非共沸混合工质压缩制冷循环的不可避免火用损失

    0　引　言

    国内外对CFCS的替代工质进行了广泛研究,其中非共沸混合工质替代方案倍受关注。在实际的蒸气压缩制冷循环中,由于蒸发器内的放热流体和冷凝器内的冷却流体一般都是变温的,若循环使用纯质制冷剂,蒸发器和冷凝器内的温度不匹配致使产生较大的传热温差,而若使用具有变温相变特性的非共沸混合工质,则可减小蒸发器和冷凝器中的因传热温差而引起的不可逆损失,进而提高实际循环的热力学性能。

    在文献[1,2]中,根据热力学第二定律和有限时间热力学,提出循环不可避免损失的概念,并对如何计算循环不可避免损失进行了分析研究。文献[1,2]中的循环不可避免损失是指实际蒸气压缩制冷循环用内可逆逆卡诺循环代替后在最小平均传热温差下所求得的损失,是技术上或经济上不可避免的最小损失,在本文称之为理论不可避免损失。在实际的设计与计算中,文献[1,2]中的最小平均传热温差通常作为节点温差[3];在此节点温差下利用平均温度法[4]可求得平均传热温差,并可计算出该平均传热温差下的循环损失,本文定义为循环的实际不可避免损失。对于采用纯质且装置确定的蒸气压缩制冷循环,实际不可避免损失是一个定值,而对于非共沸混合工质的蒸气压缩制冷循环,实际不可避免损失是一个随混合工质的配比而变化的变值,只有在最佳配比下所求的不可避免损失才是真正意义上的实际不可避免损失。因此,对于非共沸混合工质的蒸气压缩制冷循环必须优化混合工质配比。

    本文利用无因次损失率为最小时循环损失最小的理论[1,2],对非共沸混合工质蒸气压缩制冷循环的混合工质配比进行优化,使得蒸发器和冷凝器内的温度匹配得到了改善,即有效地减小了蒸发器和冷凝器中的传热温差,从而提高了循环的性能。此外,本文还提出了利用该方法对不同的非共沸混合工质对进行筛选,选出实际循环更为适合的非共沸混合工质对,进一步地改善了实际循环的性能,减少了循环可避免的损失。

    1　实际蒸气压缩制冷循环中蒸发器和冷凝器内的温度匹配分析

    在使用传统工质R12的蒸气压缩制冷循环中,由于R12在两相区温度是恒值,而蒸发器侧的放热流体和冷凝器侧的冷却流体的进出口之间存在着温度梯度,使得蒸发器和冷凝器中冷热流体的温度曲线不相匹配。取文献[2]的算例(利用理论不可避免损失分析方法得到最小平均传热温差为Δt1min= 5.48℃、Δt2min= 5.72℃),以Δt1min和Δt2min分别为冷凝器和蒸发器内的节点温差,TH侧的进出口温度分别为31.5℃和38.5℃,TL侧的进出口温度分别为7℃和3℃。在上述条件下,通过计算可得蒸发器和冷凝器中的温度分布曲线如下图1和下图2所示。