逆向布莱顿循环多元非共沸混合工质组分变化对系统性能的影响

    将非共沸混合工质替代此前一直采用的空气应用于逆向布莱顿循环制冷,是目前替代工质研究的热点之一。通过不同组分的互补性,非共沸工质可以在很大程度上满足理想制冷剂的要求,将其运用于逆向布莱顿循环制冷有望获得较高的效率。笔者此前的研究表明, R290、R152a、R600a组成的混合物是逆向布莱顿循环较理想的制冷工质。

    笔者采用RKS方程、运用余函数法,对上述混合工质改变各组分配比进行计算,寻找较佳的组分配比范围,并进行了实验验证。

    1 计算结果及其分析

    取统一的空调工况为基准工况,以此作为比较基础:压缩机的进口温度为20℃,冷凝器出口温度为40℃,压缩机的进口压力为0.3MPa,压缩机的排气压力为1.2MPa,取压缩机的等熵效率为90%,涡旋膨胀机的等熵效率为70%。

    1.1 五组混合物的比较

    图1给出了五组混合物在基准工况下随丙烷或二氧化碳摩尔比变化的COP值。含丙烷的三元混合物包括全是碳氢化合物工质组成的混合物和碳氢化合物与HFCs工质组成的混合物。三元组分的配比为:丙烷的摩尔比从0变化到1,另两种组分分别为剩余摩尔比的一半。

    图2~图5给出了R290、R152a、R600a组成的混合物在基准工况下不同组分对COP、容积制冷量qv、排气温度t2、单位质量输出功We的影响。从图2中可发现,COP随着R600a的摩尔比的增加而增大,而随R290摩尔比的减少而增大。说明高沸点工质的增加、低沸点工质的减小有利于逆向布莱顿循环的制冷性能改善。

    从图3不同组分对qv影响中可发现同图2一样的规律。低沸点工质的摩尔比增加将使qv减小,高沸点工质增加则qv增大。

    由图4可知,混合物中R152a摩尔比的增加,将导致循环的排气温度增加,而R600a摩尔比的减小也将使排气温度增加。R290摩尔比的变化没有前两者的影响大。

    由图5可知,低沸点R290摩尔比的增加将增加膨胀机的输出功,而高沸点R600a的减小也能使膨胀机的输出功增加。这是因为在相同压力下,低沸点工质的增加或高沸点工质的减少将使膨胀机进口气体的汽化率增大,甚至使其成为过热气体,也就使单位质量的混合工质可获得更多输出功。

    图6综合了前面四个图的循环性能变化趋势。由图6可以发现,混合工质中不同组分对循环的不同性能的影响是不同的,这也是利用混合工质的互补原理的依据。通过不同工质混合使所得混合工质的各种循环性能综合化。因此,存在混合工质成分变化的最优区域,使得循环具有较佳制冷性能。图6中的阴影部分就是R290、R152a、R600a组成的混合物在基准工况下的较佳区域。它是COP、单位容积制冷量、排气温度、单位质量输出功这四者综合的最优区域。其中R290的大致摩尔比范围为0.3~0.5, R152a的大致摩尔比范围为0.08~0.27,R600a的大致摩尔比范围为0.4~0.5。