CO2混合物用于复叠制冷系统的性能

    传统的复叠式制冷循环通常采用R22(高温级)和R13(低温级)做制冷剂,但由于CFCs和HCFCs物质对臭氧层的破坏及严重的温室效应,已被列入禁用化学品之列,因此采用替代工质是必然趋势.对高温级环路中R22的替代物,主要有HFCs、混合工质和自然工质,相关的理论和实验研究已经很多[1)3],而对低温级环路中R13的替代研究则相对较少[4)5]. R23、R508b、R502和R744是其中常见的几种替代制冷剂.R23是HFCs物质,ODP=0,GWP=12 000,具有很高的温室效应,仍然不能长期使用;R508b为R23/R116的混合物,R502为R22/R115的混合物,这几种成分依然是HFCs物质,也不能长期使用; R744作为自然工质具有很多优势,无毒,不可燃,价格便宜,来源丰富,蒸发潜热较大,单位容积制冷量相当大,运动粘度低,迁移性能好,与普通润滑油相容.但是,R744的固化点温度为-56. 57℃,在替代R13时,蒸发温度不能低于-56. 57℃,这是其最大缺点.针对这种现象,Gio-vanni等人[6]提出了寻找HFCs物质和R744混合来降低R744的固化点温度,实现其在低温区的制冷.但是他们的研究范围只局限在HFCs的物质中,这类物质仍然不能作为R13的最终替代制冷剂.寻找自然工质作为混合物才是最终的出路.乙烷、乙烯和丙烷都是固化点温度较低的自然工质.考虑到丙烷在低温工况下的单位体积制冷量非常小,这里只以乙烷和乙烯作为研究的对象.乙烷和乙烯是性能优越的自然工质,它们的缺点是易燃易爆.但是在混合物中,由于R744的加入,将稀释乙烷和乙烯的浓度.一旦发生泄漏会起到隔离氧气,并有少量的冷却降温作用,起到抑制乙烷和乙烯可燃爆炸的作用;同时乙烷、乙烯的加入降低了R744的固化点温度.因此,这两组混合物是优势互补的混合制冷剂对.本文主要研究R744分别和乙烷、乙烯混合作为复叠式制冷系统低温环路的制冷剂的性能,完全采用自然工质作为低温环路制冷剂.

    1 R744二元混合物的热力学特性

    1.1 基本物理性质

    由表1[7]可知,R744和R13的标准沸点和临界温度很接近,从基本物理性质的基础上为替代R13奠定了基础.乙烷和乙烯的标准沸点和R744也很接近,那么在和R744组成的混合物中,一旦发生泄漏,泄漏的组分差别不大.乙烷和乙烯的熔点都远远小于R744,这为降低混合物的熔点温度提供了可能.

    1.2 固-液平衡特性

    由于R744凝固点温度的问题,在计算其二元混合物时,首先需要考虑结晶问题.确定二者的配比保证其在具体的所需要的蒸发温度范围内不结晶,因此,需要计算固液平衡的方程式.固液平衡时,在整个两相中有均一的温度、压力和各组元逸度.平衡判据为

    式中上标l和s分别表示液相和固相.