R22替代工质回热循环的性能分析

    R22是HCFCs类物质,对臭氧层有破坏作用。为了保护环境,1993年,在哥本哈根会议上通过了5哥本哈根修正案6,限定并最终要淘汰HCFCs。这样一来,被广泛采用并有着优良热力性能的R22也被列在最终被淘汰的范围内。为此,寻找R22的替代制冷剂就显得尤为重要。

    通常R22的替代制冷剂制冷性能比R22差,为了改善系统循环性能,可以考虑在系统中设置回热器。但是增加回热器后,在单位质量制冷量提高的同时单位压缩机耗功也相应提高,结果是系统的COP有可能提高也有可能降低;同时增设回热器必然带来系统成本的增加。因此,研究系统COP是否提高以及提高幅度是判断空调系统是否有必要增设回热器的前提。

    在给定工况下,系统COP的变化规律取决于制冷剂种类,考虑到R290,R1270,R134a/R1270(质量分数为0.45/0.55),R134a/R290(质量分数为0.6/0.4),R407C和R410A这6种制冷剂与R22的饱和蒸气压非常接近,都是R22的替代制冷剂[1-5],所以笔者对这6种制冷剂和R22分别进行回热循环性能分析,为今后选用这几种替代制冷剂时是否有必要采用回热循环提供参考。

    1 单级蒸气压缩制冷回热循环原理分析

    单级蒸气压缩式制冷回热循环,是在压缩机的吸气管道上设置一个回热器(或称气-液热交换器),使节流前的液态制冷剂与吸入压缩机前的制冷剂蒸气进行热交换,利用蒸气的过热使液体过冷。从冷凝器中出来的制冷剂提高了过冷度,这将有利于提高制冷量;与此同时,从蒸发器中出来的制冷剂增加了过热度,这将提高压缩机的耗功[6],其结果是系统的COP变化情况无法确定。系统原理图及p-h图见图1和图2。

    在回热循环中,冷凝器B与膨胀阀C之间增加了回热器D,其中高压液体与蒸发器E回气发生热交换,结果高压液体被冷却变成过冷状态;而低压蒸气则因回收了高压液体的热量而变成过热状态。

    在回热器中存在如下能量平衡关系:

    单位质量制冷量:

    单位容积制冷量:

    尽管1-1的比焓值并未直接用于制冷,但它使液体过冷,过冷部分的比焓差与过热部分的比焓差相等,并产生了制冷作用。所以,就分析循环特性并与理论循环相比较而言,回热循环等价于没有过冷的有用过热循环。

    2 回热循环中的性能分析

    本次分析计算的单级蒸气压缩制冷回热循环中,蒸发温度恒为7.2℃,冷凝温度分别为35℃,40℃,45℃,50e和55℃5种情况,压缩机机械效率为0.85。工质分别为:R22,R290,R1270,R134a/R1270(质量分数为0.45/0.55),R134a/R290(质量分数为0.6/0.4),R407C和R410A。根据给定工况,采用美国国家标准技术研究所开发的NIST REFPROP数据库软件,在热力计算时编程调用其内部热物性计算函数,分别计算不带回热器(过热度为零)的循环和带回热器的循环在不同过热度情况下的单位容积制冷量,COP和压缩机排气温度。加回热器后,由于压缩机进口过热度的增加必然导致压缩机排气温度的提高,过热度越大则压缩机排气温度越高。因此,为了保证系统安全运行,压缩机的最大排气温度也是考虑的问题之一。这7种工质在不同过热度下的单位容积制冷量及COP比较见图3~图16。