空气/水混合工质制冷循环理论计算

    0 引 言

    从20世纪70年代开始,随着臭氧消耗和温室效应两大环境问题的提出,传统制冷剂氟利昂正在逐渐退出历史舞台.寻找环保、高效的新型制冷剂成为全球制冷学者关注的热点.对于现存的大量的制冷装置,单一物质作为氟利昂替代物时,都在热力性能或者物理化学性质方面存在一些不足,例如一直被广泛看好的R134a,在替代R22时,要获得相同的制冷量,必须增大系统的体积.而将两种或多种纯物质的混合物作为制冷工质,通过各组分合理的比例搭配来达到优势互补,不但可以实现预期的制冷效果,而且具有潜在的节能可能性[1].关于混合工质的研究在全球已经取得了大量的成果,以R407C(R-32/125/134a)为代表的很多种混合工质已经得到商业化推广,大量用于现有设备.而对于新设计生产的设备,R410A(R32/125)的高制冷性能被大多数小型压缩机和单元式空调制造商看好[2].但是,这些混合物的组分一般都有HFC类物质,它们虽然对臭氧层无破坏,却有着很高的温室效应潜值,对环境仍然有害并且对未来有着潜在的威胁.从地球环境的长远角度来看,它们并不是理想的制冷剂.所以,用自然界中大量存在的,不对环境产生任何危害的物质作为制冷剂,即自然工质,被许多学者认为是解决制冷剂环境问题的最终途径[3].自然工质主要包括氨、碳氢化合物、CO2、水和空气等.其中,最环保、最安全的就是人们赖以生存的空气和水,它们早已作为制冷剂使用,并在淘汰氟里昂的进程中得到关注.

    空气是工业上最早使用的制冷工质之一,具有来源丰富、安全、环保等优点,而且在一定的情况下有理想气体性质.空气压缩制冷装置在很宽的较低制冷温度范围内(-50e以下)具有优良的运行性能[4],但是在普通制冷范围和空调领域性能相对较低.空气很难以定温吸热和定温排热工作,空气压缩制冷循环采用两个定压过程来代替定温过程,即逆布雷顿循环,它的制冷系数比同温限下蒸汽压缩制冷循环低很多,经济性较差.另外,由于空气的定压比热很小,空气压缩制冷循环的制冷量也受到限制.这两个缺点是空气的热力性质决定的,虽然在采用回热循环和大流量叶轮式压气机和膨胀机后,在制冷量方面有所改善,但不能彻底解决问题;蒸气压缩制冷采用低沸点物质做工质,由于工质的汽化和液化都是在定温定压状态下进行的,循环接近逆卡诺循环,具有很高的经济性.实际循环中采用过冷的方法,在不增加功耗的情况下增加了制冷量,使制冷系数提高.另外,工质从蒸发器吸热是通过汽化过程吸收汽化潜热,而通常工质的汽化潜热都比较大,所以蒸气压缩制冷循环的制冷能力也要比空气压缩制冷循环大得多.水作为制冷剂使用没有任何污染,而且水的汽化潜热非常大,是普通CFC压缩制冷工质的几十倍,在中高温热泵系统中应用有很高的经济性.但是,水在一般制冷空调温度范围内却很少使用,其最大的缺点是在一般蒸发温度下的饱和压力太低,真空度太高而难于保持.而且,纯水蒸气压缩制冷需要很大的压缩比,对压缩机要求较高[5].