混合工质用于单级压缩制冷回热循环的理论研究与分析

　　1 前言

　　单一纯工质低温制冷机和液化器一直是20世纪前期的主流。直到1936年混合制冷剂的重要性才被波德别尔涅克首先提出来^[1],到九十年代被kleemenko用于大型天然气液化中^[2]。而苏联是制冷装置中用混合制冷工质的先导^[3]。本文主要讨论二元混合制冷工质用于Linde-Hampson中的选择与配比,得出最佳制冷剂组合。

　　2 循环概述

　　混合工质节流制冷机由于克服了纯工质的一些缺点,而受到了广泛的关注,特别是近几年低温试验与低温冷藏对许多行业和部门来说都成为必不可少的方法和手段。图1所示的是Linde-Hampson制冷循环(LHR),其机构系统简单,采用混合工质就可以达到很低的制冷温度,可以降低运行压力、压比,使回热器两端水当量相匹配,从而减少回热损失,使节流前工质充分预冷,降低节流损失而达到提高热力学效率的目的^[4]。通过分别选用单一纯工质和非共沸混合工质在LHR系统中运行来比较各性能指标。

　　在对系统进行分析前先假定Linde-Hamp-son制冷机的回热器、节流阀、蒸发器中能量平衡,得出单位制冷量如下:

　　其中,Q0为蒸发温度t下的制冷量,n为制冷剂质量流量, h5、h2分别是低压和高压流体的在回热器热端的比焓。vhmin是回热器任意位置冷热流体的最小焓差。

　　在使用纯工质的系统中,vhmin通常是出现在回热器的热端。在图2的T-h曲线中可以看出,当温度在两相区时非共沸混合制冷剂的比焓是非线性变化的[5]。因此两股流体最小温差会发生在回热器的任意位置。

　　3 工质的选择及特性因素分析

　　LHR采用二元混合工质较多,故制冷剂的选择是单级压缩混合工质节流制冷机的重点,制冷剂选择的好坏直接影响着系统的可靠性。

　　针对不同的系统,采用不同的制冷工质和不同的混合配比,可以获得不同的蒸发温度。分析非共沸混合工质的特性,根据本课题要求的制冷温度及混合工质组分选取原则,选择了R23分别与R134a,R14,R125,R600a制冷工质进行混合作为系统循环的备选工质,并利用NIST8.0软件对混合工质的不同配比进行了模拟计算,得出相应物性参数图。

　　3.1 混合工质的物性参数

　　R23和R134a,R600a,R125,R14的标准沸点相差值,符合40—80°C同属HFC制冷剂,具有较好的环境可接受性。物性参数如表1所示,其混合制冷剂适用于-40~-80°C低温制冷系统,R23与R14更是可以制的-60~-100°C的温度,只是此状态系统的压比很高,COP值较低,对系统的压力要求特别高。

　　3.2 特性因素分析