热声热机中液相工质的选择与计算

    蒸气压缩式制冷工业目前正面临着一个巨大危机,那就是它所使用的CFCs制冷工质,由于其对大气臭氧层的破坏而将最终被淘汰.液相热声热机的研究和开发无疑是解决这一问题的最有前景的方法,它具有高效、安全和环境友好等特点.但目前关于液相工质的热物性的基本数据还比较欠缺,本文研究了液相工质的选择和热力学及热物性的计算,将对使用低品位热源的热声热机的设计开发具有重要的意义.

    1 液相工质的选择

    1.1 液体的热性质

    液相工质在临界区域,其热力学和热物理性质最为活跃[1,2],对热机的运行最为有效,它的使用要求热机概念上是基于Stirling和Molone原理工作的.液体在等温过程中热力学上具有热流和功的变化,在绝热过程中具有温度变化等特征,这些特征分别与液体的几个重要性质相联系:

    式中,dQT,dWT和dTa分别是压力变化dp在等温过程中引起的热流和功的变化以及在绝热过程中所引起的温度的变化,它们是热声热机正常工作的重要基本性能参数;T,p和V分别是绝对温度、压力和容积;B和kT分别是等压热膨胀系数和等温压缩性系数;Q和cp是密度和单位质量定压比热.

    从式(1)~(3)可以看出, TB,pkT和Qcp是最重要的热力学和热物性参数,热流或制冷量与TB的大小成正比,pkT主要与机器的结构和储存于液体中的弹性能即与爆炸危险相联系,对理想气体有TB=1, pkT=1,对近临界点区域的液体有TBU1, pkT[0.1,而液体的Qcp要比气体的要大得多.在近临界点区域工作的液体,一般在较大的压力和温度范围内有比气体更有效的热力学性质,液体在热声热机中的确是一种更有效的工作物质.

    1.2 液相工质的选择

    液体的热物理特性使其成为有用的单相制冷剂,液体温度在0.7TC≤T≤TC范围内,其热力学性质最为活跃和有效,因此一般希望液相热声热机的运行温度正好在液体临界点之下,对临界温度TC的选择一般根据热声热机的应用来确定,对运行在环境温度附近的功驱动的和热驱动的制冷机和热机,液体工质对其热机的工作起着重要的作用.对临界压力pC的选择,应在热声热机所要求的性能和材料的允许之间权衡,一般希望有较高的临界压力以获得所需的热声功率或提高热机的比功率或比性能,以减少热机的结构尺寸,但同时临界压力又要受到材料的限制而不能过高.

    为满足环境温度下工作的热声热机和一般材料的要求,液相工质的临界点在30℃≤TC≤120℃,pC≤5 MPa范围内选择是合适的,但满足条件的液相工质却不多,表1列出了适用于环境温度的液相工质,表中TC为临界温度;pC为临界压力.

    从表1可以看出,R218具有方便的低临界压力和合适的临界温度,较合适作为低品位热源热声热机的液相工质,以R218作为算例研究液相工质热力学和热物理性质的计算方法.