（制冷及低温工程专业论文）替代制冷剂r407c在冷水机组中的应用研究.pdf

摘要 摘要 题名：替代制冷剂r 4 0 7 c 在冷水机组中的应用研究 姓名：杨辰 导师：陈九法 学校：东南大学 正文： 出于保护大气臭氧层的需要，传统的h c f c 类制冷剂r 2 2 等已经或者即将停止使用， 在制冷空调领域，对于新型环保制冷剂的研究正在兴起。其中，非共沸混台制冷剂r 4 0 7 c 以其优良的热力性能，成为r 2 2 最有可能的替代品之一。现有的针对r 4 0 7 c 的研究并不成 熟，很多人对r 4 0 7 c 的特性并不了解，本文研究了r 4 0 7 c 的热力性能，并在此基础上对一 台r 4 0 7 c 制冷机组进行了模拟仿真，计算碍到该机组的运行参数和机组内制冷剂的循环组 分浓度。主要内容如下： ( 1 ) 为了得到详细的r 4 0 7 c 热物性参数。编制了基于r k s 方程的制冷剂热物性参数计 算程序，能够精确计算r 4 0 7 c 在各个状态下的饱和温度，饱和压力，焓，熵，比容等参数。 ( 2 ) 建立了冷水机组中冷凝器，蒸发器，压缩机和节流阀等部件的热力学模型，完成了 各个部件和整个冷水机组的模拟计算，得到了机组稳定运行时的蒸发压力，冷凝压力，压缩 机进出口状态等重要参数。 ( 3 ) 针对r 4 0 7 c 等非共沸混合物独有的组分迁移现象，在系统稳定运行工况下，利用空 泡系数模型计算了蒸发器内部的制冷剂各组分质量以及浓度，提出了管壳式冷凝器( 制冷剂 在壳程流动) 的帝4 冷剂质量汁算模型，进而计算了冷凝器内部的制冷剂各组分质量以及浓度， 并估算了其他部件中的制冷剂各组分的质量和浓度，最终求得机组中制冷剂的循环浓度。 本文结合工程实际，在制冷剂性质计算，换热器计算，制冷剂质量浓度计算方面均提出 了一些新的想法并得到了较好的结果，对工程实际应用具有一定的指导价值。 关键词：r 4 0 7 c ，非共沸混合制冷剂，r k s 方程，系统模拟，空泡系数，组分迁移 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t t i t l e ：t h ea p p l i c a t i o nr e s e a r c hf o rt h es u b s t i t u t er e f r i g e r a n tr 4 0 7 ci nac h i l l e d - w a t e r - p l a n t n a l l l e ： s u p e r v i s o r ： s c h o o l ：s o u t h e a s tu n i v e r s i t y r e x t m e a s u r e sf o rt h ep r o t e c t i o no f 吐l es t r a t o s p h e r i co z o n el a y e rh a v el e dt ot h ep h a s e o u to fa l l c h l o r i n a t e dc o m p o u n d si n c l u d i n gh y d r o c h l o r o f l u o r o c a r b o n s ( h c f c s ) c h l o r i n e - f r e ec o m p o u n d s ， s u c ha sh y d r o f i u o r o c a r b o n s ( h f c s ) a n dt h e i rm i x t u r e s ，h a v eb e e np r o p o s e da ss u b s t i t u t e sf o r h c f c s r 2 2h a sb e e nw i d e l yr e p l a c e db yz e o t r o p i cr e f r i g e r a n tm i x t u r e sl i k er 4 0 7 c t h e s p e c i a l t h e r m a lc h a r a c t e r i s t i c so fr 4 0 7 ca r es t u d i e da n da v a p o rc o m p r e s s i n g r e f r i g e r a t i n gp l a n tu s i n gr 4 0 7 ci ss i m u l a t e di nt h i sp a p e r ( 1 ) t og e td e t a i l e dt h e r m a lp a r a m e t e r so fr 4 0 7 c ，p r o g r a m sb a s e do nt h ef a m o u sr k s e q u a t i o na r e m a d e t h ep r o g r a m sc a ne x a c t l yc a l c u l a t et h e p a r a m e t e r ss u c ha s s a t u r a t i o n t e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r e ，e n t h a l p y ，e n t r o p y ，s p e c i f i cv o l u m e ，e t c ( 2 ) t h e r m a lm o d e l so fc o n d e n s e r , e v a p o r a t o r ，c o m p r e s s o r , e x p a n s i o nv a l v ea n dt h ew h o l e p l a n ta r ed e v e l o p e di n t h i sp a p e r s i m u l a t i o nc a l c u l a t i o n sa r ec o m p l e t e da n ds o m ei m p o r t a n t o p e r a t i n gp a r a m e t e r s ，s u c ha sc o n d e n s i n gp r e s s u r e ，e v a p o r a t i n gp r e s s u r e ，i n l e ta n do u t l e t c o n d i t i o n so fc o m p r e s s o ra r ec o n f i r m e d ( 3 ) a st h ep h e n o m e n o no fc o n c e n t r a t i o ns h i f tw o u l do c c u ri nt h er e f r i g e r a t i n gp l a n t ，t h e q u a n t i t i e sa n dt h ec o n c e n t r a t i o n so ft h et h r e ec o m p o n e n t so ft h er e 衔g e r a n ta r ec a l c u l a t e di n 血i s p a p e r t h ec o n c e p to fv o i df r a c t i o ni si n t r o d u c e dw h e nc a l c u l a t i o n si nt h ee v a p o r a t o ra r em a d e a n e w l yd e v e l o p e dm o d e li s b u i l tt oc a l c u l a t et h ec o n d i t i o n si nt h ec o n d e n s e r q u a n t i t i e sa n d c o n c e n t r a t i o n so ft h er e f r i g e r a n ti no t h e rp a r t so ft h ep l a n ta r ee s t i m a t e d a tl a s t ，t h ec i r c u l a t i o n c o n c e n t r a t i o n sa r ec a l c u l a t e d s o m en e wi d e a si nt l ea r e a so fc a l c u l a t i o n so ft h e r m a lp a r a m e t e r so ft 1 1 em i x t u r er e f r i g e r a n t a n dc i r c u l a t i o nc o n c e n t r a t i o n si nt h er e f r i g e r a t i n gp l a n tu s i n gr 4 0 7 ca r ep r o p o s e di nt h i sp a p e l k e yw o r d s ：z e o t r o p i c ，m i x t u r er e f r i g e r a n t ，r k se q u a t i o n ，s i m u l a t i o no ft h ep l a n t ，c o n c e n t r a t i o n s h i f t ，v o i df r a c t i o n ， i i 主要符号表 物理量 a 一换热面积，m 2 岛一水的比热容，j ( k g k ) d 一直径。m d 一直径，m 一扩散系数，m 2 s f 一逸度，p a g 一自由能，j g 一重力加速度，m s 2 h 一换热系数，w ( m 2 k ) 一焓，j k g k 一导热系数，w ( m k ) l 一特征长度，m 廊一质量流量，k g s m 一质量，虹 p 一压力，p a p c 一临界压力，p a q 一换热量，k w q 一质量流量，k e s 一热流量，w m 2 r 一气体常数，j ( k g k ) s 一熵，j ( k g k ) t 一温度，k t c 一临界温度，k u 一内能，j 一速率，m s v 一比容，k g m 3 w 一功率，k w x 一马蒂内利参数 一蒸汽干度 z 一压缩系数 r e 一雷诺数 p r 一普朗特数 n u 一努塞尔德数 主要符号表 v f f 一弗鲁特数 瑾一气泡生成率，m s 一换热系数，w ( m 2 k ) 一空泡系数 口一蒸汽干度 订一压缩机指示效率 6 一液膜厚度，m 一动力粘度，p a s 一化学势能，j 一分子量，g m o l 妒一逸度系数 a 一导热系数，w ( m 酗 p 一密度，k m 3 下标 l 一液相 v 汽相 d e w 一露点 h u b 一泡点 2 p h 一两相区 s u p 一过热区 s u b 一过冷区 e v p 一蒸发器 c o i l 一冷凝器 c o m p 一压缩机 w 一水侧 f e f 一制冷剂侧 w a l l 一管壁 i 内侧 o 一外侧 c o l d 一载冷水 c o o l 一冷却水 c i f 一循环浓度 第一章绪论 第一章绪论 1 1 替代制冷剂的产生与发展 随着生产力水平的不断提高。制冷空调技术缛到了飞速的发展并被广泛应用于生产生活 各方面，发挥了巨大的作用。经过上百年的发展，氟利昂类物质占据了制冷剂内的主导地位。 其中，r 2 2 凭借其自身优良的热力学性能，得到了广泛应用。 近年来的研究显示，因为含有氯元素，某些氟里昂化合物能够破坏臭氧层，但是并非所 有的氟利昂类物质都对臭氧层有破坏作用。根据分子结构，氟里昂制冷剂大致可以分为以下 3 类： 氯氟烃类：简称c f c 。主要包括r 1 1 、r 1 2 、r 1 1 3 、r 1 1 4 、r l l 5 、r 5 0 0 、r 5 0 2 等，由 于对臭氧层的破坏作用最大。此类物质目前已禁止使用。 氢氯氟烃：简称h c f c ，主要包括r 2 2 、r 1 2 3 、r 1 4 1 b 、r 1 4 2 b 等，这类物质的臭氧层 破坏系数仅仅是r i i 的百分之几，因此，目前h c f c 类物质被视为c f c 类物质的最重要的 过渡性替代物质。 氢氟烃类：简称h f c ，主要包括r 1 3 4 a ，r 1 2 5 ，r 3 2 ，r 4 0 7 c ，r 4 1 0 a 、r 1 5 2 等，臭氧 层破坏系数为0 ，但是气候变暖潜能值很高。 为了保护大气臭氧层，国际社会签署了保护臭氧层的维也纳公约，除此之外，还签 署了保护地球环境的蒙特利尔议定书等，按照国际公约的要求，发达国家于1 9 9 6 年开 始不再增加h c f c 类物质的生产和使用，并于2 0 3 0 年完全淘汰。 中国作为正式加入的成员，也将依据要求，从2 0 1 6 年1 月1 日起不再增加h c f c 类物 质的生产和使用量( 以2 0 1 5 年的生产和使用量为基准量) ，并从2 0 4 0 年1 月1 日起完全停止 使用h c f c 类物质。 在我国，r 2 2 的使用量很大。寻找r 2 2 的替代品成了一项紧迫的工作。 由于纯制冷剂在品种和性质上的局限性，采用混合物做制冷剂为调整制冷剂的性质和扩 大制冷剂的选择方面提供了更大的自由度。现在最具竞争力的两种替代工质是：r 4 0 7 c 和 r 4 i o a 。两种物质都是混合制冷剂，且都对臭氧层没有破坏作用。 混合物按其定压下相变时的热力学特征分为非共沸混合物和共沸混合物。如图1 1 所示。 非共沸混合物的t _ x 相图具有图中1 1 ( a ) 所示的特征。在定压下沸腾时，露点线和 泡点线呈鱼形曲线。混合物在定压下相交时，伴随有一定的温度变化，变化量为混合成分x 对应的露点与泡点温度之差，称为相变温度滑移。另外，在相变过程中，气相和液相的成分 不相同，而且各自不断变化，直到相变完成。 共沸混合物的 x 相图具有图中l 1 ( b ) 所示的特征。在定压下沸腾时，露点线和泡 点线有相切点，该点称为共沸点。在共沸点处，定压相变过程中的温度滑移为0 ，且气相和 液相成分相同。 另外，还有一些物质，虽然不具备共沸特性，但是定压相交时温度变化不大，可近似看 作等温相变，这类物质被称为近共沸混合物。 r 4 0 7 c 是典型的非共沸工质，其温度滑移可以达到5 1 2 7 ( 2 。r 4 1 0 a 是一种近共沸工质， 其温度滑移仅有0 5 左右。 东南大学硕士学位论文 t t 0 1 0 - x - x ( a ) ( b ) 图1 1 混合物的1 1 相图 1 a r e p j a r e p 对r 4 0 7 c 和r 4 1 0 a 有详细评价： r 4 0 7 c 的特征 1 ) 混合有r 3 2 ，r 1 2 5 ，r 1 3 4 a 三种物质的混合制冷剂( 非共沸) 2 ) 对比r 2 2 ，理论c o p = 9 7 ( 以最佳系统检测的系统c o p = 9 9 ) 3 ) 压力与r 2 2 基本相近； 4 ) 因为是非共沸，所以必须考虑到需要添加液体等； 5 ) 水中溶解度与r 2 2 基本相同： 6 1 和与r 2 2 共同使用的环烷烃系列的矿物油的互相溶解性能不好( 与酯油以及乙醚油等 的相互溶解性能良好) 7 ) 主要用途：小型空调、住宅空调、制冷冷藏设备。 r 4 1 0 a 的特征 1 ) 是r 3 2 ，r 1 2 5 的两种混合制冷剂( 近共沸) ： 2 ) 对比r 2 2 的理论c o p = 8 9 ( 以最佳系统检测的系统c o p = 1 0 1 ) ； 3 ) 压力高于r 2 2 ，约为r 2 2 的1 6 倍，需要较大的设计变更； 4 ) 高压制冷剂有可能发挥更大的制冷制热能力； 5 1 虽为近共沸，但需要添加液体； 6 ) 水中溶解度比r 2 2 稍高； 7 ) 和与r 2 2 共同使用的环烷烃系列的矿物油的相互溶解性能差( 与酯油以及乙醚油等的 相互溶解性能良好) ； 8 ) 主要用途：住宅空调、小型空调。 虽然距离最后的禁用期限还有一段时间，但是，随着国际上压力的加大，我国很可能提 前禁用r 2 2 制冷剂，由于r 4 0 7 c 和r 2 2 的压力相近，所以在原先使用r 2 2 制冷剂的机组中 使用r 4 0 7 c 时，不需要对机组进行太多的改造，非常适合我国的国情，应该优先考虑。 另外，改用新的制冷剂也需要一定的时间来发展技术，更现实的是，现在我国很多大型 空调生产厂商都把出口作为新的利润增长点，出口至北美，欧洲，日本等地的空调机组必须 使用新型制冷剂，一般来说就是r 4 1 0 a 和r 4 0 7 c ，而且r 4 0 7 c 占有相当大的比重。 1 2 混合制冷剂的换热问题研究 对于替代制冷剂的研究，国外学者起步早，成果也较多，主要研究内容一般是： 1 以实验方法取得r 4 0 7 c 及其将要替代的r 2 2 在各种工况下的换热性能的实验数据， 2 第一章绪论 进行对比，分析影响r 4 0 7 c 换热性能的因素。 2 将实验数据与现有的换热系数公式的计算值相比较，考察现有换热系数公式的正确 性，并进行修正。 研究的主要成果是： 1 一般情况下，由于附加传质热阻的作用，r 4 0 7 c 的换热系数低于r 2 2 ，也低于另一种 混合制冷剂r 4 1 0 a 。 2 现有的换熟系数公式没有考虑到r 4 0 7 c 的特性，一般来说，公式对于r 4 0 7 c 的计算 值都高于r 4 0 c 的实验值。 3 当传质熟阻被削弱时，r 4 0 7 c 的换热性能增加，所以，寻找有效的降低传质热阻的方 法是提高r 4 0 7 c 换热系数的关键。 1 9 9 5 年，c h e n g s h uk u o 和c h i - c h u a nw a n g 用实验方法在9 5 2 m m 水平微翅片管上测 试了r 2 2 和r 4 0 7 c 的流动沸腾换热情况。实验中，蒸发压力为5 0 0i da ，制冷剂流量为 1 0 0 3 0 0 k g m 2 s ，热流量为6 - 1 4 k w m 2 。实验结果显示，r 4 0 7 c 的换热系数比r 2 2 低 5 0 。8 0 【l 】 1 9 9 7 年，c e c i l i ag a b r i e l i i 和l e n n a r tv a m l i n g 对r 2 2 的几种替代品在管壳式冷凝器中进 行了实验和模拟，包括r 4 0 7 c ，r 4 l o b 和r 4 0 4 a 。实验数据显示，非共沸混合物r 4 0 7 c 的 整体换热系数比r 2 2 低7 0 以上，模拟程序无法解释这种现象”。 2 0 0 0 年，c a p r e a 和f d er o s s i 等人用实验方法在一台蒸汽压缩制冷机组上测试了r 2 2 和r 4 0 7 c 的蒸发换热系数。实验中。热流量的变化范围为1 9 9 1 k w m 2 ，质量流量变化范 围为3 0 1 4 0 k g m 2 s 。实验结果显示，1 1 2 2 的换熟系数总是大子r 4 0 7 c 的换热系数。同时， 还给出了实验数据和其他文献公式的预测值的比较结果”j 。 2 0 0 0 年，x b o i s s i e u x 和m r h e i k a l 等人用实验方法测试了几种硼c 制冷剂在水平光 滑管道内的冷凝换热系数，包括i s c e o n5 9 ，r 4 0 7 c 和r 4 0 4 a 。经过实验结果与现有文献中 的蒸发换热系数关联式的比较，发现，在制冷剂干度为0 2 - 0 8 的范围内，实验结果与某些 关联式吻合的比较好。但是这些关联式都没有能够很好的预测过热管段的换热系数。最后的 结论是：k a t t a n 模型提供了最好的预测值”j 。 2 0 0 0 年。x b o i s s i e u x 和m r h e i k a l 等人用实验方法测试了几种肿c 制冷剂在水平光 滑管道内的蒸发换热系数，包括i s c e o n5 9 ，r 4 0 7 c 和r 4 0 4 a 。经过实验结果与现有文献中 的蒸发换热系数关联式的比较，发现，d o b s o n 和c h a t o 的关联式提供了最好的预测值。s h a h 的关联式与当地换热系数吻合的比较好，可以应用于混合制冷剂嘲。 2 0 0 0 年，r o m a nk r u p i c z k a 和a d a mr o t k e g e l 等人建立了一个基于多元混合物传质热阻 理论的数学模型，研究了传质热阻对混合物沸腾换热系数的影响j 。 2 0 0 3 年，c a p r e a ，a g r e c o 等人在蒸汽压缩制冷系统中测量了r 2 2 和r 4 0 7 c 的近似当 地换热系数，换熟管道为水平光滑管( 内径2 0 r a m ) 。机组运行时的制冷剂流量在 4 5 5 - 1 2 0 k g m 之间。实验情况反映了小型制冷系统中的标准工况。结果显示，r 2 2 的换 热系数总是比r 4 0 7 c 的大。同时，还给出了实验数据和其他文献公式的预测值的比较结果 用。 2 0 0 3 年，a d r i a n ag r e c o 和g i u s e p p ep e t e rv a n o l i 用实验方法测试了r 2 2 和混合制冷剂 r 5 0 7 在水平光滑管上的蒸发换热系数和压力降。实验工作参数为：蒸发压力3 - 1 2 b a r ，制 冷剂流量为2 5 0 2 8 6k g m 2 ，热流量为1 0 6 1 7 0 k w m 2 “1 。 2 0 0 3 年，d o n g s o oj u n g 和c h o n g b ok i m 等人研究了r 2 2 ，r 4 0 7 c 和r 4 1 0 a 在水平平 管，低翅片管和t u r b o - c 管上的冷凝换热系数。实验中的饱和蒸汽温度为3 9 ，管壁过冷度 为3 8 。r 4 0 7 c 在冷凝过程中的表现和r 2 2 和r 4 1 0 a 有很大的不同，换热系数比r 2 2 低 5 0 以上。 3 东南大学硕士学位论文 2 0 0 3 年，j u l i oc e s a rp a s s o s 和v i n i c i u sf e m a n d ok u s e r 等人使用实验方法，在水平微翅 片管和平管上测试了r 4 0 7 c 的管内对流沸腾换热情况。实验中，制冷剂流量为 2 0 0 3 0 0 k g m 2 s ，蒸发压力为7 0 0 k p a i ”j 。 2 0 0 4 年，d o n g s o oj u n g ，y o u n g m o k c h o 等人用实验方法测量了平管和微翅片管内几种 制冷剂的流动冷凝换热系数，这些制冷剂包括r 2 2 ，r 1 3 4 a ，r 4 0 7 c 和r 4 1 0 a 。实验管道外 径9 5 2 m m ，长度为i m 。在平管上，r 4 1 0 a 和r 1 3 4 a 的换热系数与r 2 2 相似，r 4 0 7 c 的换 热系数比r 2 2 小1 1 一1 5 。在微翅片管上，r 1 3 4 a 和r 2 2 接近，而r 4 0 7 c 和r 4 1 0 a 比r 2 2 分别小2 3 一5 3 和1 0 - - 2 1 ”。 2 0 0 5 年，m a n - h o ek i m 和l o e n g - s e o bs h i n 用实验方法测试了r 2 2 和混合制冷剂r 4 1 0 a 在水平光滑管和微翅片管上的蒸发换热系数。实验采用9 。5 2 r a m 外径的铜管，热流量固定 为1 1 0 k w m 2 ，制冷剂于度范围0 2 - 0 8 。试验结果显示，r 2 2 和r 4 1 0 a 在微翅片管的换 热系数分别比光滑管上的数值大1 8 6 3 2 7 倍和1 0 4 2 9 9 倍“。 2 0 0 5 年，w a l d e m a r t a r g a n s k i 和j a n u s z t c i e s l i n s k i 在波纹管和微翅片管上测试了r 4 0 7 c 润滑油混合物的蒸发传热，在两种平滑管和两种强化管上分别测试了纯r 4 0 7 c 和r 4 0 7 c 润滑油混合物“。 2 0 0 5 年，s w e l l s a n d t 和l v a m l i n g 在水平鱼骨状微翅片管上测试了r 1 3 4 a 的蒸发换热。 实验设备为外径9 5 3 m m ，长度为4 m 的管道，实验中蒸发温度为一0 7 1 0 1 c ，制冷剂质 量流量为1 6 2 3 6 6 k g m 2 s 。作者将实验数据与现有文献中的预测数据和实验数据进行了比 较，讨论了螺旋管和鱼骨状微翅片管换热机理的不同，结论是，相比于螺旋管，鱼骨状翅片 管在较低干度时达到传热系数的峰值“。 2 0 0 5 年，s w e l l s a n d t 和l v a m t i n g 在水平鱼骨状微翅片管上测试了r 4 0 7 c 和r 4 1 0 a 的 蒸发换热。实验中，r 4 1 0 a 和r 4 0 7 c 的蒸发温度分别是一2 2 - 9 5 c 和一5 。5 1 3 8 ，制冷 剂质量流量为1 0 2 3 6 6 k g m 2 s 。文献将r 4 1 0 a 和r 4 0 7 c 的试验值与r 1 3 4 a 的实验值进行了 比较，发现混合制冷剂的换热系数较低。实验结果显示，热流量的变化没有对换热系数产生 很大影响“。 2 0 0 5 年，e n d q u et o n e l l a 和j o a q u i nn a v a r r o - e s b r i 等人使用实验方法，在蒸汽压缩制冷 机组中测试了r 4 0 7 c 的水平管内沸腾换热系数。为了测试蒸发压力和制冷剂质量流量对沸 腾换热系数的影响，进行了多次试验。实验结果显示，沸腾换热系数的变化与蒸发温度和制 冷荆流量有相当的关系“。 国内的专家学者也作了很多卓有成效的工作。 2 0 0 0 年。高洪亮，董小雷等人研究了计算机在混合制冷剂汽液相平衡中的应用，采用 e o s 法编制了汽液相平衡的计算程序，该程序对于新型制冷剂及其混合物的汽液相平衡计 算具有重要的应用价值j 。 2 0 0 0 年，张绍志，王剑峰等人以压力和比焓为已知参数，采用二次多项式与分段低次 插值相结合的办法，对多种混合制冷剂在两相区内的热力学性质进行了拟合，得到了较为理 想的结果“。 2 0 0 1 年，陈民，李沛文等人对非共沸混合工质r 3 2 r 1 3 4 a 的管内流动凝结局部换热系 数进行了理论分析和计算。计算表明，非共沸混合工质的管内流动凝结换热系数总低于具有 同等物性的纯工质的换热系数，其换热系数下降的程度不仅受浓度的影响，还受干度的影响。 对混合工质r 3 2 r 1 3 4 a 而言，换热系数的极小值出现在r 3 2 质量分数为1 0 一3 0 的区域内 1 9 1 。 2 0 0 1 年，陈海波，张正国等人通过对螺旋隔板和花瓣管在冷凝过程中的强化换热性能 分析，从理论上阐明了由螺旋隔板与花瓣管搭配形成的冷凝器可以有效的强化非共沸混合物 4 第一章绪沦 蒸汽的冷凝传热1 2 0 ! 。 2 0 0 1 年，冯健美，屈宗长等人对混合工质凝结换热系数常用的三种计算方法作了分析 比较，同时利用收集到的混合工质局部凝结换热系数的实验数据，对文献中给出的计算式以 及用b e l i - g h a l y 法计算的准确度作了对比，得出了在工程实际应用中采用b e l i - g h a l y 法时， 液膜熟阻用修正s h a h 公式计算的准确度较好的结论“。 2 0 0 1 年，张绍志，陈光明等人建立了非共沸制冷；f ! l 空冷冷凝器的分布参数模型。并以 r 4 0 7 c 为例通过计算比较了6 种制冷机流程布鬓的空冷冷凝器的性能。在6 种流程中，以 逆交叉流程布置最佳，以顺交叉流程布置最差1 q 。 2 0 0 1 年，成昌锐，王秋旺等人用实验方法研究了r 4 0 7 c 在水平单管外的凝结换热，并 与r 2 2 做了对比。实验管包括一根光管和两根双侧强化管。结果表明。r 4 0 7 c 在水平管外 的冷凝换热系数随着热流密度的增加而显著增加，而且，换热系数在强化管上增长的程度要 比在光管上增长的程度强烈。在相同的冷凝温度与热流密度范围内，无论对于光管还是强化 管，r 4 0 7 c 的管外冷凝换热系数都要远远小于r 2 2 的值。对于所实验的两种强化管，r 2 2 的管外冷凝换热系数的强化效果比r 4 0 7 c 更明显9 1 。 2 0 0 2 年，谷波，裴勇华等人采用p e n g - r o b i n s o n 型方程对新工质r 4 0 7 c 的热力学性质 进行了全面的计算，并根据实验数据拟合出新工质的迁移特性计算公式，为新工质r 4 0 7 c 的系统分析和计算提供7 准确可靠的热力学性质和热物理性质分析计算结果”j 。 2 0 0 3 年，吴献忠，李美玲等人利用大量的汽液相平衡实验数据结合u 方程进行了热 力学关联，提出了适合于计算h f c s 混合制冷剂的相互作用系数的一种算法，求取的相互作 用系数用于汽液平衡和循环分析计算具有较高精度，与实验数据或其他热力模型计算结果吻 合情况良好”j 。 2 0 0 4 年，朱强等人针对混合工质蒸发时的温度滑移现象，运用传热及热力学原理进行 了相应的理论分析，发现非共沸混合工质的蒸发过程中蒸发介质存在极限流量现象，并得到 此类工质在可用能角度相比纯工质具有节能效果的结论，最后将理论分析结论应用于几种常 用的混合工质上，如r 4 0 7 c ，r 4 0 5 a 和r 4 1 4 b ，并预测了这些工质在实际使用中的极限流量 和可用能损失情况1 2 6 j 。 2 0 0 4 年，刘铭刚，揭基华等人针对r 2 2 r 1 4 2 b 非共沸混合制冷剂在冷凝器和蒸发器中 温度变化的现象，利用溶液热力学的有关定律，采用严密的数学推导及定性分析导出它们之 间的相关关联式，为r 2 2 r 1 4 2 b 的应用提供了方便可靠的依据和方法”j 。 2 0 0 5 年，宋尚海，秦风菊等人介绍了混合制冷剂r 4 1 0 a r 4 0 7 c 的特性，为更好的使 用这两种制冷剂提供了必要的数据和资料口。 1 3 组分迁移问题研究 采用传统单质制冷剂的制冷空调系统中，不存在组分迁移问题，只有采用非共沸混合制 冷剂的制冷机组中才有制冷剂各组分的循环浓度与原始充灌浓度不同的现象发生。 一般来说，对于组分迁移的研究方法主要是： l 建立机组各部件的数学模型，模拟计算机组各部件内所含有的制冷剂各组分的质量与 浓度。 2 采用实验方法，称量各部件内部制冷剂的质量与各组分浓度。 对于r 4 0 7 c ，研究的主要成果有： 1 机组运行时，制冷剂质量主要集中在蒸发器和冷凝器。 2 机组中采用管内冷凝方式和管内蒸发方式时，组分r 1 3 4 a 的循环浓度低于标准灌充浓 度，相应的，r 3 2 和r 1 2 5 的循环浓度高于标准灌充浓度。 东南大学硕士学位论文 1 9 9 6 年，j i u f ac h e r t 针对采用非共沸混合制冷剂的汽车空调系统进行了组分迁移方面的 研究，建立了冷凝器，蒸发器等部件的计算模型，列举并比较了几种通行的空泡系数模型， 计算了空调系统的循环浓度，结论是：对于r 3 2 r 1 5 2 a 混合制冷剂，浓度变化可达到 5 6 t “。 2 0 0 2 年，p h a r b e r s c h i l l ，l g a y 等人研究了以r 4 w c 为制冷剂的机组中各组分浓度变化 对机组性能的影响，建立了系统各部件的模型，结论是：循环浓度中，易挥发组分的浓度高 于原始充灌浓度，但是增长幅度没有c h e n 和k m 等人所描述的那么大，原因可能是考虑 了集液器的作用，另外，循环浓度变化2 左右能够使制冷量变化5 左右。同时，还比较 了机组分别充灌r 2 2 和r 4 0 7 c 时性能的变化，结论是，充灌r 2 2 时机组制冷量略高于充灌 r 4 0 7 c 时，机组的c o p 值几乎不变m 。 2 0 0 5 年，m y o u b i i d r i s s i ，j b i o u r 等人建立了以r 4 0 7 c 为工质的热泵系统模型，包 括冷凝器模型，蒸发器模型等子模型分析了组分迁移的产生原因并给出了理论解。结论是： r 3 2 的循环浓度比原始浓度高3 左右，r 1 3 4 a 的循环浓度比原始浓度低3 左右，r 1 2 5 几 乎维持不变”i 。 2 0 0 2 年，公茂琼，齐延峰，胡勤国等人建立了专门的实验系统来研究多元混合工质闭 式循环节流制冷机内的工质组元浓度动态变化特征。针对三个典型制冷温区的三种混合物工 质进行了实验研究。研究结果表明，混合物工质浓度在不同运行时期发生变化。最大变化会 达到6 ，另外系统内浓度不均匀更会高达1 2 ，甚至更高。 韩维哲，马小魁，丁国良等人采用理论计算和实验验证相结合的方法，研究了变频空调 机组中制冷剂质量分布。结论是，冷凝器中占有的制冷剂较多，其次是蒸发器和压缩机，管 道中的制冷剂分布量也不可忽略”。 2 0 0 5 年，邵亮亮，张春路等人研究了r 4 0 7 c 系列混合工质各组分浓度变化的特征，获 得了各组分浓度变化的特征线，并且研究了当组分浓度沿特征线变化时，制冷空调系统循环 性能的变化规律，可用于指导采用r 4 0 7 c 工质的系统设计”1 。 1 4 状态方程的发展 自从范德瓦尔在1 8 7 3 年提出了实际气体状态方程以来，新的状态方程不断产生。这些 状态方程按照用途大致可分为两类：一类是用来关联某种流体的p ，v ，t 实验数据的经验方 程，以提供标准数据及绘制图表；另一类是适用于工程计算的通用性方程，一般比较简单， 具有足够的精确度，便于微分和积分。 p c n g - r o b i n s o n 方程 p e n g 和r o b i n s o n 在1 9 7 6 年提出的方程为： r t 口( 丁) p = ：一：z z 工。 ( 1 1 ) y 一6y ( y + 6 ) + b ( v 一扫) 即p r 方程。 b e n e d i c t - w e b b - r u b i n 方程 b e n e d i c t - w e b b - r u b i n 方程的原始形式为： 6 第一章结论 p = p r t + ( b o r t a 一争) p 2 + ( b r r 刊p 3 + 唧十。尹p 3 ( 1 + 归2 ) p 一矿 公式中的几个常数可以通过纯物质的p ，v ，t 数据求得。 m a r t i n - h o u 方程 1 9 5 5 年发表的m a r t i n - h o u 方程的原型为： 一冗丁。如+ 砬+ c 2 r ” + 马+ g g 坩佴 p2 十= = 。= _ 一+ i 2 _ 一 y 一6 ( 矿一6 ) 2( y 一6 r + 土+ 旦 。( y 一6 ) 4 ( y 一6 ) 5 该方程是适用于极性物质和非极性物质的通用方程。 ( 1 2 ) ( 1 3 ) r e d l i c h k w o n g 方程及s o a v e 方程 r e d l i c h k w o n g 方程于1 9 4 9 年提出，是通过改进范德瓦尔方程得到的，形式如下： r ta p 2 v - b f 而 1 4 参数为 d ：o 4 2 7 4 8 r 2 r y p c 6 ：0 0 8 6 6 4 卫 p c r k 方程虽然只有两个常数，但在相当广的压力范围内对气体的计算都能得到满意的结 果。这个方程对饱和气相密度的计算不够理想，对液相误差很大。1 9 7 2 年s o a v e 修正了r k 方程，用一个通用温度函数a ( r ) 来代替口，得到： 1 5 本文研究的主要内容 ( 1 5 ) ( 1 ) 以r k s 方程为基础，编制了r 3 2 ，r 1 2 5 ，r 1 3 4 a 三种制冷剂的热物性计算程序，能够 根据温度( 压力) 计算对应的饱和压力( 温度) ，能够精确计算制冷剂在过冷状态，气 液两相区，过热状态时的焓，熵，比容( 密度) 等参数。 ( 2 ) 以r k s 方程为基础，编制了混合制冷剂r 4 0 7 c 的热物性计算程序，能够根据压力计算 对应的泡露点温度，能够精确计算混合制冷剂在过冷状态，汽液两相区，过热状态时的 7 东南大学硕士学位论文 焓，熵，比容( 密度) ，干度等参数。 ( 3 ) 以( 1 ) ，( 2 ) 为基础，分别模拟蒸发器，冷凝器和节流阀等部件的工作过程，建立了冷水 机组的理论模型，并且对某厂家的使用机组进行了模拟计算，得到了较为合理的计算结 果。 ( 4 ) 以( 3 ) 计算结果为基础，逐一分析了机组各部件中的制冷荆保有垂和组成成分，最终的 结论是：参与系统循环的各个组分中，r 1 3 4 a 浓度低于其原始充灌浓度。 8 第二章非共沸混台制冷剂r 4 0 7 c 特性研究 第二章非共沸混合制冷剂r 4 0 7 c 特性研究 r 4 0 7 c 作为一种新型替代制冷剂，由三种挥发性能不同的单质制冷剂混合而成，自身 有一些独特的性质，这些特性一方面影响了r 4 0 7 c 本身的换热性能，另一方面，导致r 4 0 7 c 机组中出现组分迁移的现象，进而影响了机组的性能指标。所以，很有必要对r 4 0 7 c 的特 性进行深入研究。 2 1 传质热阻和冷凝换热特性研究 r 4 0 7 c 由r 3 2 ，r 1 2 5 ，r 1 3 4 a 三种组分构成，具体情况见表2 1 。 多种工况下的实验数据显示“工3 。】，混合制冷剂r 4 0 7 c 的换热性能低于传统h c f c 类 制冷剂r 2 2 ，也低于i - i f c 类混合制冷剂r 4 1 0 a ，部分实验数据如图2 ，l 和2 2 所示。 图2 1r 2 2 ，r 4 0 7 c ，r 4 1 0 a 在平管上的换热系数( 横坐标为管壁过冷度) 蚓 k 奎 面 叵豇圈 哑 q w 一 图2 2r 2 2 ，r 4 0 7 c 在m 管上的换热系数切 冷凝过程中，制冷剂蒸汽接近温度低于其露点的冷壁面，与壁面接触的部分开始冷凝 9 k_e琶 东南大学硕士学位论文 从而在壁面上形成一层冷凝液膜。 表2 1 混合物r 4 0 7 c 各组分情况 组分 质量浓度( ) 分子量( 勤 临界温度( 临界压力( m p a ) r 3 22 35 2 0 27 8 45 8 3 r 1 2 52 51 2 0 0 26 6 33 6 3 r 1 3 4 a5 2 1 0 2 0 2 1 0 1 54 0 6 对于混合制冷剂，由于其各组分的冷凝温度不同，冷凝情况和纯质制冷剂有所不同。 在混合制冷剂的冷凝过程中，制冷剂蒸汽与壁面接触时，各组分的冷凝不同步。不易挥 发组分有更多的分子冷凝于是，易挥发组分在汽液界面处积聚，在汽液界面处形成了一层 制冷剂蒸汽构成的扩散边界层。 在扩散边界层中不易挥发组分的浓度和分压力向着壁面方向下降，与之相对的，易挥 发组分的浓度和分压力向着壁面方向上升，如图2 3 所示。 压力剖面 ( p p i ， p 一 ! t t 厂 1l ， t i 温6 l bc jy l 面 管壁 掖膜汽液界面扩敬蒸忾空问蒸汽 图2 3 混合制冷剂在管壁处换热时温度压力分布图( 从左到右的四个 区域分别是：壁面，液膜，扩散边界层，主流蒸汽) 在扩散边界层中，一方面，由于浓度差的作用，易挥发组分自发的向着主流蒸汽的方向 扩散，而不易挥发的组分必须通过分子扩散穿过蒸汽层到达冷凝液膜表面才能冷凝，另方 面，传热效率取决于管壁上热量交换的速度和能够进行冷凝的高沸点组分经过扩散蒸汽层 的速度( 通常这种物质扩散速度远远低于管壁上热量交换的速度) ，所以扩散蒸汽层构成 了混合工质冷凝的附加热阻。 此外，由于扩散蒸汽层的存在，使得真正的传热温差从( t b t 。) 降低为( t r t 。) ，从 而导致传热系数降低，如图2 1 所示。( t 。为管壁温度，t b 为外层大空间蒸汽温度，t i 为汽 液界面温度) 从上述分析可以看出，混合蒸气向冷壁面的凝结传热由两部分构成：一部分是潜热传递， 即混合蒸气的凝结，它的大小与蒸气分子穿过汽膜层的能力有关；另一部分是显热传递，即 蒸气与液膜间的对流换热以汽液界面为基准面。 汽液界面处的扩散蒸汽层构成了混合制冷剂冷凝时额外的传质热阻，混合制冷剂各组分 的相变温度差异越大，传质热阻的影响就越大。r 4 0 7 c 的相变温度变化可达到6 ，而另一 种混合制冷剂r 4 1 0 a 的相变温度变化只有0 5 左右，所以r 4 0 7 c 的传热性能不但低于纯 1 0 第二章非共沸混台制冷齐叮r 4 0 7 c 特性研究 质制冷荆r 2 2 ，还低于近共沸混合制冷剂r 4 1 0 a 。 当管壁过冷度增加时，不易挥发的组分将很快完成冷凝，扩散蒸汽层中的浓度差的作用 下降即扩散蒸汽层的传质热阻下降，混合制冷剂的传热性能有明显上升。 当制冷剂流量增大时。流动的湍流加剧，扩散蒸汽层的厚度减少。层内的浓度梯度降低， 传质热阻的作用减少，混合制冷剂的传热性能增加。 有实验数据显示i ，当流动的雷诺数升高到一定范围之后，混合制冷剂的换热系数几 乎不变，这可以解释为，当紊流足够大之后，传质热阻已经不再是传热的瓶颈