常重要。研究如何根据负荷情况调节系统的耗能，目前比较行之有效的调节方式为变频调速系统，但因压缩机需要重新设计和变频装置价格昂贵而限制了它的广泛应用。基于节能、环保及舒适性要求，可变容量空调系统已经成为空调制冷技术工作者研究的一个重要课题。在以非共沸混合工质为循环制冷剂的空调系统中，利用混合工质中各组分的沸点不同，采用改变单位容积制冷量大小不同的循环工质的组成配比，在系统中采用特殊装置对循环工质的组成进行调节使得整个空调装置具有容量控制的特点，即空调系统提供的负荷与外界环境的负荷变化相匹配，从而实现系统负荷的连续调节，这种调节手段具有一定的节能机理，具有良好的调节效果，可实现柔性调节，而且可以基本避免压缩机共振、密封不良等问题。因此对构成R 407C 的三元混合工质R32/R125/R 134a 变组成空调系统的容量控制特性和节能机理的研究将具有十分重要的现实意义。 据统计，2002年全世界的各种房间空调器和单元式空调机的总销售量估计达到4990万台，其中中国近1500万台左右4。由于容量可控的混合工质变组成空调在环保和节能方面有着独特优越性和技术先进性，研究涉及制冷空调、化工、节能与控制等多学科理论的深入和交叉，科学性强，因此本研究课题的社会效益和经济效益将会十分显著。 1.3 国内外研究现状 如前所述，混合工质的使用作为制冷空调系统的节能和工质替代是当今制冷行业的两大主要研究课题，多年来，混合工质的各项研究和实践工作正广泛地开展，对于目前在制冷空调设备中大量使用的对环境有危害的而要受到限制的R22制冷剂，采用环境可以接受的制冷剂对其进行替代的呼声日益强烈，在多种的替代方案中混合工质的替代在各方面都比较成熟，同时混合工质还兼有利用组成变化实现连续的系统容量控制，提高制冷系统的循环性能等特点。因此，混合工质替代制冷剂在制冷空调系统中的变组成容量控制的节能特性方面的研究具有重要的实用价值和理论价值。目前，在此领域中主要的研究内容有： l 混合工质热力性质的研究； l 混合工质迁移性质的研究； l 混合工质变容量调节空调系统的研究； l 混合工质热质传递模型的研究。 1.3.1 三元混合工质热力性质的研究 目前国际上研究最多的，在空调机中优先推荐的R22混合工质替代制冷剂主要有3种：R32/R 134a 、R32/R125、R32/R125/R 134a 等，它们都包含在R32/R125/R 134a 混合工质物系中，三元混合制冷剂R32/R125/R 134a ，特别是其商业化代表产品非共沸制冷剂R 407C （R32/R125/R 134a ，23/25/52wt%），经过几年的研究进展，已经成为R22的较为理想的替代制冷剂，在欧美等发达国家得到了广泛的应用。 国外在R22制冷剂替代方面研究较早，研究课题主要集中在制冷剂性能的理论计算和循环分析及替代制冷剂的试验研究等方面。在理论计算方面新的方程或原有方程的改进型不断出现，大大提高了理论计算的精度。如美国的N.C.Patel5于1996年对PT方程进行了改进，提出了新的温度参数关系，扩大了其应用范围，提高了计算精度。约旦的M.O.AL-ShafeI等6对CSD方程进行了改进，在原有方程基础上有增加了一个与温度有关的参数C，从而大大提高了原有方程的计算精度。日本的Jin LI等7利用其改进后的PT方程并结合据实验数据拟合的一些参数对R32,R125和R134a三种物质及其二元混合工质的热力性质进行了计算，取得了很高的计算精度，德国的M.Nagel等8利用实验数据对常用的几种状态方程进行了综合并进行了R32/R125/R134a三元混合物的汽液相平衡的计算也取得了很高的精度。除了利用状态方程进行热物性的计算外，国外的一些学者还将化工中物性及相平衡的一些推算方法引入了制冷剂物性的计算当中，如西班牙的Josefa Garcia等9利用UNIFAC基团贡献法进行了二元含氟混合物的超额焓及基团相互作用系数的推算并得到误差低于3%的良好精度。国内在进入90年代之后，随着人们对环境的日益关注，有关制冷剂替代的研究也越来越多。 在理论研究方面：早在90年，上海机械学院的蒋能照等10就汇集了R 134a 东东热力学性质，给出了三种不同形式的气体状态方程，列出了R 134a 的饱和蒸气表和常压下的过热气体表，可供制冷工程之用。上海工程技术大学的王鹏英等人11对新工质R125的热力性质进行了研究，根据状态方程和辅助方程式导出了R125的其它热力性质计算方程，用VB语言编写了R125热力计算程序和压焓图的绘制程序，给出了热力性质表与lgP-h表。天津大学的王怀信等对CSD方程12进行了改进，扩大了方程应用的温度范围，提高了汽液相平衡的计算精度。广东三洋空调机有限公司的成宏岗13进行了混合工质R 407C 温度滑移的验证。与此同时，国内也有一些学者致力于制冷剂的热物性推算研究，如西安交通大学的张智等14利用基团贡献法在只知道温度和临界参数下推算了CFCs乙烷系替代工质的饱和蒸汽压，取得了平均偏差0.5%的较高精度。 1.3.2 变容量调节空调系统的研究 1981年GE公司的H.B.Vaki15提出了采用非共沸混合工质进行制冷系统容量控制的新概念，此后二元混合工质的容量调节空调系统得到了研究。同年西德的Kruse16以R22/R114为循环工质，并设计出一种改变组成的装置，它把冷凝器分成高温冷凝器和低温冷凝器，在两冷凝器之间安装气液分离器，在高压侧存储混合工质的液相，而气相则被送入二级冷凝器中进行冷凝和再循环，以增加系统的单位容积制冷量，达到通过改变循环工质的成分进行热泵系统容量调节的目的，Kruse17还于1985年系统地对混合工质R12/R114和R22/R114进行了理论和实验的研究，采用蒸馏容器改变组分的浓度，对于混合工质R22/R114而言获得的分离范围约25%，实验中容器顶部的产物直接喷射至压缩机吸气管路上。1988年E.A.Vineyard18采用R13B1/R 152a 混合制冷剂为循环工质，使其质量组成从60/40wt%变化到70/30wt%，系统可实现容量变化，且其性能参数与R22基本接近。同年，日本的吉田雄二19提出了一种采用精馏塔来改变混合工质浓度的容量调节系统。1989年日本的Y.Yoshida20等以R22/R13B1为循环工质，采用附加的低沸点组分存储型精馏器进行了组分的分离，系统循环工质的组成变化依靠调整膨胀阀的开启，当膨胀阀打开时，系统按照原充注的混合工质制冷剂组成运行，制冷量较大；当膨胀阀关闭时，制冷剂流向精馏器，经过组分分离后低沸点组分保存在储液器中，也就使得循环系统中以高沸点工质R22为主的制冷剂流量增加，系统的容积制冷量减小，而系统的COP将提高。1999年，韩国的KIM等人21以R32/RR 134a 为工质在热泵系统中进行实验研究，结果表明工质的质量比可以从39：61变化到65：35，且当R32组分增加时，系统的制冷或制热量增大，同时系统的COP减小。2000年，日本的MichiyoshiKusaka等人22以R 407c 为工质，在中间压力处接入变浓度装置把R 407C 质量比23：25：52改变到6：14：80，从而达到改变系统容量的目的，实验证实与常规定转速压缩机系统相比，采用该装置季节能效比提高25。 在国内，1995年天津大学的杨昭和马一太等23,24,25也开始进行变浓度容量调节的节能机理研究，对几种二元混合工质体系进行了筛选，通过变浓度制冷循环的理论计算选定的工质对有R22/R142b、R32/R124等，于1998年在窗式空调器上采用5种浓度的分别充灌法对混合工质R22/R142b进行了稳态运行的性能实验验证。1999年马一太等26又对空调制冷工质R 143a /R227ea、R125/R227ea进行了理论研究，以R 143a /R227ea作为实验工质对，借助于一精馏塔，调节出四种循环工质的浓度配比，然后在每一种固定浓度下，进行了性能实验，实验表明R 143a /R227ea具有较好的分馏特性和变容量特性。2002年，上海冷气机厂的吴献忠27采用混合工质R 407C 对其变组成容量控制的循环特性进行了理论分析，还建立了混合工质组分分馏的物理模型及其相应的数学模型，对多元混合工质制冷剂组分分离过程进行了机理性的分析，按照模型求解方法计算并得到了组成调节装置的设计参数，并研制成与空调负荷要求相匹配的混合工质组成调节装置。2003年，上海理工大学的孔毅28针对R32/R125/R 134a 三元混合工质的非共沸特性，选择R 407C 为原始原料，在组分分离实验台上进行了相应的分离实验，结果表明，经过组分分离实验，R 407C 的组分有明显的改变，并且在一定的实验工况下可以得到较好的分离效果。 随着CFC及HCFC制冷剂替代技术研究的发展，变组成容量控制技术已不能停留在上述的二元非共沸混合工质上，而且其研究远未达到实用化的要求，有关的实验数据还不全面，尚有许多机理还不太清楚，应进一步进行探索。为此采用绿色环保的成熟商业化非共沸混合工质R 407C 等制冷剂变组成容量控制的技术可行性和节能性的研究，空调样机系统的研制将为变组成容量控制技术的进展创造有利的条件。 1.3.3 组成调节装置热质传递模型的研究 2000年四川空分设备有限责任公司的文向南29等对填料型空冷塔传质系数进行了计算，他首先推导了填料型空冷塔的计算模型，给出了气相传质系数和对流传质系数的计算方法，并使用逐段计算法计算填料高度，结果运行数据与设计数据吻合的相当好，表明文中的气相传质系数和对流传热系数的计算方法是可行的。2004年，华东理工大学的王亦飞等30对水汽逆向流动的填料塔的热质同时传递过程进行了研究，在内径 94mm ，高 2.1m 的填料塔内进行了热质同时传递过程的热模实验，对填料塔内热质同时传递过程建立了数学模型，模型计算值与实验值吻合良好。2005年，仲恺农业技术学院的宋垚臻31对空气与水逆直接接触热质交换过程进行了模型计算和分析，文章给出了揭示空气与水逆流进行热质交换时空气与水的状态参数与过程内在规律的通用方程组，利用matlab软件编程，在已知通用方程组的5个变量后可以快速计算出其余4个变量，但由于缺乏更多的实验数据，模型计算的准确性有待于进一步验证。关于填料塔内的热质传递研究目前从公开文献来看这方面的工作比较少，而关于混合工质制冷剂的热质传递方面的研究更是非常少，未能从公开文献中查阅到相关内容。 1.4本文研究的主要内容 本课题主要的研究工作是对实现变组成容量控制的组成调节装置建立初步的热质传递模型，选择合适的公式计算组成R 407C 三元混合工质的单质R32、R125、R 134a 的热力性质、迁移性质和表面张力等，正确的公式应用于整个热质传递模型的计算全过程，计算结果得到各组分在填料塔的沿程组成变化以及填料塔的沿程温度分布，通过与MESH模型的计算结果或者是实验结果进行比较，验证模型的准确性。改变不同填料型式的参数，计算得到不同填料的分离效果。计算不同的进料组成得到的不同分离效果。本课题研究的对象是非共沸混合制冷剂的热质传递，从目前公开文献看，由于对于制冷剂的沸腾传质机理还没有深入的研究，甚至基本的研究也不多，而且混合制冷剂的传质过程并非是简单的单相传质，而是比较复杂的汽液两相之间的对流传质，致使对该现象的精确描述的难度大大增加。另外，在传质计算中需要的制冷剂的扩散系数及传质系数目前还没有合适的数据或经验关联式，同时受实验设备的限制不能进行有效的测量，这些都增加了模型研究的难度。鉴于目前的现状，本文只能对非共沸混合制冷剂在填料塔中的传质过程进行初步的研究。本文所做的主要工作如下: 1、对组成三元非共沸混合工质R 407C 的各个单质选择合适的公式进行热力性质计算，得到适合于热质传递模型计算的公式。 2、根据模型计算的需要，对R32/R125/R 134a 三元混合工质中各单质的迁移性质，包括导热系数、粘度和扩散系数，以及表面张力选择合适的公式进行计算。得到适合于热质传递模型计算的公式。 3、对组成调节装置中的分离器填料塔建立初步的热质传递模型，利用MATLAB软件编程，计算整个填料塔高度上沿程的组成变化以及温度分布，计算结果与实验数据及已有的MESH模型进行比较，验证模型的准确性。 4、改变填料型式的参数及进料的组成，并用热质传递模型计算，考察不同填料型式及不同的进料组成对分离效果的影响，分析上述参数在分离过程中的影响机理，为非共沸混合制冷剂在空调机中的应用提供理论依据。第二章 R407C中单质的热物理性质计算 1990年3月,国际能源组织(IEA)成立了18分支机构。到1998年6月为止不到10年的时间内，纯制冷剂（R32、R125、R134a）的研究工作取得了重大进展，制作了纯制冷剂的热力学性质数据库，完成了多种热力学状态方程式，并确定为国际状态方程式。另外，所确定的国际状态方程式都符合Helmholts函数，都是建立在汽液两相范围内的高精度状态方程式。这些热力学状态方程式为了表现流体全域，虽然采用了较复杂的函数形式，但这是为了与所有热力学性质有关的实测数据不相矛盾，具有相当高的可靠性。在传质过程的研究过程中，制冷剂热物性的计算是整个传质过程计算的基础，其准确性直接影响到了整个过程的计算精度，因此寻求合适且计算不太复杂的方法来求解R32、R125和R134a的热物理性质是研究的首要问题。制冷剂的热物理性质主要包括两类：一类是热力性质，常用的有压力、比容、温度、比焓、比熵、比热容等；另一类是迁移性质，常用的有粘度和导热系数。本章将分别介绍这两类热物理性质的计算方法。2.1 制冷剂热力性质的计算2.1.1 制冷剂基本物理量321990年公布了有关原子量的值，下面的基本物理量包括3种制冷剂的摩尔质量。为了正确表现制冷剂的热力学状态曲面，临界常数（临界温度、临界压力、临界密度）对于制作状态方程式中的各种热物性相关方程式以及推算对应状态原理中的热物性是个必要的基本物理量。有关R32、R125、R134a三种HFC系纯制冷剂的的基本物理量如下表2-1所示。表2-1 制冷剂基本物理量工质摩尔质量（kg/mol）正常沸点（）液体密度（kg/m3）20潜热（kJ/kg）1.013bar临界温度（）临界压力（kPa）临界密度（kg/m3）蒸气压20(bar)气体常量（J/kg.K）R3252.02-51.898039378.4578043014.74-R125120.02-48.1121916566.25361957212.169.3R134a102.03-26.51378216101.140515105.7281.492.1.2 压力的计算一、饱和蒸气压32饱和蒸气压是最基本的平衡物性之一，也是研究其他物性参数的基础。饱和蒸气压的计算在工程中非常重要，它可以由状态方程导出，但比较复杂，故工程上通常采用直接回归的饱和蒸气压方程。饱和蒸气压方程的形式很多，本文采用Wangner方程。Wangner通过函数优化的方法提出的4参数饱和蒸气压方程是同等精度下的最优式。Wangner方程的形式为 （2-1）式中因为没有具体的关于单质R32、R125、R134a在Wangner方程中的系数，因此对于R32、R125、R134a的饱和蒸气压，根据每个单质选用不同的计算公式。1、 1、 R32饱和蒸气压方程33至今已有多位学者测量过R32的饱和蒸气压，提供了从180K至临界温度的蒸气压测量数据，根据实验中使用的样品纯度，测量的不确定度及初步拟合的偏差情况，选择了5套蒸气压数据，拟合成如下三项的蒸气压方程： （2-2）式中，和为拟合常数，分别为7.232768，9.609696，20.851412、 2、 R125饱和蒸气压方程34采用Wangner蒸气压方程，由实验数据拟合成的蒸气压方程为： （2-3）式中、和为拟合常数，分别为-7.883336，1.537850，-2.972365，-3.492278R125的饱和蒸气压方程亦可以由下式表示35 （2-4）式中、和为拟合常数，分别为-7.435645，1.341794，-3.367536，-1.697153采用Wangner的饱和蒸气压方程式（2-3）的实验数据是在291337K范围内测量得到的，温度范围较小，不能完成适合于本文的温度范围，所以本文的饱和蒸气压计算选用式（2-4）。3、 3、 R134a饱和蒸气压方程36关于R134a的饱和蒸气压，选用如下计算公式： (2-5)式中： =24.8033988 =0.224521110-4=-0.3980408104 =0.1995548 -0.240533210-1 =0.374847310-3上式中最后一项是经验项，加上该项后，方程拟合得更好，且在接近临界点附近也有较好的效果。二、气相压力37针对HFC系制冷剂（R32,R125,R134a），制作了它们的维里（Virial）状态方程式。根据这种方程式，可计算出气相域中高可靠性的热力学性质之一压力。有关热力学性质的实测数据非常少，在低温域很难定出可信的第三维里系数值。因此Yokozeki等人根据Stockmayer的潜在模型（potential model），理论上导出了第3维里系数用以下公式表示，并对第3维里系数进行固定，然后将第2维里系数与以及音速实测值相关连。下面是维里状态方程式的函数形式。表2-2是针对各HFC系制冷剂决定的系数。 （2-6）式中表2-2 制冷剂在方程（2-6）中的系数R32R125R134ab1b2b3b41.0910010-1-1.0470410-1-2.6308110-22.031042.1348410-1-1.6295610-1-6.3703710-21.609091.7548810-1-2.2362510-1-2.5878610-22.15411c1c2c31.3823910-31.9322610-2-1.5586510-31.4634610-32.6134410-2-3.5336710-32.0871310-32.8157510-2-4.392910-33.2249.7702.9479.4643.1679.215Tc/K351.255339.165374.0832.1.3 理想气体状态的比热37根据球共鸣法等方法，采用HFC系制冷剂的理想气体状态的定压比热cp0,对稀薄气体的高精度音速进行测定已成为可能。另外，还可采用原来的频谱参数进行理论分析。Yokozeki等人通过理论计算、Sato等人通过实验，证明了在导入HFC系制冷剂的cp0的不确定值（误差）为0.2。方程式（2-7）是它的温度函数方程式，表3是方程式的系数。式（2-7）的有效温度范围为200500K。 （2-7）式中表2-3 方程式（2-7）的系数R32R125R134ac04.49713.06143.1610c1-2.898710.79818.7589c25.8251-1.21731.0384c3-1.74767-0.36795-1.18189Tc/K351.255339.165374.0832.1.4密度的计算对于HFC系纯制冷剂的密度的计算，包括饱和液体密度和饱和气体密度。一、一、饱和液体密度根据可靠性高的饱和液体密度实测数据，采用下面的函数形式导出饱和液体密度的相关方程式。 (2-8)式中根据R32、R125和R134a三种单质各自的具体情况分别得到一下各自的饱和液体密度方程式。