碳氢化合物用于小型制冷装置的研究现状

　　氯氟烃类制冷剂(CFCs)和氢氯氟烃类制冷剂(HCFCs)造成的臭氧层破坏和温室效应等环境问题日益严重,由此导致的对人类健康的威胁也在加剧,这引起了人们对这些工质的担忧。在我国,CFCs已经被淘汰,而HCFCs也在逐步淘汰之列,欧美国家也在逐步淘汰HCFCs。所以目前制冷空调行业使用的替代制冷剂主要是HFCs以及碳氢化合物类制冷剂(HCs),研究工作主要是寻找低臭氧层消耗(ODP)、低温室效应(GWP)的含HCFCs或HFCs的混合制冷剂,其中对HCs纯质及其混合工质的研究也是热点。在欧洲国家,HCs一直广泛应用于空调、冰箱等制冷装置,此类产品的制造商也较多,有很好的市场[1]。在中国,大部分小型制冷装置使用的制冷剂为R22或R134a,或者是含HCFCs或HFCs的混合制冷剂。笔者将讨论碳氢化合物工质在小型制冷装置如房间空调器、电冰箱等上的研究情况。

　　1 碳氢化合物的性能研究

　　近年来,碳氢化合物以优越的环保性能和经济成本低等优势引起人们的关注。对HCs的性能研究,大多数学者采用程序计算和实验验证相结合的方法。由于目前在小型制冷装置中应用最广泛的是R22和R134a,研究工作主要是寻找与R22和R134a在性能上接近的HCs工质,达到减少对系统的改造、降低成本的目的。

　　1.1 碳氢化合物的热力学特性

　　根据替代制冷剂的选择原则,首先要从制冷剂的热力学特性上进行分析,尽量使替代制冷剂的饱和蒸气压力曲线与原制冷剂的饱和蒸气压力曲线一致。有研究表明,R290和R1270与R22的饱和蒸气压力曲线接近,R600a和R600与R134a的饱和蒸气压力曲线也很接近,这为保证上述HCs工质在制冷系统中的性能表现奠定了理论基础[1-5]。

　　1.2 碳氢化合物的循环性能

　　在确定HCs制冷剂的热力学特性之后,需要分析碳氢化合物的循环特性,以保证系统的运行性能。确定HCs的循环性能,需要从压缩性能和系统性能方面进行分析。

　　1)压缩性能

　　制冷工质在制冷系统中的压缩性能主要表现为:一是从制冷循环上所表现的压缩比和排气温度。压缩比决定了系统使用的压缩机尺寸,一般在特定冷凝温度的工况下,低蒸气压工质有较高的压缩比,但R290和R1270的压缩比与R22的接近。因此,R290和R1270可以使用R22系统的压缩机,而且在保持压缩机不变的情况下,王倩等[5]的实验也证明了直接充注R290的循环性能略优于R22的。而R600a的压缩比与R134a的非常接近[6],可以忽略因压缩比带来的影响。对于排气温度,与R22和R134a相比,碳氢化合物的排气温度都较低[4-5],这也表明制冷剂与系统的兼容性、与润滑油的相容性较好,有利于延长压缩机的工作寿命。二是制冷工质在压缩机中的实际工作性能主要表现为压缩效率和容积效率。E.Navarro[7]建立了全封闭往复式压缩机的数学模型,认为来自制冷剂的影响主要是热传递、制冷剂相变、压力损失和汽缸泄漏,因为各种制冷剂的物性不同。压缩效率主要受压力损失、汽缸泄漏的影响,其中随压缩比升高,R290,R1270,R600和R600a在压缩机中造成的汽缸泄漏较大、质量流量损失较大,因为其密度较小[8],此时这些工质的压缩效率会有所降低。容积效率主要受压缩机中制冷剂相变、热传递、压力损失的影响较大,容积效率影响到进口制冷剂的过热度。但由表1可知,R290和R1270的临界温度和临界压力与R22的相差不多,可见它们对压缩机的容积效率影响不大,而R600a的临界压力较低,有可能发生制冷剂相变,进入压缩机需要一定的过热度,以保证其容积效率。因此,单从压缩比和排气温度上讲,有些HCs制冷剂优于现今使用的HCFCs制冷剂,如R290和R1270。而在实际运行中,虽然HCs的压缩效率略低,但可以通过压缩机的局部改进来解决这些问题。另外,由于对各种碳氢化合物在压缩机中的实际工作性能试验要花费很多的时间和很大的代价。因此,可以建立数学模型对碳氢化合物进行筛选,以获得压缩性能较佳的制冷剂,然后再做试验,以降低成本和节省时间。