碳氢化合物制冷剂的特性分析

    1 引言

    碳氢化合物作为制冷剂具有很好的环境性能,世界上一些国家已将碳氢化合物用于家用冰箱和小型热泵以及间接制冷系统中用作CFC、HCFC和HFC的替代物[1-6]。通常用作制冷剂的碳氢化合物的有关性质如表1所示[7]。

    为了替代传统的蒸汽压缩制冷系统使用的R12或R22,必须找出与它们具有相同蒸汽压的制冷剂。图1给出了各种制冷剂的饱和特性曲线。

    从图1可以看出,相同温度下,R22的饱和压力最高,丙烷次之,R134a和R12的饱和压力非常接近,而丁烷和异丁烷(R600a)的饱和压力最低。通过各种制冷剂的混合,可以获得所需饱和蒸汽压的混合制冷剂。

    2 循环特性

    2.1 压缩特性

    在给定冷凝温度(40℃)下,各种制冷剂在不同蒸发温度下对应的压力比如图2所示。R22和R12的压缩比非常接近,丁烷、异丁烷和R134a的压力比较大,而丙烷的压力比则较低。

    对于制冷循环来说,等熵压缩后的温度也很重要,在给定冷凝温度(40℃)下,各种制冷剂在不同蒸发温度下对应的等熵压缩后排气温度如图3所示。

    由图3可知,各种制冷剂的等熵压缩温度均比R22低。事实上异丁烷和丁烷在压缩前都需要一定的过热,以保证在经过等熵压缩后不会处于湿蒸汽区。

    2.2 单位体积制冷量

    单位体积制冷量qv,即蒸发器出口处每单位体积蒸汽的制冷量。因此,具有较高体积制冷量的制冷剂,在给定压缩机压缩容积时会有较高的制冷能力。图4给出了基本制冷循环(节流前没有液体过冷,压缩前没有蒸汽过热)在冷凝温度为40℃时几种制冷剂的体积制冷量。

    由图4可知,丙烷的制冷量比R22略低15%,R134a的体积制冷量与R12非常接近,丁烷、异丁烷的体积制冷量差不多是R12的1/2。qv与蒸发器中的压力极为相关,高饱和蒸汽压的制冷剂一般具有较高的体积制冷量(可与图1比较)。

    2.3 循环热力学效率

    为了评价不同制冷剂循环的能量损耗,选用一个基本制冷循环(假设理想的等熵压缩,没有液体过冷和蒸汽过热)与蒸发温度和冷凝温度间的卡诺循环相比较,其COP值之间的比值称为/循环的卡诺效率0。不同制冷剂的卡诺效率如图5所示(冷凝温度均为t1=40℃)。

    对于给定的冷凝温度t1,假如蒸发温度t2较低,则制冷循环效率也较低。其主要原因在于:随着温度差(t1-t2)的增加,节流损失也增大。从图5中可以看出,各种制冷剂在相同的蒸发温度下的循环效率最多相差5%。