空调工况下非共沸制冷剂在蒸发器内的传热窄点研究

    1 引 言

    随着CFCs类物质的淘汰,越来越多的非共沸混合物质作为替代制冷剂被提了出来,如R401A(R22/R152a/R124, 53% /13% /34% )、R409A(R22/R124/R142b, 60% /25% /15% )和R407C ( R32/R125/R134a, 23% /25% /52% )等,这些非共沸混合制冷剂正在被逐步推广使用。

    非共沸混合制冷剂的相变过程和纯制冷剂有明显的区别,它在相变时存在明显的温度滑移。正是根据非共沸混合制冷剂的这一特点,许多学者希望利用它来逼近Lorenz循环,提高空调、热泵系统的运行效率[1-4]。然而,要做到这一点是非常困难的,因为:要逼近Lorenz循环,必须实现制冷剂和换热流体的换热温差在换热器中的任意位置保持相等[5],事实上这是不可能做到的。一般情况下,换热流体为水或空气,由于温度变化有限,可以忽略比热的变化,认为它是常量,则温度变化量和焓变成线性关系。对于非共沸混合制冷剂,温度变化却往往和焓差成非线性关系。当水或空气在换热器中和制冷剂进行换热时,忽略换热器的漏热,认为任意微元段内两种流体的焓变相等,从而推理得出两流体的换热温差不可能处处相等,换热温差存在极值点,温差的变化也会造成了一定程度的可用能损失[6]。温差是传热的动力,了解非共沸混合制冷剂蒸发时和换热流体间的传热窄点变化规律,有助于合理设计换热器,优化空调、热泵系统。

    2 传热窄点发生的条件

    以非共沸混合制冷剂的蒸发过程为基础,考察制冷剂蒸发过程中传热窄点出现的条件: (1)假设制冷剂和换热流体进行逆流换热,且处于稳态传热过程;(2)假设在此模型考虑的温度范围内,忽略换热流体(水)的物性参数变化; (3)忽略换热器内部的阻力,制冷剂的蒸发压力维持不变,制冷剂没有过热度;(4)忽略换热器的漏热损失,认为任意微元段内制冷剂吸收的热量等于换热流体(水)释放的热量。

    非共沸制冷剂的蒸发过程如图1所示,考虑任意微元段1-2,根据能量平衡方程有:

    对于一个完美的蒸发换热温度匹配过程,制冷剂和换热流体间的传热温差应该处处相等: (dt/dx)f=(dt/dx)r,代入式(2)可得:

    由式(3)可知,要实现完美的温度匹配,制冷剂的焓值应随温度呈现线性变化,但目前已商品化的绝大多数非共沸制冷剂都不能满足此条件,从而导致蒸发过程中换热温差的明显变化,并有可能形成传热窄点使得单位面积的换热量降低。

    非共沸制冷剂蒸发换热过程可出现图2和图3所示的两种温度匹配情况,图2所示即为出现传热窄点的情况,对于图3所示的最大温差情况不做深入分析。由经典传热窄点理论可知窄点出现的条件为[6]:

    以上7式中的符号意义为:m#为质量流量, kg/s;h为焓值, kJ/kg,cp为换热流体的定压比热容, kJ/kg•℃;t为温度,℃;Constant为常数;Δ为差值;下标r代表制冷剂, f代表换热流体,p表示定压, in代表进口, out代表出口。