蒸发器中非共沸混合工质的换热特性

    1 引言

    事实上,在制冷空调领域对于混合工质的研究由来已久,正是由于混合工质自身具有一些纯工质无法比拟的优势(可以集多种纯工质的优良特性于一身),它在实际工程中的应用才越来越广泛,对于它的研究也一直是热点。

    制冷空调系统循环/窄点0对传热不可逆损失过程的影响主要发生在循环系统与外界热源不匹配的情况下。事实上采用混合工质不仅能克服循环/窄点0对传热过程的制约,而且使用方便、可靠。1975年A.Lorenz提出采用混合工质与外界热源匹配,弱化/窄点0对传热过程的制约,并提出Lorenz-Meu-tzner循环模型。R. Radermacher和Jung改进了Lorenz-Meutzner循环,初步试验该系统采用HFC混合工质可以减小能耗16.5%。德国H.Kruse[1]考虑季节能效比,通过改变工质R22PR114的配比进行热泵容量调节,以适应变工况负荷及外部热源约束条件。Halder对混合工质R32PR152a进行了空调工况仿真研究,得到了相比R22系统节能8.5%~15.3%的结果[2]。杨昭教授[3]从混合工质变浓度运行和调节机理进行了理论与实验研究,同样认为混合工质变浓度调节可以改善系统循环性能,比速度调节具有更好的节能效果。这和You[4]的分析结果类似,不过由于混合工质变浓度调节系统的结构复杂、体积庞大妨碍了其实用化发展,因此有待进一步优化设计。

    在简略回顾了混合工质研究历程的基础上,主要针对非共沸混合工质在制冷空调系统蒸发器中的换热问题进行研究,从而力求揭示出混合工质相比于纯工质所具有的一些新的特性。

    2 理论分析

    2.1 热力学循环分析

    制冷和空调系统中的非共沸混合工质循环,通常由以下过程组成:定熵压缩过程(1-2);定压变温放热过程(2-3-4-5),其中放热相变过程(3-4)为变温过程;节流过程(5-6);定压吸热过程(6-7-1),其中蒸发相变过程也为变温过程。如图1:

    非共沸混合工质循环与纯工质蒸气压缩制冷循环的区别在于:工质在两相区吸热或放热过程中,前者工质温度不断变化,后者则恒定不变,如图1与图2所示。

    很多学者提出以非共沸混合工质实现Lorenz循环。然而与Lorenz循环不同,非共沸混合工质循环与纯工质蒸气压缩制冷循环均包含一个不可逆的节流过程。如果将上述节流过程5-6改造为等熵膨胀过程5-5.,并假设传热温差为零时,此循环属于广义的Lorenz循环;若图1与图2中冷凝曲线2-3-4-5及蒸发曲线5.-6-7-1的平均温度相等时,则所有混合工质及纯工质的理论循环效率应该相等,并与工质物性无关。因此非共沸混合工质蒸气压缩制冷循环与Lorenz循环的明显区别在于:(1)非共沸混合工质蒸气压缩制冷循环为不可逆循环过程;(2)非共沸混合工质蒸气压缩制冷循环的实际效率系数与工质物性、传热特性及循环系统外界条件密切相关。