（工程热物理专业论文）r22循环性能分析及其替代工质研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 r 2 2是一种目前广泛应用的过渡型氢氟氯烃类制冷剂，由于含有氯原子， 即 将被禁用. 本文采用p r状态方程和扩展对应态方法建立理论模型， 编制了 工质热物性及循环性能的可视化计算程序。进行 了单级蒸气压缩式制冷循环 中r 2 2 及其替代工质循环特性的分析与比较，并研究了 复叠制冷循环中 r 2 2 的替代方案。同时对替代应用较多的r 1 3 4 a 进行水平管内传热特性的实验设 计与研究，分析了过热蒸气的凝结换热特性，并与现有关联式进行对比。 关键词:r 2 2 ，替代工质，循环性能， 传热特性 abs tract r 2 2 is a k in d o f tr a n s i ti o n a l 坷d r o c h l o r o f lu o ro c a r b o n r e f r i g e r a n t s , w h i c h is u se d w id e s p r e a d n o w a d a y s . i t w ill b e p h a s e d o u t b e c a u s e i t c o n t a in s c h lo r i n e . t h e p e n g - r o b in s o n ( p r ) s t a t e e q u a t io n s a n d e x t e n d e d c o r r e s p o n d in g s t a te m e t h o d a r e a p p l ie d to c o n s tr u c t th e th e o r e t ic a l p h y s ic a l p r o p e r ty m o d e l , a n d v i s u a liz a ti o n c a lc u la t io n p r o g r a m o n th e th e r m o d y n a m i c p r o p e r ti e s a n d c y c l ic p e r f o rm a n c e s o f r e f r ig e r a n t s a r e e s t a b l is h e d . a n a ly s i s a n d c o m p a r i s o n o f t h e c y c l i c p e r f o r m a n c e b e t w e e n r 2 2 a n d i ts s u b s t itu t in g r e fr i g e r a n t s o n th e s in g le s t a g e v a p o r c o m p r e s s io n r e fr ig e r a t io n c y c le a r e p r o c e s s e d , a n d th e a lte r n a t iv e s c h e m e s o f r 2 2 o n c a s c a d e c y c l e a r e i n v e s t i g a t e d . r 1 3 4 a i s th e d o m in a t in g a p p lic a t io n o f th e s u b s t i t u t e s , t o k n o w i t s h e a t t r a n s f e r c h a r a c t e r i s t i c , e x p e r i m e n t a l s c h e m e s a r e d e s ig n e d , a n d t h e e x p e r im e n t a l i n v e s ti g a t io n s a r e d o n e o n t h e h o r i z o n ta l s m o o t h t u b e . c o n d e n s a t i o n h e a t t r a n s f e r c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e s u p e r h e a t e d r e f r i g e r a n t v a p o r a r e a n a ly z e d a n d c o m p a r e d w i th t h e e x is t in g c o r r e l a t io n . l i u c h u n t a o ( e n g in e e r in g t h e r m o p h y s i c s ) d ir e c te d b y a s s o c ia te p r o f . me y in g b a i k e y wo r d s : r 2 2 , s u b s t it u ti n g r e f r ig e r a n t s , c y c li c p e r f o r m a n c e , h e a t tr a n s f e r c ha r a c t e r i s t i c 华北电力大学硕士学位论文符号表 主 要 符 号 表 a 一 一 扩散 系 数 ， i n 2 1 s . a 一一 换热面积， m 2 ; b o 沸腾系数，b o = 刃 。 。 ; 马 比 热， k j / ( k g -k ) .- j 一 - 管径，m; g - 质 量 流 速 ， k g / ( s .m 2 ) ; h 对流换热表面传热系数， w / ( m 2 - k ) ;比 治， k j / k g ; 仇 潜 热， k j / k g ; k 一 传热 系 数 ， w / ( m 2 - k ) ; n u - 努谢尔特数，n u = h d / a ; p 压力，m p a ; p r - 普m 特数，p r = 可 。 : 口 一 一 换热量， k w; r 气体常数; r e - 19诺数，r e 二 ， d / u ; 一比嫡，k j / ( k g - k ) ; t - 一 一温度，: ， 流速， m / s ;比 容， 矽/ k g ; x 干度 ; 又 导热系数 。 一 一 - 运动勤度 w/ ( m-k ) ; m2 / s . p - 密 度 ， k g / m 3 ; k 动力薪度，p a - s ; 下标: 1 内径: 2 外径; c 临界点参数; f c 单相流; i 实验管段编号; i n 入口; 1 液相; o u t 出口; r -一 一 制冷剂; s a t -饱和状态; s u p 一 过 热 蒸 气; v 气相; wa l l 一 一 一 壁面; w a t e r 水。 倒匕 o口 声 习f 月 本人 郑重声明: 此处所提交的 硕士学位论文 r 2 2 循环性能分析及其替代 工 质研究 ， 是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间， 在导师指导下进行的研究工 作和取 得的研究成果。 据本人所知， 除了 文中特别加以 标注和致谢之处外，论 文 中 不 包含其他人己 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学 或 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学 位 论 文 作 者 签 “ : 丛 陋 一 日 期 :老 享 生 州 一 ” 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了 解华北电 力大学有关保留、 使用学位论文的规定， 即: 学校有 权保管、 并向 有关部门 送交学位论文的原件与复印 件;学校可以 采用影印、缩 印 或其它复制手段复制并保存学位论文; 学校可允许学位论文被查阅或 借阅; 学校可以学术交流为目的 ，复制赠送和交换学位论文; 同意学 校可以 用不同 方 式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉 密的 学位 论文在 解密后遵守 此规 定) 作者签名 : 日期: 1 a.,j 6里 0 a 导师签名: 期 j 单 主她 妈五护 尹 华北电力大学硕士学位论文 第一章绪论 1 . 1 i . 1 . 1 本课题的研究背景和意义 环境影响 1 9 7 4 年， 美国加利福尼亚大学的莫利纳 ( m. j . m o l i n a ) 与罗兰 ( f . s . r o w l a n d ) 教授发 表了 关于 臭氧耗损与 氯 氟烃类物质 ( c h l o r o fl u o r o c a r b o n ， 简称c f c s ) 的 研究结 果 : c f c s 类物质扩散至同 温层后， 在短波紫外线u v - a 的照射下分解形成高活性的 氯自由 基，通过链式反应，催化分解臭氧分子，从而破坏臭氧层。1 9 8 5 年，英国科 学家法 尔曼( j . c . f a r m a n ) 等 人总结 他们 在南极哈 雷 湾观测站 ( h a l l e y b a y ) 的 观 测结果，发 现了 南极上空的臭氧空洞2 1 ， 证实了 这一理论的正确性.1 9 8 5 年臭氧空 洞的最大面积约为1 4 0 0 万平方公里【 ” 。到2 0 0 6 年1 0 月，臭氧空洞最大面积己 经发展 到2 7 4 5 万平方公里， 。 值得庆幸的是， 观测数据和模式计算表明， 全球平均臭氧层 耗损量目 前已 经趋于稳定“ j 。 c f c s 与h c f c s ( 氢氟氯烃， h y d r o c h l o r o fl u c r o c a r b o n )物质除t耗损臭氧外， 还是一种 “ 温室气体” 。尽管其排放量远不及c 0 2 ，但由于c f c s 和h c f c s 的大气 寿命长， 所以 它对全球气候变暖的贡献仍然可观【 . 1 9 9 。年左右，c f c s . h c f c s 和h f c s ( 氢氟烃， 抑d r o fl u o r o c a r b o n ) 的c 0 2 当 量排放总量出 现峰 值7 .5 t 0 .4 g t 0 c o 2 当量/ 年， 到2 0 0 0 年左右， 下降为2 . 5 士 0 .2 g t c o 2 当量/ 年， 相当于同期全球化石燃料 燃烧所产生排放的1 0 %, . c f c s 在1 9 8 7 年制定的 蒙特利尔协议书中被限制使用， 到目 前为止， r l l . r 1 2 等具有 较高 臭 氧破坏潜能 值o d p ( o z o n e d e p l e t i o n p o t e n t i a l ) 的c f c s 类物质 已被基本禁用。由于r 2 2 . r 4 0 1 a等 h c f c s 类物质中也含有氯原子，仍然会对臭 氧层有一定的破坏作用，故在1 9 9 3 年制定的 哥本哈根修正案中也被限制使用。 对于r 1 3 4 a . r 4 0 7 c , r 4 1 0 a等不含有氯原子的h f c s 类物质，由于具有较高的 全 球变暖潜能 值g w p ( g l o b a l w a r m i n g p o t e n t i a l ) , 1 9 9 7 年制定的 京都议定书将 h f c s 列为6 种温室气体之一。 1 . 1 . 2 r 2 2 的应用现状 r 2 2 ( c h f 2 c 1 ，二氟一氯甲 烷)是目 前应用十分普遍的一种制冷剂，其 o d p 为0 . 0 3 4( 取r i i 的o d p为1 ，后同) ，g wp为 1 7 0 0( 取c o : 的g wp为 1 , 1 0 0 年， 后同) . 不同的国家对r 2 2 的禁用时间 有很大的差别，表1 - 1 中列出了 一些国 家对r 2 2 的禁用日 程7 1 a : g t ，英吨，l c r - 2 2 4 0 磅= 1 0 1 6 k g 1 华北电力大学硕士学位论文 我国政府于2 0 0 3 年4 月正式加入 关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书( 哥 本哈根修正案) 18 3 ， 也就是说我国己 正式承诺将遵守逐步禁用h c f c s ( 包括r 2 2 ) 的国际义务。 该修正案规定， 对于发展中国 家， 于2 0 1 6 年起冻结h c f c s 的生产量， 并最终于2 0 4 0 年完全淘汰h c f c s . 国家 表 1 - 1 一些国家对r 2 2 的禁用日程 禁用日程 ( 年)禁用范围 欧盟 瑞典 德国 奥地利 瑞士 意大利 新西兰 日本 2 0 1 5 1 9 9 8 2 0 0 0 2 0 0 2 2 0 0 5 2 0 0 8 2 0 1 5 2 01 0 全面 新设备中禁用所有h c f c s 新设备中禁用r 2 2 新设备中禁用所有h c f c s 新设备中禁用所有h c f c s 新设备中禁用所有h c f c s 新设备中禁用所有h c f c s 新设备中禁用r 2 2 图1 - 1 示出了我国每年h c f c s 的生产和消费情况，从图中可以看出，1 9 9 8 年 之后， 我国h c f c s 的生产和消费呈每年递增。 2 0 0 5 年我国h c f c s 的生产和消费分 别为3 2 . 8 万t 和2 2 . 1 万t 19 1 ， 其中r 2 2 的 产量已 经达到2 6 万t ( 10 1 ， 由 此表明r 2 2 在 我国制冷空调领域中的应用占有相当大的份额。 面对国际上积极从事r 2 2 替代研究 以 及加速淘汰r 2 2 的大趋势， 我国作为空调器生产大国， 在空调器出口 销售快速增 长的形势下，如果强调我国尚有3 0 多年时间才能最终淘汰 r 2 2 的话，必然会在国 际市场竞争中失去很多机会。 rjfl 内j，j 2 5 浸2 0 . - r 1 9 8 8 1 9 9 0 1 9 9 2 1 9 9 4 弓户n咤户n呻 .划彭 1 9 9 6 1 9 9 8 2 0 0 0 2 0 0 2 2 0 0 4 2 0 0 6 年份 图1 - 1 我国每年h c f c s 的生产和消费情况 华北电力大学硕士学位论文 综上所述，虽然 r 2 2有很多优良的特性，但是终究会被淘汰。因此我们开展 r 2 2 循环性能分析及其替代工质研究，具有重要的理论意义和应用价值。 1 . ， . 3 替代路线及难点 对于r 2 2 的替代技术，国际上主要有两条路线，一条以美国、日本为代表， 主 张采用 h f c s 作为替代物。h f c s 类替代物综合考虑了安全、性能和环境要求之间 的平衡，发展前景较好。但此类替代物的工作压力偏高，有温度滑移、热力特性稍 有下降、与矿物油不相溶而需将润滑油更换为酷类油 ( p o e ) ，而酷类油的高吸水 性、 起泡和扩散性等均不如矿物油优越。因而h f c s 类替代物对制冷系统设计、系 统制造提出了更高的要求。虽然h f c s 类替代物具有较高的g wp值，但是其排放 量占 整个温室气体排放量的比例很小，1 9 9 7年约为 1 % ，到 2 0 3 0年预计也仅为 2 . 4 % ，所以今后一段时间内仍然是比较现实的替代方案。 另一条则以德国和北欧的部分国家为代表，主张采用天然制冷剂作为替代物。 采用的天然制冷剂 ( 如碳氢化合物、二氧化碳、 氨等)的o d p 为零， g wp 接近0 , 因而环境因素远优越于h f c s 类替代物。不足的是其可燃性、刺激性及毒性等安全 性方面有缺陷，而且氨与润滑油不相溶，使其在实际生产和使用上受到限制 川 . 1 . 2 1 . 2 . 1 国内外研究现状 工质替代的研究 1 )纯工质 美国国家标准局和技术研究院通过对元素周期表的研究发现， 能够用于蒸气压 缩式制冷循环的物质集中在的5 1 种化合物: 1 5 种碳氢化合物、 5 种氧化物、 3 种硫 化物、 1 9 种氟利昂、 4 种其他化合物。 其中最有可能作为r 2 2 替代工质的是碳氢化 合物及氟利昂 物质1 0 7 ( 1 ) r1 3 4 a 周德信等 1 4 通过建立单相区和两相区 毛细管模型， 研究了r 1 3 4 a 代替r 2 2 后的 毛细管的质量流量随冷凝温度、 过冷度、 毛细管直径和长度的变化规律， 在相同的 条 件下， r 2 2 的质量流量比r 1 3 4 a 大。 陈 嘉 澎等 5 2 0 0 6 年实验研究了家用热泵热水 器采用r 2 2 和r 1 3 4 a 作为制冷工质时的加热效果和性能系数， 结果表明: r 1 3 4 a 系 统将9 0 l水加热到 5 0 1c 需要的时间比r 2 2多4 0 分钟;r 2 2 系统的性能系数 c o p ( c o e ff i c i e n t o f p e r f o r m a n c e ，性能系数)比r 1 3 4 a 高2 3 . 1 % 0 ( 2 ) 碳氢化合物 ( h y d r o c a r b o n , h c s ) 目 前替代r 2 2 的碳氢化合物主要有丙烷( r 2 9 0 ) 、 丙烯( r 1 2 7 0 ) 等。 截止到2 0 0 0 年， 在德国冰箱和冷藏设备采用h c s 作制冷剂的占到了9 0 %以上， 欧洲平均达到2 5 % 华北电 力大学硕士学 位论文 左右c u e 用r 2 9 0 替代r 2 2 其各种热力学性质比 较接近。对制冷系统的毛细管进行改进后 的试验测试结果表明: 改进毛细管后用8 2 9 0 替代r 2 2 的3 种国产家用空调器c o p 系数 分别提高了1 2 .8 1 % , 1 9 . 0 3 %, 1 4 . 6 1 % 0 1 。 在小型空调系统中， 8 1 2 7 0 在制冷量、 c o p 和压缩机排气温度等方面也优于r 2 沙9 1 。以 8 2 9 0 , 8 1 2 7 0 作为热泵工质， 在不同的 压缩机转数和载热流体的温度下，c o p 、制冷量和制热量均与r 2 2 相当或略优 19 1 将r 2 9 0 应用于大型螺杆机组的试验结果也表明， 采用8 2 9 0 的能效比 ( e e r )与r 2 2 的相当， 可见8 2 9 0 完全能够作为r 2 2 的直接替代工质 2 0 1 。 对8 2 9 0 的可燃性研究表明， r 2 9 0 的燃烧和爆炸需要2 个条件，即与空气的混和浓度要在2 . 5 % - 8 . 9 %之间，温度 在8 1 0 以上，在机组运行过程中，2 个小概率事件同时出现的概率几乎为零(2 1 1 ( 3 ) 其他自 然工质 由于r 2 2 还被用于制取较低温度的复叠式制冷循环中， 因此在这方面的替代工 作我们也不能忽视。 天津大学作了比 较深入的 研究2 2 - 2 b 1 ， 对高温级制冷剂采用c o 2 , 8 2 9 0 , n 场，低温级制冷剂采用n 场、c 仇等自 然工质的复叠式制冷循环已 经进行 了理论分析，结果表明采用这些自然工质作为制冷剂时，具有一定的优势。但是受 到这几种工质的沸点和凝固点的影响，他们所能制取的最低温度并不能达到采用 r 2 2 / r 2 3 或r 2 2 / r 1 3( 高温级制冷剂采用r 2 2 ，低温级制冷剂采用r 2 3 或r 1 3 )时 的最低温度，而对于乙烷 ( r 1 7 0 )和乙烯 ( r 1 1 5 0 ) ，由于其沸点低于r 2 3 和r 1 3 , 所以可以考虑作为复叠式制冷循环的替代工质， 但是这方面的研究报道较少. 2 )混合工质 2 0 0 3 年8 月，美国国家环保局公布了 具有法定强制力的s n a p 计划 “ 第1 8 号 公告”cz e 1 。公告认可的新一批环保制冷剂替 代物中， 除发泡剂行业选用 r 2 4 5 f a 纯 挣物以外， 其余所有的新制冷剂替代物均为混合物。由 此可见， 对混合工质的研究 是当 前制冷剂替代研究的核心内 容之一2 7 1 ( 1 ) r 4 0 7 c ( r 3 2 / r 1 2 5 / r 1 3 4 a ， 质量百 分数2 3 0/ . / 2 5 % / 5 2 % ) 。非 共沸混 合制 冷 剂，o d p 为0 , g wp 值为1 7 0 0 . r 4 0 7 c 的温度滑移为5 . 7 1c ,蒸发潜热比r 2 2 大6 % 左 右， 吸气比 容比 r 2 2 高 4 % 6 %, 蒸发压力比r 2 2 低5 .6 %， 排气温度比 r 2 2 系统低8 - 1 0 c， 性能系数比 r 2 2 低2 % 左右2 8 1 。由 于温度滑移， 为了 获得与 r 2 2 相近的工作参 数，有必要调整和扩大热交换器的面积。且r 4 0 7 c 与矿物油不相溶，需要使用脂类 p o e 或聚醚类p v e 冷冻油，并且需要严格控制系统中的水分和杂质(2 e - 7 , 1 ( 2 ) r 4 1 0 a ( r 3 2 / r 1 2 5 ，质量百分数5 0 % / 5 0 % ) 。 近共沸混合制冷剂， 无毒不可 嫌，属安全性制冷剂，o d p = o , g wp = 2 0 0 0 . r 4 1 0 a 的容积制冷量、能效比以及质 量流量都与r 2 2 非常接近， 温度滑移小于0 . 1 c ，运行较稳定 7 2 1 。但是由于r 4 1 0 a 的 冷凝压力比 r 2 2 增大6 0 % ， 不能使用壁厚小于0 . 7 m m 的铜管做配管; 设备需改用p o e 华北电 力大学硕士学位论文 酷类油， 残留杂质与水分要少; 制冷系统采用分子筛作为干燥剂d d 。在传热性能和 性能系数方面r 4 1 0 a 要优于r 4 0 7 c ， 但其蒸气压力要高于r 4 0 7 0 . ( 3 )自 然工质的混合物 采用液化石油 气l p g ( l i q u e fi e d p e t r o l e u m g a s ) 作为制冷剂的系统其压缩比 和耗 功比r 1 3 4 a 低5 . 5 % 和4 . 3 %， 但是c o p 却比r 1 3 4 a 高7 . 6 %。 且有相对的安全性， 可以直 接充灌原 r 2 2 系统， 且在较高的蒸发温度下要比 r 2 2 节约能 源【u - w ) 。 一些文献中 还研 究了 其 他的替 代工质， 比 如: r 1 2 7 0 / r 2 9 0 1 ) , r 2 9 0 / r 6 0 0 和r 2 9 0 / r 6 0 0 a 139 ， 等， 均得 到了很好效果。 ( 4 )其他混合工质 d .b . j a b a r a j 9 ) 等 对 采用 r 4 0 7 c / r 2 9 0 / r 6 0 0 a 为 制 冷 剂的 窗 式空 调 器 进 行了 实 验 研究，结果表明，在不更改润滑油的情况下，制冷量方面新工质比 r 2 2 提高9 . 5 4 - 1 2 . 7 6 %，而c o p 上比r 2 2 提高1 1 . 9 1 -1 3 . 2 4 %e 由 质量分数为6 5 % 的r 2 9 0 和质量分数为3 5 %的r 1 5 2 a 组成的混和制冷剂是一种 对环境危害很小，温度滑移很小，具有合适的压比和c o p ，润滑特性很好的优良 近 共 沸 制 冷 剂， 用 于 替 代r 2 2 各 项 指 标均 优 于 r 4 0 7 c 和 r 4 1 0 a 我国 有关高校、研究机构及企业也推出了一系列的替代制冷剂，比如:上海申 豹化学试剂公司于1 9 9 7 年推出以r 3 2 / r 1 4 3 a 为基础的k l b 系列近共沸产品，它们可 分别 直接替代r 2 2 , r 1 2 及r 5 0 2 ; 清华大 学推出的 t h r 系列制冷剂等flj。 但是上述r 2 2 的替代工质在循环性能、实用性和环境可接受性方面均有各自 的 优缺点，尚未有完美的替代方案。 1 . 2 . 2 传热特性研究现状 在对替代工质的研究中，除了上述的工质物性和循环性能， 对传热特性的研究 也是非常重要的一环。 很多研究者对不同的传热管管型、 不同的工质在不同的工况下的传热特性进行 了实验研究及理论分析，同时也给出了 一些经验性及半经验性的传热系数计算式， 这对合理设计冷凝器与蒸发器具有指导意义。 文献【 4 幻通过实验分析了 三种采用r 1 3 4 a 不同铜质微通道换热器的换热特性。 结果表明已 有的适合普通换热器的两相流理论和关联式不适合微通道换热器。 文献 4 3 建立t 一个用来计算水平光管内r 2 2 , r 1 3 4 a , r 4 0 7 c , r 4 1 0 a的沸 腾换热系数通用的神经网络关联式。 与实验值相比， 大约7 4 %的数值偏差在加%以 内，结果要好于其他关联式。 文献 4 4 引进无量纲参数， 通过回归分析建立t r 1 2 7 0 , 8 2 9 0 , r 6 0 0 a , r 6 0 0 , r e 1 7 0 ( 二甲 基醚 ) 在水 平光管内的 核沸 腾传热关联式， 所建立的 关联 式对可燃性制 冷剂和卤 化制冷剂，其平均误差为5 . 3 % e 5 华北电力大学硕士学位论文 文献【 4 5 对9 . 5 2 m m标准的光滑微翅片管和箭尾形铜管采用r 1 3 4 a 作为制冷剂 时的沸腾传热系数和压降进行了实验研究。 实验结果表明: 箭尾形铜管有独特的换 热性能， 干度超过5 0 %时， 在质量流量比较高时， 其换热性能要好于光滑微翅片管， 但是在较低的质量流量下不如光滑微翅片管。 在所有的质量流量和千度范围内， 其 压降要高于光滑微翅片管。 文献【 4 6 - 4 7 通过对9 . 5 2 m m外径的水平铜管和7 种不同的低翅片管进行的实验 研究表明: 在用低翅片管时r 2 2 和r 4 1 0 a平均的蒸发换热系数要比光滑管高1 . 8 6 - 3 . 2 7 和1 . 6 4 -2 . 9 9 ， 在相同的试验条件下， r 4 1 0 的蒸发换热系数是r 2 2 的9 7 - 1 2 9 %; r 2 2 和r 4 1 0 a平均的冷凝换热系数要比光滑管高1 .7 3 . 1 9 和 1 .7 - 2 . 9 4 . 文献 4 8 研究t采用水平双管换热器r 2 9 0 . r 6 0 0 a , r 1 2 7 0 , r 2 2 的换热性能。 实验结果表明:碳氢化合物的局部冷凝和蒸发换热系数高于r 2 2 ，平均换热系数随 质量流量的增加而增加， r 1 2 7 0 最大，r 2 2 最小. 文献【 4 9 通过计算板式蒸发器内复杂的三维网状流动传热特性， 简要分析了各 种热力参数的变化对蒸发器整体传热性能的影响。3 种不同工况的计算结果表明: 不同的制冷剂， 其传热系数和压降差别较大; 相同工况下采用r 4 1 0 a替代r 2 2 ， 板 式蒸发器的传热性能可提高8 . 5 % -1 0 . 0 %，且压降可大幅降低。 由于本文主要进行r 1 3 4 a 在水平光管内的传热特性研究， 因此对于方面的研究 现状，在第五章给出了详细的介绍。 1 . 3 本课题主要研究内容 1 )广泛调研，了解目 前国内外r 2 2 的工质替代及其传热特性研究进展。 2 ) 建立制冷工质循环的理论模型， 通过v b 编写制冷工质循环性能计算的可视 化程序。 3 ) 在理论和实验的基础上对 r 2 2进行循环特性分析，并验证自 编软件的可靠 性与准确性. 4 )对r 2 2 的单级蒸气压缩式制冷循环中的替代i质( 包括r 2 9 0 , r 1 2 7 0 , r 1 3 4 a , r 7 1 7 , r 4 0 7 c , r 4 1 0 a , r 4 1 0 b 等)进行理论循环特性分析及比 较。 5 ) 对采用r 2 9 0 / r 1 7 0 , r 1 2 7 0 / r 1 7 0 与r 2 2 / r 2 3 等的复叠式制冷循环进行理论 循环特性研究与比较，分析其作为替代工质的可行性。 6 ) 对r 1 3 4 a 过热蒸气进行水平光管内 凝结换热特性的实验研究。 华北电力大学硕士学位论文 第二章工质循环特性计算程序的编制 工质的热力学性质和迁移性质计算的准确度， 将直接影响到工质循环性能计算 和传热特性计算的准确性。因此本文利用已收集到的一些权威数据、 计算方法和相 关软件，进行工质热物性基础数据的校核，并编制进行工质循环特性计算程序。 2 . 1 工质物性计算模型 2 . 1 . 1 热力学性质计算模型 2 . 1 . 1 . 1纯工质 1 )状态方程的选择 计算纯工质的热力学性质可以 采用的状态方程很多，常见的有 p r方程、 c s d 方程、 b w r方程、 m b w r方程、 m 一方程以 及h e l m h o l t z 自由 能状态方程等。 各个方 程的 精度和适用范围也不尽相同， 也各有优缺点。 p r状态方程是通用型状态方程，既 适用于气相， 也适用于液相， 只要知道物质的临界参数和偏心因子就能计算物质的热力 学 性 质， 所得结 果也比 较令人满意5 0 -5 1) 。 因 此本 文就 选择p r方程作为 计算工 质热 力性 质的状态方程。 p r 方程的形式为50 : _ r t a 汀 、 厂 =一妇 一 ， ， 尸 一 - 一 ， -呼 二 v 一 b v ( v + b ) + b ( v 一 b ) ( 2 - 1 ) 式中， ( 2 - 2 ) 、!月lee.es、lesee，.eeesj 几乙 a ( t ) = 4 0 ( t m ) a ( t , ) = 0 .4 5 7 2 4 r 2 t 2 l p b 仇) = 0 .0 7 7 8 0 r t , / p , a 0， 一 ， + x (1 一 t 0s 1 x=0 . 3 7 4 6 5 +1 . 5 4 2 2 6 w一0 . 2 6 9 9 2 a t , = t ( t 口 为偏心因子。 当己知t , p 确定v 时，有时用下列压缩因子z 表示的p r状态方程比较方便， 具体形式如公式 ( 2 - 3 ) 0 2 ) 烩和嫡的计算 烩和嫡的计算公式可以利用p r状态方程通过余函数方程求得。 7 华北电力大学硕士学位论文 z + (1 一 。 ) z 2 + (a 一 3 b ， 一 2 b 一 (a 。 一 ， ， 一 ， ， ) = a 一 ( a p ) i ( r t 2 ) b = (b p ) i ( r 约 ( 2 - 3 ) p r状态方程导出的余函数方程及治、嫡的计算公式为 余 自由能方程: a ， 二 * t in v 竺 a=a o 一 a , 2 扬 i n 竺 卫 卫 竺 v +14 1 4 b ( 2 - 4 ) 余嫡方程及嫡的计算式 s _ = 一 ， 、 v - b + ,(3 户 hi v - 0 .4 1 4 bin - + - 1n一 r in v v 2 , 1 2 b v + 2 . 4 1 4 b v o so 一 “ + 二 一r in 责 s=s o 一s , ， = 涪黑气 . j ! l , a k i , 口 ) ( 2 - 5 ) 余治方程及焙的计算式: h , = a , + t s ， 十 扭 t - 、 一 h o 十 f c p o d t t o h = h o 一 h , ( 2 - 6 ) 式 中 ， v o 与 实 际 气 体同 温同 压 下 的 理 想 状 态 气 体的比 容 ， v , = p r / t , 扩/ 枯; 凡 、s o 与 实 际 气体同 温同 压 下的 理 想 状 态 气体的 比 烙 和比 嫡， k j / k g 和 k j / ( k g -k ) ; p o , t o 基准状态下的压力和温度， m p a 和k ; 砧、蜡 基 准 状态 下的比 焙 和比 嫡， k j / k g 和 k j / ( k g -k ) ; c p o 理 想 气 体 比 热 ， c p o = c + c ,t + c 2 t z + c , t , k j / ( k g -k ) , c , c , , c 2 , c , . 为常数。 3 )比热的计算 在状态方程的基础上， 利用热力性质的一般关系式， 就可以得出定压比热的一 华北电力大学硕士学位论文 般表达式(5 2 ) ( a c )_ ( a 2 v ) i 一!=- 1 i -i l 即) ;l v t ) ， ( 2 - 7 ) 2 . 1 . 1 . 2混合工质 1 )混合法则 计算混合工质时，可用如下混合法则来确定方程中的常数或系数: 。 二 艺 艺 x ;x j a y i j b = yx ,b , ( 2 - 8 ) a , = (1 一 、a ,a j 在计算混合工质的焙和嫡时: ， = 一r i y- 乙可e ; j (二、 ，、 x ;x j t ,a , 十 t ,i a ; j ( 2 - 9 ) 式 中 ， x , , x j 分 别 为 混 合 工 质 各 个 组 分 的 摩 尔 成 分 ; x jj 为 二 元 交 互 作 用 系 数 . 对于混合工质的定压比热， 采用如下的混合法则(5 3 w , c p( 1 + w 2 c p f 2 y l c p , 1 + y 2 c p , 2 ( 2 - 1 0 ) 其中，w ， 和y 分别为组分i 的液相质量浓度和气相摩尔浓度。 气液相平衡计算 气 液 相 平 衡 时 ， 各 相 温 度 相 等 ， 各 相 压 力 相 等 。 各 组 分 在 气 相 的 逸 度 f 1 和 在 液 相 的 逸 度 .r 相 等 。 计 算 公 式 如 下 : 刃 一一 护 丙厂 i i y , _ i 1x , k , = y , / x , = 碑 / 宕 y- x , = a l : x ， 一 1 二 。 艺 ， ， = 域 艺 y 一 1 = 0 ( 2 - 1 1 ) 华北电力大学硕十学位论文 nc - y i / ， 贾 尸一 1二 v 言 k ， y k ,x , 一 卜 ( 2 - 1 2 ) 式 中 方 一组 分 在 液 相 的 逸 度 系 数 ; f 1 一组 分 在 气 相 的 逸 度 系 数 : x r- 一 刃 组分在液相的摩尔成分; y i - 一 一 i 组分在气相的摩尔成分; k , 一一才 组分在气液平衡比或相平衡常数: ” 一组分。 用 于 p r 状 态 方 程的 i 组 分 逸 度 系 数成 的 计 算 公 式 为 : in 二 鲁 (z 一 1)一 1n (z 一 b )- “ 一 (ap)/ 伍 ， t ， ) b = 沙)/ 扭 t ) 2 艺 x , a ,b j b in z + 2 .4 1 4 b z一2 . 41 4 b ( 2 - 1 3 ) 上式 可以 同 时 计算气相和液相的 逸度系 数式和诃， 计算式时， 式中x ， 是i 组分 在气相 中的 摩 尔 成分， 计 算诃 时， 式中x , 是 i 组 分 在 液 相中 的 摩 尔 成 分. 2 . 1 . 2 迁移性质计算模型 在计算工质的迁移性质时， 采用文献 5 4 推荐的扩展对应态方法。 即借助于一 种特性已知的工质 ( 称为参考工质) ，其他工质计算时，根据这些被计算工质几个 基本特性与参考工质的关系， 利用参考工质的粘度和导热系数计算出所需工质的粘 度和导热系数. 下面仅对混合工质进行介绍， 若用于纯工质， 只要取组分为1 即可. 根据对应态理论，工质x 和参考工质口 的密度和温度之间存在下列关系: t = t i f . p . = p a ( 2 - 1 4 ) 式中，温度为绝对温度。 假 设 工 质x 是由n 组 工质组 成， 对于 其中 任 意第 .1 个 成分的 摩 尔 浓 度为x i 。 现 在首先来计算该组分的.f 和h 值: 华北电力大学硕士学位论文 f j 一 仇 f / t a lc p i h i 一 (t i, i t .c i ( 2 - 1 5 ) 其中 函 数o j 和o f 称 为 形 状因 子 ， 它 是 温 度 和 密 度 的 函 数一 旦 形 状因 子 给 定， 采 用如下的工质可以依次计算出人和气: b y 一 沁 + h y / 8 .f , = v 丽 h x 一 艺艺 x ,x j h y ( 2 - 1 6 ) 厂产 l l x ,x , f n h y j 一 j 司 了十、 一- 人 形状因子计算方法如下: 0 , = 1 + (w , 一 、 i a , + b , 1. t j+ 十 (c , + d , i t , 扮一 0 .5 ) h i = 吞 + 恤一 。 o l a z (v j + b 2 ) + c 2 (v i + d 2 ) 1ii t i u z o, 1 z j .c t i = m tn 2 , m a x t , i t , f ,0 .5 v 1+ 一 n it , -1 , / v , ,0 _5 11 ( 2 - 1 7 ) 式 中 ， 兀 ， t j f . 巧， 称 ， 分 别 表 示 第 .1 个 组 分 的 温 度 、 临 界 温 度 、 比 容 、 临 界 比 容 a , , 八 ，c , , 风 和a 2 , b , , c 2 姚 则为 方 程的 系 数。 1 ) 粘度计算 密 度 为 p ， 温 度 为t , 组 成 为卜 的 混 合 物 的 粘 度， 等 于 一 假 想 纯 工 质 的 粘 度 ， 即 ,7 ,. ( p , t ) 二 j s 扣 , t ) 。 根 据 对 应 态 原 理 ， 有 : 17 . 伍约二 。 n 仇, t / r , f = (m ., i m o y 2 .f u 2h s 2l3 ( 2 - 1 8 ) m是分子量。 采用下面两公式可以计算出m, . m , = (m ,m , )/ m , + m i 艺 艺 x ，x ， u 2 e 。 时， 过热 有 利; 当 9 o / a w o - 。 时 ， 过 热 不 利. 3 )回热循环 图3 - 3 为回热循环的系统图，图3 - 4 中1 - 1 - 2 - 3 - 4 - 1 为回热循环的压烩图。 从图3 - 3 可知过程 1 - 1 的比焙增并未直接用于制冷，但它使液体过冷进而产生 了制冷作用，由回热器的能量平衡关系: h 3 一 h , . = h 4 一 h 4 = h l 一 a ( 3 - 6 ) 华北电力大学硕士学位论文 因此与无过热循环 1 - 2 - 3 - 4 - 1 相比，其单位质量制冷量的增加量为 a q o = h 4 一 h 4 . = h l, 一 h , ( 3 - 7 ) 由上式可见回热循环就相当于没有过冷的有用过热循环。 22了ll 冷 凝 器压 缩 机 护 3 3 团热器 o w n m a il4且 图3 - 3 回热循环系统图 4 o . -一 一一一一 一知 h 回热循环 月啥心-d h叼1弓口 4id 3 . 2 . 2 变工况特性 1 )冷凝温度变化对循环性能的影响 假定蒸发温度保持不变，当冷凝温度变化时的压焙图如图3 - 5 所示。当冷凝温 度由兀 升高到刀时， 循环由1 - 2 - 3 - 4 - 1 变为1 - 2 - 3 - 4 - 1 。 从图中 可以 看出 单 位质量制 冷 量由 9 0 减小 到9 0 ， 而压缩机吸 气比 容 没 有 变化， 故单位容 积制冷量降 低. 理论功 由w o 增加到毗，因 而制 冷系数是降 低的。 2 )蒸发温度变化对循环性能的影响 假定冷凝温度保持不变， 当蒸发温度变化时的压焙图如图3 - 6 所示。当蒸发温 度 由 兀 降 低 到 刀 时 ， 循 环 由1 - 2 - 3 - 羊 1 变 为1 - 2 - 3 - 4 - 1 。 从 图 中 可 以 看 出 单 位 质 量 制冷量由9 。 减小到4 o ， 而压缩 机吸气比 容 增 大， 故单位容积制冷量降 低。 理论功由 w o 增加到畴， 因而制冷系数是降 低的 。 ! b p l g p 图3 - 5 冷凝温度变化对制冷循环的影响 h 图3 - 6 蒸发温度变化对制冷循环的影响 华北电力大学硕士学位论文 3 . 3 热力计算 本文根据g b / b 1 8 4 3 0 . 1 -2 0 0 1 标准， 采用空调工况进行循环计算， 不同循环的 工作参数见表 3 - 1 . 循环 冷凝温 度， 表 3 - 1 蒸发温 度， 不同循环的工作参数 过热过冷 度，度， 回热器 压缩机指 示效率 0口00拓xo口onqu :-; 0000魂uo 无无