一种非共沸循环工质与R22的性能对比实验

    引 言

    R22是卤代烃的一种,由于具有优良的理化性质和热力循环性能,所以自20世纪30年代问世以来,迅速在制冷、热泵系统中获得了广泛的应用.但该物质含有 氯原子,且高度稳定,在人类浑然不觉中对生态环境造成了严重的破坏.作为衡量循环工质性能的两个重要指标, ODP和GWP代表工质对臭氧层破坏能力的大小和对温室效应贡献的多少. R22的ODP为0105, GWP千倍于二氧化碳,所以其淘汰已成定局.近年来,对R22替代物的研究一直是国际热点.

    目前,世界上有许多科研机构对R22的替代物进行了大量的研究工作,并得到了许多新工质,这其中性能比较优良的是R407C和R410A,但它们都存 在一定的缺陷,例如: R407C单位容积制冷量比R22小2%~5%,冷凝压力偏高(约提高69~103 kPa)[1,2],由于其组成中包含了50%以上的R134a,所以不能与矿物油互溶; R410A的压力水平比R22高出约50%[3,4],不能直接用于使用R22的系统,另外它们都具有较高的GWP值.针对以上问题,有必要继续开展 R22替代物的研究工作.目前,对于混合工质作为替代物的研究成为热点[5~7],本文也将混合物作为研究目标,以求发现性能更加优异的替代工质.

    1 新物系的提出

    碳氢化合物是自然工质中的一大类,具有物系和性能上的多样性,有可能从中筛选出性能优良的循环工质,并可以根据优势互补原则形成多种混合工质,从而完成对 R22的替代.在制冷热泵所在的温度区内,丙烷、乙烷、丁烷、异丁烷、丙烯等可考虑作为循环工质.这类物质不仅ODP为0、GWP与二氧化碳相当,而且易 于获得、凝固点低、对金属无腐蚀,并可以与润滑油互溶,但此类物质易燃,所以在实际使用中,应加入适宜的阻燃剂.

    大多数卤代烃属于不可燃物质,所以本文选择ODP和GWP较小物质作为碳氢化合物的阻燃剂.R123是一种卤代烃,它的ODP小于R22,只有0.02, 而它的GWP为29,远远小于R22的1500,同时该物质在大气中的滞留时间很短,只有1.53年,所以本文认为选择R123作为混合物系的一元还是有 意义的.

    利用NIST的REFPROP V410软件进行理论计算,最终发现非共沸混合工质R290/R600a/R123 (50%/10%/40%,质量)的性能比较优良,为方便写作,以下简称为S3,计算数据见表1,但由于理论和实际之间往往存在一定的偏差,所以还需对此 混合工质进行实验研究.

    2 实验研究及分析

    2.1 实验系统及实验工况的介绍

    该实验台是单级蒸气压缩式水-水热泵实验台,实验台分为两部分,如图1所示.另外,温度和压力信号的采集由工控机来完成(温度测量精度为0.1℃,压力测量精度为0.001 MPa),冷凝器水侧和蒸发器水侧的流量由浮子流量计(精度为0.01 kg•s^-1)测得.