三氟碘甲烷作为冰箱制冷剂的理论循环分析.doc

1、三氟碘甲烷作为冰箱制冷剂的理论循环分析王怀信 张宇 郑臣明 马利敏摘要：通过对环保工质三氟碘甲烷(3)的饱和蒸汽压曲线、冰箱名义工况和变工况下循环性能等三方面的理论分析,发现3和3的摩尔组成在 50%-65%范围的3/290 混合工质,理论循环性能与12 接近,具有作为冰箱中12 灌注式替代物的潜力。关键词：工程热物理 冰箱制冷剂 理论循环分析 3 3/290 1 引言冰箱制冷剂12 的现有替代物主要有134、600和152/22,它们分别在加工工艺、可燃性、环保和热工性能方面存在缺陷1,2,寻求新型环保节能的冰箱工质仍是人们研究的方向。三氟碘甲烷(3)是作为哈龙替代物而开发的新型灭火剂,其臭

2、氧层破坏势()为 0,20年的全球变暖势()低于 5,不燃,油溶性和材料相容性很好3,饱和蒸汽压曲线与12 相近,具备了作为冰箱制冷剂的前提条件(至于毒性目前还没有定论3,4)。关于3的热物性,只有文献3进行了较为系统的研究,目前还缺乏适用于汽液两相区的状态方程;3在冰箱工况下的循环性能,还没有被系统地分析。根据文献3的实验数据,确定同时适用于3汽液两相的方程;并在此基础上,对3在冰箱工况下的循环性能进行系统地理论分析,旨在考察其作为冰箱制冷剂的可能性。2 理论循环分析的工具2.1 状态方程两参数、的求解状态方程5的具体形式为:(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)而是方程(8) 的最小正

3、根。(8)式中,为工质的通用气体常数,=/。确定状态方程需要具体物质的四个参数:临界压力、临界温度、虚拟压缩因子 、斜率。对于3,文献3给出其=3.953,=396.443。、的求解方法如下:(1)选取个饱和液相数据点(、) (=1,);(2)假设一个初值;(3)由式(6)、(7)、(8)求出 、,代入式(4)、(5)求得、;(4)由汽液平衡条件=,输入某数据点的(、),由式(1)、(2)求出 ;(5)由个数据点的(,)用最小二乘法拟合式(3),求出;(6)由 和已求出的 ,根据方程(1) (2)和汽液平衡条件计算各点的与的相对误差，以及个数据点的平均相对误差；(7)以一定的步长改变 ,重复步

4、骤(3)-(6)。选取最小所对应的 、作为方程的参数。文献3给出了3在 301-范围内的 25个饱和液相密度点,其中 3个数据点是为了确定临界点而测的;把这 3个数据点当作一个临界点对待,选取其余 22个数据点按照上面的步骤求解得到3的=0.6514、=0.3105。2.2 状态方程精度的验证为了检验如上确定的适用于3的方程的计算精度,以该方程对3的饱和液密度、饱和蒸汽压、气相区性质进行了计算,并与文献3的实验数据进行了对比。对比实验数据为0.9(即356.80)范围内的 13个饱和液相点、22 个饱和蒸汽压点和内 77组气相区数据。结果表明,饱和液密度、饱和蒸汽压、气相区密度的最大相对误差分

5、别为 2.94%、0.42%、5.87%,平均相对误差分别为 1.54%、0.25%、2.17%。相对误差、平均相对误差计算式分别为（9）（10）式中,-所要比较的物理量,-方程的计算值,-实验值,-数据点的个数。冰箱的名义工况为蒸发温度=-23.3,冷凝温度=54.4,吸气温度、过冷温度 32.26,处于上述温度区间。可见,确定的适用于3的方程,能够用于对3的冰箱循环性能分析计算,而且精度良好。3 3蒸汽压曲线的分析从热力学角度看,替代制冷剂最好具有与原制冷剂相似的蒸汽压曲线7。图 1为几种工质的蒸汽压对比,其中3的蒸汽压方程为3（11）式中, 1=-7.204825,2=1.393833,

6、3=-1.568372,4=-5.776895,适用范围 243;其它制冷剂的蒸汽压数据来自8。由图 1可见,在冰箱名义工况的温度区间内,152/22、134的蒸汽压曲线与12 吻合得很好;290 的蒸汽压高于12,600的蒸汽压则比12低许多。3的蒸汽压介于600与12 之间,在冰箱名义工况下与12 的最大差距为 20%左右。由蒸汽压看,3比600更适合作为12 的灌注式替代物;按照优势互补原则选择290 与3组成混合物,灌注式替代12 的效果可能会更好。4 3作为冰箱制冷剂的循环性能分析4.1 冰箱名义工况采用带回热的冰箱制冷循环模型,即用回热器来实现工质的过冷和过热,并设工质经过回热器换

7、热后节流前的温度与压缩机的吸气温度相等,这一温度称为回热温度。计算3的循环性能所需的理想气体比热式3为:（8）式中的单位为,为3的气体常数,单位为/()。计算焓、熵的参考态为规定的-40的饱和液态,参考态上=0/,=0/()。在冰箱名义工况下,设压缩机的总效率为 0. 70,计算了几种工质的循环性能。混合工质的蒸发温度取为蒸发器进口和露点温度的平均值,冷凝温度取其冷凝压力下的泡露点平均值。计算结果见表 1。表中1、2 分别表示质量百分比 85/15、75/25 的152/22。观察表 1中各种工质的性能参数,在压力水平方面,除了600、290 外,现有的几种冰箱制冷剂的蒸发压力、冷凝压力与12

8、 都很接近。3的压力水平与12 有一定偏差,其略低于大气压,蒸发器为微负压,不利于系统运行。3的压比与12 的最接近。压缩机排气温度方面,600和290 的较低。3的较高,不利于压缩机的运行;但与1、2 十分接近,表明目前的冰箱压缩机能够承受这样的温度。3的单位容积制冷量比12小 20%左右,也比134、1 和2 小,290 比12 高 40%左右。3的是最高的,比12 高 3.4%,这是3的优势,而290 是最低的。通过以上的比较可以看出:(1)3的循环性能指标与12 相近,可以在对原有制冷系统稍作改动的基础上,作为12 的灌注式替代物;(2)290 与3在循环性能指标上具有互补性,若将两者

9、组成混合物,在性能上可能更接近12。4.2 变工况变工况循环性能分析,一般包括、随冷凝温度、蒸发温度、回热温度的变化规律。相比之下,各性能指标随回热温度的变化规律比随蒸发温度、冷凝温度的变化规律更重要一些,这是因为冰箱的回热器一般裸露在环境中1,回热温度的变化幅度、频率要比蒸发温度、冷凝温度要大、要快。分析几种制冷剂循环性能指标随回热温度的变化规律,分析方法是固定蒸发温度、冷凝温度,变化回热温度,看性能指标的变化趋势。结果如图 2-图 5所示。回热温度由 0变化到 50,几种工质的都降低,其中3降低得最慢。在方面,290 随回热温度的变化显著,其他工质的变化规律相似。随着回热温度的升高,3的增

10、加速度比其它工质快,这是不利于冰箱运行的。由于在计算中固定了蒸发温度、冷凝温度,所以对于纯质来说保持不变,而对于混合工质来说,有轻微地上升。由图还可以发现,3与290 的循环性能指标分布在12 的两侧。3各项性能指标随回热温度的变化所表现的规律与12基本类似,数值幅度上的偏差也不太大。优于12,较12 为高。总起来说,3存在作为12 灌注式替代物的潜力。5 3/290 混合物作为冰箱制冷剂的循环性能分析5.1 冰箱名义工况由以上分析可知,3与290 的循环性能具有互补性,下面具体分析不同配比下290/3混合物的循环性能。计算工况、压缩机总效率的选取同上。表 2列出了循环性能计算结果。由表 1已

11、经知道3的、0、都比290 的小,所以随着290 在混合物中所占比例的增加,290/3混合物的、0、都应该呈现增大的趋势,而、应该减小,这种规律在表2中得到了很好的体现。对比表 2和表 1,可以看到3/290 混合物在65/35、60/40、55/45、50/50 四种摩尔百分配比下各个性能指标与12 吻合得很好。5.2 变工况对上面所给 4种配比下的3/290 混合物进行了循环性能参数随回热温度变化规律的计算。结果表明,混合物的循环性能与12 十分接近,从理论循环分析的角度看,是12 理想的灌注式替代物。图 2-图 5中列出了摩尔百分比为 65/35(质量百分比为 89.2/10.8)的3/

12、290 的计算结果,其它 3种配比下3/290 混合物的性能也与之相近。5.3 可燃性分析以上 4种配比的3/290 混合物中,290 的摩尔比例最大为 50%,其相应的质量比例最大为 18.4%。一般家用冰箱的制冷剂的充灌量为 0.1左右6,9,以本文提出的 4种3/290 混合物作为冰箱制冷剂,290 的最大充灌量仅为 0.0184。文献10指出,在密封性好的制冷系统中,只要碳氢化合物的充灌量小于 0.15,那么系统就是安全的。因此,3的摩尔组成在 50%65%范围的3/290 混合工质在应用中的安全性是可以得到保证的。6 结论(1)求得了适用于3的方程,此状态方程对于3的热力学性质和循环

13、性能计算具有较高的精度。(2)通过对3的蒸汽压曲线、冰箱名义工况、变工况的计算分析,发现3的循环性能与12 相近。(3)按照优势互补的原则,筛选提出了3的摩尔组成在50%65%范围的3/290 混合工质,其循环性能与12 十分接近,可作为12 的灌注式替代物。参考文献1 何茂刚.三氟甲醚作为冰箱制冷剂的理论分析.李惠珍,李铁辰等.西安交通大学学报,2003,37(1):10142 梁荣光.环保制冷剂-01 的应用.曾恺,简弃非.制冷学报,2003,24(1):57603 段远源.三氟碘甲烷和二氟甲烷的热物理性质研究:博士学位论文.北京:清华大学,19984 .,1997,35:645 . ,1982,37(3):4634736 王建栓.碳氢化合物在家用小型制冷装置中的替代研究:硕士学位论文.天津:天津大学,20007 刘志刚.替代工质筛选的热力学原则.傅秦生,焦平坤等.全国高等学校工程热物理第四届学术会议论文集,杭州:浙江大学出版社,1992,7376.8 1993,19939 何茂刚.灌注式替代12 的混合制冷剂冰箱对比试验研究.李铁辰,刘志刚.中国工程热物理学会工程热力学与能源利用学术会议论文集,上海,2003:440446.10 .-, ,2001,24(1):1524