碳氢化合物在复叠式制冷循环中的热力学分析与比较

     1 前言

    单级蒸气压缩式制冷机所能达到的蒸发温度取决于冷凝压力和压缩比。当循环的工作温差增大时,使压缩比增大。造成压缩机效率下降,系统的制冷量和性能系数COP下降,排气温度升高,运转条件恶化,甚至危害压缩机的正常工作。要得到低于-60e的蒸发温度,可以采用复叠式制冷循环。即将总的制冷循环温差分成2个或多个区段,每个区段用性质相宜的制冷剂进行循环[1]。

    对于由两个单级蒸气压缩式制冷循环组成的复叠式制冷系统,通常采用R22作为中温制冷剂,R13或R23作为低温制冷剂,其蒸发温度可达-80e它们的臭氧层衰减指数ODP值接近0,但温室指数GWP值较高,并且在大气中存活时间较长,所以它们均是受控物质,对于发展中国家到2010年停止R13的生产和消费,到2040年停止R22的消费,因此需要寻求新的替代制冷剂,以满足低温制冷的需要[2]。

    碳氢化合物的热力性能良好,ODP与GWP接近于0,并且是一种价格便宜的环保制冷剂,主要使用的有R290(丙烷)、R1270(丙烯)、R170(乙烷)、R1150(乙烯)等及其混合物[3, 4]。目前高温工况下的替代研究比较广泛[5-8],中温工况下有的也有所研究[9],但低温工况下的替代研究较少。本文主要对在复叠式制冷循环中采用R290、R1270、R170以及R1150碳氢化合物作为制冷剂时,进行热力学理论分析,并与使用R22/R23作为制冷剂的复叠式制冷循环进行比较。

    2 几种制冷剂的特性分析

    2. 1 基本物理性质

    碳氢化合物可直接从石油天然气等的化工流程中提取,具有易于获得、价格低廉、凝固点低、对金属不腐蚀、无毒,对大气臭氧层无破坏作用,化学性能稳定,热力性能良好等优点。但是它们最大缺点是易燃、易爆,因此使用这类制冷剂时,系统内应保持正压,以防止空气漏入系统而引起爆炸。它们均能与润滑油溶解,使润滑油黏度降低,因此需选用黏度较大的润滑油。另外它们的单位容积制冷量较低,需要比较大的压缩机。表1列出了几种常用的碳氢化合物和R22、R23的基本物理性质[10]。

    2. 2 热力学特性

    图1示出了表1中各工质的饱和特性曲线。从图中可看出各工质按压力从大到小排列为R1150、R23、R170、R1270、R22、R290。R170与R23、R1270与R290以及R22的饱和特性曲线比较接近。

    3 复叠式制冷循环的热力学分析

    3. 1 循环原理

    图2示出了由两个单级蒸气压缩制冷系统组成的复叠式制冷环,高温级和低温级之间用蒸发冷凝器联系起来。高温部分采用中温制冷剂,低温部分采用低温制冷剂,每一部分都是一个完整的制冷系统。低温部分制冷剂在蒸发器内吸取被冷却对象的热量,并将此热量传给高温部分的制冷剂,然后再由高温部分的制冷剂将热量传给冷却介质。图3为复叠式制冷循环的压焓图。