（制冷及低温工程专业论文）采用r32的房间空调器的理论与实验研究.pdf

m a s t e rd i s s e r t a t i o n t h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a ls t u d yo fr e f r i g e r a n tr 3 2o nr o o m a i r c o n d i t i o n e r s m a j o r ： s u p e r v i s o r ： p r o f e s s o rc a ox i a o l i n s u b m i t t e dt o t h ef a c u l t yo fc e n t r a ls o u t hu n i v e r s i t y i np a r t i a lf u l f i l l m e n tt h er e q u i r e m e n tf o rt h ed e g r e eo fm a s t e r m a y , 2 0 1 2 s c h o o lo fe n e r g ys c i e n c ea n de n g i n e e r i n g c e n t r a ls o u t hu n i v e r s i t y c h a n g s h a ，h u n a n ，p r c h i n a 原创性声明 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 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：立孟荔日期：兰! 三年月l 日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，l l p ：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 日期：丝 2 ：年上月乏 摘要 r 2 2 是常用的中低温制冷剂，广泛应用于家用空调中，但由于其 对大气臭氧层具有一定的破坏作用，已经确立淘汰。我国是家用空调 生产大国，随着人们对家用空调的需求持续增加和环保意识的增强， 要求替代r 2 2 的制冷剂能够综合对温室效应、臭氧层破坏、能耗及 经济性等方面的考虑，因此需要加快新型制冷剂的使用研究。 本文以采用制冷剂r 3 2 的空调器为研究对象，建立了制冷系统 数学模型，通过m a t l a b 软件及物性计算软件r e f p r o p 8 0 编程对数学模 型进行了数值计算，主要工作如下： 通过对不同候选工质物性的分析比较，提出使用r 3 2 的环保和 节能优势。在标准空调工况下对r 3 2 和r 2 2 的主要热力性质进行了 理论循环计算，从单位制冷量、单位容积制冷量、单位理论功及理论 制冷系数方面进行了分析比较，从理论上分析了使用r 3 2 替代r 2 2 的可行性。 针对采用r 3 2 的房间空调器制冷系统，建立压缩机、冷凝器、 毛细管以及蒸发器的稳态数学模型，并在此基础上最终建立了制冷系 统的整体数学模型。通过m a t l a b 软件及r e f p r o p 8 0 软件对数学模型进 行了仿真。 通过焓差实验测试平台在标准制冷工况下对r 3 2 与r 2 2 的性能 进行了实验测试，对实验测试及仿真结果进行了分析比较，验证了所 建立数学模型的正确性和使用r 3 2 替代r 2 2 的优势，从实验的角度 验证了使用r 3 2 替代r 2 2 的可行性，提出需要注意使用r 3 2 替代时 排气温度和排气压力比较高等问题。 对r 3 2 直接充灌使用于原r 4 1 0 a 空调器制冷系统中可能出现的 问题进行了研究分析，在尽量不影响r 3 2 热力性能的基础上从r 3 2 排气温度较高、润滑油与r 3 2 相容性、r 3 2 泄漏问题、r 3 2 弱可燃性 以及制冷系统部件匹配方面对使用r 3 2 的制冷系统提出了一些改进 措施。 最后对不足之处如实验测试及仿真结果误差产生的原因等进行 了分析，指出了r 3 2 在家用空调上实际应用的后续研究工作方向。 关键词传热；制冷剂；空调器；仿真 a bs t r a c t r e f r i g e r a n tr 2 2i sc o m m o n l yu s e di nh o u s e h o l da i rc o n d i t i o n e ra t l o wt e m p e r a t u r ea n dh a ss o m ed a m a g ee f f e c t so nt h eo z o n el a y e ro ft h e a t m o s p h e r e ，s oi th a sb e e ne s t a b l i s h e dt ob ee l i m i n a t e d t h ep r o d u c t i o n c a p a c i t yo fh o u s e h o l da i rc o n d i t i o n e ri sl a r g ei no u rc o u n t r y a l o n gw i t h t h ed e m a n do fp e o p l et h a tt h eh o u s e h o l da i rc o n d i t i o n e ri n c r e a s e d c o n t i n u o u s l ya n dt h ea w a r e n e s so fe n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o ne n h a n c e d ， 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 2i sr e q u i r e dt oc o n s i d e rt h a tt h e g r e e n h o u s ee f f e c t ，t h ed a m a g et ot h eo z o n el a y e r , e n e r g yc o n s u m p t i o n a n de c o n o m y s o ，t h e p a c et os p e e du ps o m er e s e a r c h e so ft h en e w r e f r i g e r a n ti sn e e d e d i nt h i sp a p e r , a st h eo b j e c to fr e s e a r c h ，t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fa i r c o n d i t i o n e rs y s t e mo fr e f r i g e r a n tr 3 2i se s t a b l i s h e da n dt h em a t h e m a t i c a l m o d e lo ft h en u m e r i c a lc a l c u l a t i o ni sp r o g r a m m e dt h r o u g ht h em a t l a b s o f t w a r ea n dr e f p r o p 8 0c a l c u l a t i o ns o f t w a r e t h em a i nw o r ko ft h i s p a p e ra r ea sf o l l o w s ： a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i sa n dc o m p a r i s o no np h y s i c a lp r o p e r t i e so f d i f f e r e n tc a n d i d a t e dr e f r i g e r a n t s ，i tp r o p o s e st h ea d v a n t a g e so fr 3 2a b o u t e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o na n de n e r g ys a v e d t h em a i nt h e r m o d ) i r n a m i c p r o p e r t i e s o fr 3 2a n dr 2 2w e r ec a l c u l a t e da tt h es t a n d a r da i r c o n d i t i o n i n gb yt h et h e o r yc i r c l e a n dw i t ht h eu n i tr e f r i g e r a t i o n ，t h e r e f r i g e r a t i o n o fu n i tv o l u m e ，t h eu n i tp o w e ra n dt h er e f r i g e r a t i o n c o e f f i c i e n to ft h et h e o r yc i r c l ea r ea n a l y z e da n dc o m p a r e d ，i ti sa n a l y s i s e d t h a tr 3 2i n s t e a d e do fr 2 2i sf e a s i b i l i t y a c c o r d i n g t ot h er 3 2r e f r i g e r a t i o n s y s t e m o ft h er o o ma i r c o n d i t i o n e r t h es t e a d ys t a t em a t h e m a t i c a lm o d e l o fc o m p r e s s o r , c o n d e n s e r , c a p i l l a r yt u b ea n de v a p o r a t o ra r ee s t a b l i s h e d o nt h i sb a s i s ， t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h ew h o l er e f r i g e r a t i o ns y s t e mi se s t a b l i s h e d f m a l l y t h r o u g h t h em a t l a bs o f t w a r ea n dr e f p r o p 8 0c a l c u l a t i o n s o f t w a r e ，t h ew h o l er e f r i g e r a t i o ns y s t e mi ss i m u l a t e d t h ep r o p e r t i e so fr 3 2a n dr 2 2a r et e s t e dt h r o u g ht h et e s tp l a t f o r m o fe n t h a l p yd i f f e r e n c ei nt h es t a n d a r dc o o l i n gc o n d i t i o n s t h ee x p e r i m e n t a n ds i m u l a t i o nr e s u l t sa r ea n a l y z e da n dc o m p a r e d ，t h e nt h ev a l i d i t yo ft h e m a t h e m a t i c a lm o d e li sv e r i f i e da n dt h ea d v a n t a g eo fu s i n gr 3 2i n s t e a do f r 2 2 f r o mt h ep o i n to fv i e wo fe x p e r i m e n t ，t h ef e a s i b i l i t yo fu s i n gr 3 2 i n s t e a do fr 2 2i sv a l i d a t e da n dp u tf o r w a r dt op a ys o m ea t t e n t i o n so nt h e e x h a u s tg a st e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r eh i g h e rw h e nu s i n g t h er 3 2 a l t e r n a t i v e t h i sr e s e a r c ha n a l y z e dp r o b l e m so fr 41o aa i rc o n d i t i o n e rc o o l i n g s y s t e md i r e c t l yf i l l e dw i t hr 3 2 ，a n dm a d es o m ei m p r o v e m e n t sa c c o r d i n g t o 也eh i g he x h a u s tt e m p e r a t u r e ，c o m p a t i b i l i t yo fr 3 2a n dl u b r i c a n t ， l e a k a g e ，f l a m m a b i l i t ya n ds y s t e mc o m p o n e n t s m a t h i n go nt h e b a s i so f l i t t l ep e r f o r m a n c ei n f l u e n c e f i n a l l y ，s o m er e a s o n so fi n a d e q u a c i e ss u c ha st h es i m u l a t i o ne r r o r h a v eb e e na n a l y z e d ，a n df o l l o w u pr e s e a r c hd i r e c t i o no ft h ep r a c t i c a l a p p l i c a t i o na b o u tr 3 2i nh o m ea i rc o n d i t i o n e ra r e aa l s oh a sb e e np o i n t e d o u t k e yw o r d s c o n d u c th e a t ；r e f r i g e r a n t ；a i rc o n d i t i o n e r ；e n e r g ys a v i n g l 目录 第一章绪论1 1 1 研究背景及意义1 1 2 制冷剂发展历程1 1 2 1 第一阶段( 18 3 卜1 9 3 0 年) 1 1 2 2 第二阶段( 1 9 3l 1 9 9 0 年) 1 1 2 3 第三阶段( 1 9 9 l 至今) 2 1 3 制冷剂的选取原则一2 1 4 国内外研究现状3 1 5 主要研究内容6 第二章采用r 3 2 的理论制冷循环分析7 2 1 制冷剂的选取一7 2 1 1 房间空调器常用制冷剂的物性特点7 2 1 2r 3 2 的物性特点8 2 2 理论循环计算8 2 2 1 理论循环计算的简化条件8 2 2 2 理论循环计算过程9 2 3 本章小结1 2 第三章采用r 3 2 的房间空调器的实验研究1 3 3 1 实验目的1 3 3 2 空调器试验平台简介1 3 3 3 空调器试验平台测试原理1 5 3 4 实验结果分析与讨论17 3 5 本章小结2 0 第四章采用1 t 3 2 的房间空调器的制冷系统仿真2 l 4 1 压缩机数学模型2l 4 1 1 压缩机输气量2 1 4 1 2 压缩机效率2 3 4 1 3 压缩机仿真计算一2 4 4 2 冷凝器数学模型2 5 4 2 1 冷凝器换热计算简化条件2 5 4 2 2 冷凝器计算方法及微元段选取2 6 i v 4 2 3 冷凝器计算过程2 6 4 3 蒸发器数学模型3 2 4 3 1 蒸发器换热计算简化条件3 2 4 3 2 蒸发器计算方法及微元段选取3 3 4 3 3 蒸发器计算过程一3 3 4 4 毛细管数学模型3 7 4 4 1 毛细管换热计算简化条件3 7 4 4 2 毛细管计算过程一3 8 4 5 系统仿真模型4 2 4 6 仿真结果与实验结果对比4 3 4 7 计算仿真结果分析与讨论4 6 4 8 本章小结5 0 第五章r 3 2 应用于房间空调器的改进措施5 2 5 1 排气温度和排气压力5 2 5 2 润滑油5 2 5 3 泄漏5 3 5 4 弱可燃性5 4 5 5 系统部件的匹配5 4 5 6 本章小结5 6 第六章结论5 8 6 1 结j 淦一5 8 6 2 不足5 8 6 3 展望5 9 参考文献6 0 致 射一6 6 攻读硕士学位期间主要研究成果一6 8 v 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 制冷剂是在空调制冷系统中流动并完成能量传递和转换的工作工质。目前， 以h c f c s 类制冷剂为主，中国是世界上最大的r 2 2 生产国和使用国。而h c f c s 类制冷剂一般都含有氯离子会破环臭氧层并产生温室效应【1 】，我国早在2 0 0 2 年 南非约翰内斯堡世界峰会【2 】上签署了京都议定书，基于全球环境保护问题， 此类制冷剂只能作为过渡工质使用。随着我国国民经济快速发展和人民生活水平 的提高，家用空调在人们日常生活中已经非常普及，城镇用电量不断增加，尤其 是在夏季和冬季，家用空调处于使用最高峰，电力经常供不应求，国家用于发电 费用消耗巨大，因此，节能环保和经济性也是开发新型制冷剂的方向之一。 根据蒙特利尔议定书 3 】的规定，我国最迟须在2 0 3 0 年停止使用h c f c 。 r 2 2 对环境具有破坏作用，作为空调生产大国，我国2 0 1 0 年空调产量已达8 1 8 0 万台，若应议定书要求完成r 2 2 制冷剂的替换任务，将对世界环境的保护起到 积极的推动作用。同时对于如今发展能源可持续发展战略的中国，空调所消耗的 大量能源也开始引起人们的密切关注，中国电监会的一项调查显示，夏天高温引 起的电量供需矛盾造成全国大部分省市电力吃紧，其中空调制冷负荷猛增是不可 忽视的因素，而电能的产生要消耗大量的化石燃料，如煤、石油等，不但造成大 量不可再生能源的消耗，而且燃烧产物如c 0 2 等还会引起温室效应等环境问题。 因此，对新型制冷剂的研究不仅可以降低对环境的破坏还能减少空调设备的能耗 h - s o 1 2 制冷剂发展历程 1 2 1 第一阶段( 1 8 3 0 一1 9 3 0 年) 从人类懂得利用天然冰块人- r n 冷开始，由于社会的发展，人们开始大胆尝 试人工制冷，1 8 3 4 年美国人j a c o bp e r k i n s 发明了世界上第一台制冷机，采用的 制冷剂是乙醚。当时选取制冷剂的原则只是能制冷即可，使用的制冷剂大多数是 醚类、c 0 2 、n h 3 、s 0 2 、甲酸甲酯、h c s 、i - 1 2 0 、c c l 4 、c h c s 、空气等，这 些制冷剂有些有毒，有些可燃，还有些有强烈的腐蚀性和不稳定性，在使用工程 中稍不慎便会发生事故9 1 0 】。 1 2 2 第二阶段( 1 9 3 1 1 9 9 0 年) 由于人们对人工制冷的需求量持续增长，原来的制冷剂在性能和安全等方面 1 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 已经不能满足制冷工业技术的要求。制冷剂的选取以安全及耐久性为主要原则， 卤代烃类成为当时的制冷剂主流。 分子中的氢原子被卤素原子( 氟、氯、溴等) 取代后的化合物称为卤代烃， 将这类卤代烃作为制冷剂使用在1 9 3 0 年由t h o m e sm i d g l e y 爵士和他的助手在 亚特兰大举行的美国化学会年会上首先提出【1 1 】，制冷工业上常用的卤代烃制冷剂 分为氯氟烃( c f c s ) 、氢氯氟烃( h c f c s ) 和氢氟烃( h f c s ) 三类，主要代表 为r 1 2 ( 1 9 3 2 ) 、r 1 1 4 ( 1 9 3 3 ) 、r 1 1 3 ( 1 9 3 4 ) 、r 2 2 ( 1 9 3 6 ) 、r 1 3 ( 1 9 4 5 ) 、r 1 4 ( 1 9 5 5 ) 【1 2 】，这些制冷剂以其热力性质优良、安全、高效受到高度重视应用并 带领制冷行业走向了发展的黄金阶段。 至此，除了氨由于其优良的热力性能、价格低廉和容易获得性在大型冷库系 统中还占据着相当重要的地位外，卤代烃类制冷剂在人们日常生活中已经获得广 泛的应用，由于氨具有毒性和刺鼻的气味使得氨的应用范围逐渐缩小，r 2 2 也已 经逐渐取代氨的地位。同时，一些混合物制冷剂由于在某些性质方面优于单一制 冷剂，也开始走进制冷剂研究领域。 1 2 3 第三阶段( 1 9 9 1 至今) 随着能源的高消耗、c f c s 和h c f c s 对大气臭氧层的破坏以及其产生的温室 效应逐渐被人们所认识，高效节能和绿色环保已经成为新型制冷剂研究方向。早 在1 9 7 4 年，m o l i n a 和r o w l a n d 在自然杂志上发表论文指出氯氟烃类物质对 大气臭氧层有破坏作用 1 3 1 ，随着蒙特利尔议定书、联合国气候变化框架 公约【1 4 1 以及京都议定书 1 5 1 等各式对制冷剂研究的规定政策出台，制冷剂 替代的研究已经成为制冷行业最为迫切的任务，而在第一阶段使用的天然制冷剂 由于对环境几乎没有任何破坏也重新获得了重视和评估，尤其是c 0 2 、水，空气 等受到特别的关注。 1 3 制冷剂选取原则 制冷剂选取的主要原则如下： ( 1 ) 对臭氧层的破坏潜能：大气中的氧分子吸收太阳光的紫外线分解成单 独的氧原子，氧原子一部分与其余氧分子结合生成臭氧分子，一部分与氧原子再 度结合生成氧分子，从而维持臭氧层的动态平衡，而紫外线会使地球上的生物免 疫力降低，对生物的生命造成威胁，因此，臭氧层维持动态平衡的化学反应中吸 收了太阳光中9 9 以上的紫外线，形成了地球的保护伞。常用的制冷剂一般含有 氟、氯等能够与臭氧分子发生化学反应的原子，生成物为含氟、氯等的化合物和 氧气，臭氧层不断被消耗，失去了保护伞功能，因此，应该选取对臭氧层的破坏 潜能最小的工质为常用制冷剂。 2 中南大学硕士学位论文第一章绪论 ( 2 ) 大气寿命：制冷剂的大气寿命值已经成为评判温室气体导致的全球气 候变暖程度的一项指标 16 1 ，常用的制冷剂化学性质较为稳定，在大气中存在的 寿命比较长，尤其在低层大气中几乎不会发生分解，而地球上9 0 以上的臭氧层 分布在距地面2 5 k m 的平流层，因此能够到达臭氧层与之发生化学反应，消耗臭 氧层，因此，应该选取大气寿命短的工质为常用制冷剂。 ( 3 ) 安全性：安全性包括可燃性和毒性，制冷剂通常为卤代物，氢原子含 量较高时制冷剂的可燃性增加，大气寿命及温室效应减小；氟原子含量较高时制 冷剂的大气寿命及温室效应增加，毒性及可燃性降低；氯原子或溴原子含量较高 时毒性降低，温室效应及可燃性增加。因此，应该按照各种组成权衡利弊选取安 全性最好的工质为常用制冷剂。 ( 4 ) 相容性：制冷剂应用于制冷设备发挥制冷效用，而制冷设备材质一般 为金属或合金，因而要求制冷剂对设备材料不具腐蚀作用，以防造成设备损毁及 有害气体的泄漏。同时，设备运行时需润滑油防止机械磨损，因此，所选择的制 冷剂工质应与设备材质和润滑油具有相容性。 ( 5 ) 物理性能：制冷剂的传热性和流动性是其作为制冷工质的主要物理性 能凭据，传热性能好才能使制冷设备以最小的经济损耗达到最大的制冷效益，同 时，流动性也极大地影响了工质循环的效率。因此，应该选取传热性能和流动性 能好的工质为常用制冷剂。 ( 6 ) 电气性能：制冷剂的电气性能对常用的封闭式压缩机有一定的影响， 因此，应该选取具有高介电常数和较低导电率的工质为常用制冷剂。德国m e u r e r c 和p i e t s c hg 等人对一般制冷剂r 4 1 0 a ，r 4 0 7 c 等在制冷系统工况下进行了电 气性能影响实验研究，研究表明制冷剂电气性能与温度、压力存在一定的函数关 系，提出了制冷剂电阻值与含水量之间的关系式【l7 1 。 ( 7 ) 经济性：经济性包括可获得性和价格低廉，随着科技的发展，对制冷 剂要求越高，制冷剂工艺复杂程度相应提高，成本增加，价格上升，相同原料而 产量随之减少，可获得性降低。因此，需要在对制冷剂的使用要求与可获得性， 价格方面适度平衡，应该选取在达到使用要求的基础上经济性比较高的工质为常 用制冷剂。 除了以上制冷剂的主要选取原则外，一些制冷剂使用时具有光雾效应，会引 发新的环境问题，更值得注意的是随着制冷剂的更新替代速度加快，为了更平稳 的实现制冷剂替代工质的过渡，尽可能实现工质的直接灌注式替代，即在不用对 原有条件下的设备做太大改动的基础上直接使用替代工质，与原来的制冷剂性能 方面相匹配或者性能更好。 1 4 国内外研究现状 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 二十世纪之前人们多用冷却塔来抵抗夏季的酷热，直n - - 十世纪中叶，由于 美国地区大部分陷入干旱，为了解决干旱天气所带来的人体不适，美国发明了世 界上第一台商用空调，即小型风冷式冷水机。1 9 9 5 年，y o r k 公司将此小型风冷 式冷水机改进，推出了阳光系列家用空调，家用空调在人们的日常生活中普及。 随着人们生活水平的提高，家用空调经历了从分体壁挂式演变到变频空调以及 v r v 空调系统的漫长发展过程，现如今使用最普遍的仍然是分体壁挂式空调， 同时，柜机和窗机将会成为未来家用空调的主流之一。 用于制冷空调设备的工质可同分为自然工质和人工合成工质，自然工质是指 非人力制造的自然物质，而人工合成工质则是指通过人力化学手段合成的可用于 制冷系统的化合物，目前大多数制冷系统采用的都是人工合成工质，其中以氟氯 最为常见，但该类人工合成工质所带来的环境破坏已逐渐体现，产生的破坏作用 已不容人们忽视。 臭氧层破坏和温室效应一直是环境问题的主要热点，氟氯昂广泛应用于制冷 行业尤其在家用制冷业中几乎占据全部。同时鉴于国家能源消耗日益增加，必须 走可持续发展道路【l 引，也要求能源利用高效率性。寻求绿色节能环保制冷剂成 为新型制冷剂研究方向。对于制冷剂替代，国际上主要有两种不同的技术路线， 一是以美、日为代表，支持开发氢氟烃( i - i r c s ) 类制冷剂替代物；二是以德国及北 欧一些国家为代表，主张采用天然工质为制冷剂替代物。 家用制冷主要有空调、冰箱和冷柜三种，所使用的制冷剂一般为氟利昂，氟 利昂是1 9 2 9 年由美国通用公司所研制的一系列饱和烃类的卤代烃化合物总称 【19 1 。由于氟利昂优良的热力性质和稳定的化学性质得到普遍使用，氟利昂挥发 到大气层的分解非常缓慢，在平流层里受到紫外线的照射分解出游离的氯离子与 臭氧层中的臭氧分子发生催化反应，使得臭氧分子分解和臭氧层变薄变稀，越来 越多的紫外线直接到达地球表面，地球上的生物生存环境受到极大破坏 4 】。同时， 氟利昂氧化分解中会释放大量的的温室气体，如c 0 2 等，进一步造成了地球的 温室效应，因此国际上限制氟利昂的使用期限越来越短。 由于家用制冷技术等各方面的限制，制冷剂应该逐级替代，最终用自然工质 代替人工合成工质。候选的替代工质应该具备热力性质良好、o d p ( 消耗臭氧潜 能值) 为零且g w r ( 全球变暖潜能值) 较低、安全性好( 无毒不可燃) 、价格低 廉可获得性强等优点。目前大部分人工合成工质与原有工质所使用的润滑油不相 容，甚至如果要达到原来的制冷效果，直接替换工质必须对原来的制冷装置进行 改造，比如h f c s 类制冷剂r 4 1 0 a 与矿物油不能相容，需要使用脂类p o e 冷冻 油，而且r 4 1 0 a 系统运行压力很高，直接导致需要对原系统部件和管路进行耐 压设计。人工合成工质研究进展和现状可由表1 1 t 5 所示： 4 中南大学硕士学位论文第一章绪论 家用和楼宇空调系统 大型离心式冷水机组 低温冷冻冷藏机组和冷库 h c f c 2 2 p c f c 1 l c f c - 1 2 ，r 5 0 0 h c f c 2 2 c f c 1 2 r 5 0 2 ，h c f c - 2 2 n h 3 冰箱冷柜、汽车空调c f c 1 2 h f c 混合制冷剂 h c f c 1 2 3 h f c 1 3 4 a h f c 混合制冷剂 h f c 1 3 4 a h f c 或h c f c 混合制冷 剂，h c f c 2 2 n h 3 h f c 1 3 4 a h c s 及其混合物制冷剂 h c f c 混合制冷剂 从表中我们可以看出，h f c 类制冷剂作为过渡物质逐渐被新的制冷剂所替 代。随着人们对环保意识的提高和对能源可持续发展的要求，天然制冷工质由于 对地球环境没有任何破坏且容易循环利用，可获得性高的优点而再次受到制冷行 业的青睐。目前被列为候选制冷剂的有：n h 3 、水、c 0 2 、r 2 9 0 等氢化合物，这 些天然制冷剂在热力性能方面能达到一般制冷需求，但也有其缺点。n h 3 易挥发 且具有很大的毒性和腐蚀性，一旦系统发生泄露，对人体会造成不同程度的伤害， 严重者会使人窒息导致生命危险，使用n h 3 制冷剂的制冷系统材料必须与n h 3 有相容性以及n h 3 的油溶性尚待商榷，需要对整个系统加以改进，在经济可行 性的问题上找到个平衡点。水是人类初始用来降温的制冷物质，热交换能力比低 温制冷剂差很多，冰点为0 。c ，除了一般对制冷性能要求很低而对空气的湿度比 较高的场合，不能满足制冷行业低温领域的要求。l o r e n t z e n 于1 9 9 2 年率先证明 了采用c 0 2 跨临界循环方式的可行性，c 0 2 制冷剂已经应用在汽车空调和热泵领 域【8 1 ，以c 0 2 为制冷剂的制冷系统运行压力甚至高于r 4 1 0 a ，对设备材料耐压性 要求很高，因此还在进一步研究解决中，目前大型空调还没有普及使用。r 2 9 0 等氢化合物易爆易燃，一旦泄漏会引起爆炸及火灾，要求充灌量小的同时能达到 相同的制冷效果，其制冷装置设备必须远离人群。张龙、刘煜从理论上验证了 r 3 2 的环保性、循环性能和安全性，r 3 2 满足普通房间空调器的的使用且环保性 优于常用制冷剂【2 0 】。浙江大学的韩晓红等进行了r 3 2 的循环性能实验研究，结 果表明相同工况下，r 3 2 制冷系统耗功比r 4 1 0 a 制冷系统略高，排气温度较高， 制冷量及c o p 几乎与r 4 1 0 a 相同 2 1 1 。史琳、朱明善对r 3 2 的减排效果和r 3 2 制冷系统最大充灌量等进行了实验和理论分析，认为r 3 2 兼具了节能减排及安 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 全经济等方面的优势，是很有前景的替代r 2 2 的长期制冷剂 2 2 】。第五届中国制 冷空调行业信息大会暨推进h c f c s 加速淘汰国际论坛上，矢岛、龙三郎等提出 了降低r 3 2 制冷系统排气温度的一些措施【2 3 】。 1 5 主要研究内容 ( 1 ) 利用制冷剂物性计算软件r e f p r o p8 o 2 4 】计算r 3 2 与常用制冷剂r 2 2 的 理论循环热力性质，从理论性能方面比较各制冷剂的优劣。 ( 2 ) 介绍工质替代试验平台原理和试验方法，对r 2 2 和r 3 2 制冷剂进行实 验研究。 ( 3 ) 建立空调四大部件压缩机、冷凝器、蒸发器和毛细管数学模型，利用 m a t l a b 软件及物性计算软件r e f p r o p8 0 编程对各数学模型计算得出仿真结果，对 r 3 2 与r 2 2 制冷剂仿真结果进行分析，将仿真结果与实验值比较，判断制冷剂性 能优劣。 ( 4 ) 对工质替代试验和制冷系统数值仿真计算的影响因素进行了分析，对 r 3 2 制冷系统的不足之处提供了良好建议。 ( 5 ) 在验证了r 3 2 替代优势的基础上提出了纯质替代的可行性和重大意义， 对未来新型制冷剂的研究方法和研究方向具有指导意义。 6 中南大学硕士学位论文 第二章采用r 3 2 的理论制冷循环分析 第二章采用r 3 2 的理论制冷循环分析 2 1 制冷剂的选取 2 1 1 房间空调器常用制冷剂的物性特点 房间空调器是家用空调中的一种，即在房间内使用的空调，房间空调器大部 分在夏天用来制冷降温，少数在偏冷的地区用来冬季供热取暖，一般以分体式居 多，使用工况一般为室温或者低温，对制冷剂是否能够达到极低制冷温度或者极 高供热温度并无要求，只要达到人体舒适的温度即可，因此，房间空调器的制冷 剂选取通常以环境影响和经济性为主要条件。美国制冷空调协会技术委员会测试 了多种r 2 2 潜在的替代工质【25 | ，现今常用的房间空调制冷剂为r 2 2 、r 4 1 0 a 、 r 1 6 1 、r 2 9 0 等，其中r 4 1 0 a 由r 3 2 r 1 2 5 两种工质按质量1 ：1 组成的近共沸混 合工质【26 | ，其余则是纯工质。这些常用的制冷剂仅作为过渡的制冷剂，仍然在 房间空调行业拥有绝大部分的市场，各工质的物性特点如下： ( 1 ) r 2 2 ：h c f c 。类制冷剂，毒性微弱，不可燃，大气寿命为1 1 9 年，o d p 值为0 0 3 4 ，g w p 值为1 7 0 0 2 7 】，r 2 2 对臭氧层破坏比较大。我国目前6 0 以上 的制冷空调设备中使用的制冷剂是r 2 , 2 2 8 1 ，由于r 2 2 的排气压力高，与r 2 2 相 匹配的压缩机的回油较为困难，承压能力也比同类制冷系统要高，经常造成压缩 机故障而影响制冷系统的正常运行，因此r 2 2 已经确立为即将淘汰的制冷剂之 一【2 9 】o ( 2 ) r 4 1 0 a ：h f c 。类制冷剂，毒性微弱，不可燃，由于其含有较多的氢原 子，与对流层中的o h 游离基结合，大气寿命较斜3 0 】，o d p 值为0 ，对臭氧层几 乎没有破坏作用，g w p 值较高为1 7 3 0 ，对环境仍然有一定的影响。由于r 4 i o a 的滑移温度小于0 0 4 。c 3 1 】可视为近共沸混合制冷剂，即忽略使用过程中存在的 组分迁移导致换热性能差的因素【3 2 1 。r 4 1 0 a 的动力粘度较小，流动过程损失的 能量很小，因此一般r 4 1 0 a 制冷系统效率要比r 2 2 高【3 3 - 3 4 1 ，但其运行压力很高， 比r 2 2 高了将近一半，r 4 1 0 a 制冷系统必须进行耐压设计 3 5 1 ，同时，矿物油是 一般制冷系统常用润滑油，而r 4 1 0 a 不溶于矿物油，与酯类油互溶，因此，如 果使用新型制冷剂替代r 4 1 0 a ，原来的制冷系统必须全部改进【3 6 j ，成本随之提 高。此外，r 4 1 0 a 已经获得知识产权，我国在r 4 1 0 a 的生产和使用上受到限制， 因此，r 4 1 0 a 仅能作为过渡工质。 ( 3 ) r 1 6 1 ：环保类制冷剂，有毒，可燃，o d p 值为0 ，g w p 值为1 0 ，大 气寿命为0 3 年，几乎不会对环境造成影响。r 1 6 1 溶于矿物油，传热性能与r 2 2 7 中南大学硕士学位论文 第二章采用r 3 2 的理论制冷循环分析 非常相近，在国外并没有专利权，我国也可以自主生产研发，不受知识产权限制。 在高温工况下r 1 6 1 制冷系统比较稳定，r 1 6 1 的热分解温度达到6 8 4 k - - 7 3 9 k i j 川， 但r 1 6 1 制冷系统的压力较低，也不能直接将r 1 6 1 直接替代r 2 2 使用于技术成 熟的r 2 2 制冷系统。同时，由于r 1 6 1 可燃性较高，高温情况下一旦泄漏与空气 混合能引起爆炸的危险，因此，r 1 6 1 仅能作为过渡工质之一。 ( 4 ) r 2 9 0 ：即丙烷，天然碳氢制冷剂，毒性微弱，不含有破坏臭氧层的氟、 氯等原子，也不会产生温室效应，但其光雾效应值很高，会引发新的环境问题。 r 2 9 0 可以很方便地从石油和天然气中提炼，没有知识产权，成本很低，分子量 较小，也可以直接充灌于r 2 2 制冷系统中使用，相同制冷效率下r 2 9 0 的充灌量 比r 2 2 要少将近一半，但r 2 9 0 制冷系统需要使用黏度更高的润滑油，因此系统 机械损耗会增大，效率与r 2 2 比较低 3 8 - 4 2 。r 2 9 0 最大的缺点就是易燃易爆，在 空气中的燃烧极限为z 2 9 。5 ，需要做好必要的防可燃防爆的措施及安装相应 的设备，增加了r 2 9 0 制冷系统的成本【4 3 1 ，因此，r 2 9 0 替代普遍广泛使用的制 冷剂仍然值得商榷1 。 2 1 2r 3 2 的物性特点 r 3 2 属于h f c 类制冷剂，大气寿命为5 年，o d p 值为0 ，g w p 值较低为5 8 0 ， 无毒，弱可燃性，在空气中的燃烧极限为1 3 6 3 2 2 ，是已发现的替代r 2 2 制 冷剂的可燃性工质中可燃性最低的，几乎可视为不可燃【4 5 】，只有r 3 2 制冷系统 发生泄漏，在空气中浓度达到一定范围才会燃烧，而r 3 2 制冷系统一般都是非 常封闭地运行很难发生泄漏，因此即使r 3 2 具有微可燃性也不会禁止使用。一 般r 3 2 的排气温度和压力较高，可以直接充灌用于r 4 1 0 a 制冷系统，能效比高 于r 4 1 0 a 1 4 6 1 ，相同制冷效率下充灌量仅为原r 4 1 0 a 充灌量的7 0 左右。相对于 高温工况，r 3 2 更适合在低温工况下应用，能够满足家用空调的需求，因此一般 考虑作为家用房间空调器制冷剂的替代。同时，从经济性角度考虑，r 3 2 可获得 性高，价格便宜，国内工厂可以直接大量生产或者对已经成熟的r 2 2 生产工艺 稍微改进一下就可以转为生产r 3 2 ，有利于推动新型制冷剂替代历程。 2 2 理论循环计算 2 2 1 理论循环计算的简化条件 理论热力循环是实际循环的基础，由于理论热力循环与实际热力循环存在一 定的差异，为了使理论计算简便及计算结果有较大的通用性，在做理论计算之前 应该做些适当的假设性条件。假设如下【4 7 】： ( 1 ) 忽略换热器中的压降，即蒸发压力等于压缩机的进口压力，压缩机的 8 中南大学硕士学位论文 第二章采用r 3 2 的理论制冷循环分析 排气压力等于冷凝压力。 ( 2 ) 热力膨胀阀节流过程