非共沸制冷劑在工業制冷中的應用分析

葉小芳

(無錫職業技術學院 控制技術學院，江蘇　無錫　214073)

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非共沸制冷劑在工業制冷中的應用分析

葉小芳

(無錫職業技術學院 控制技術學院，江蘇無錫214073)

摘要：非共沸制冷劑在相變過程中存在溫度滑移，能夠縮小相變過程的傳熱溫差，進而減小換熱器的傳熱不可逆損失，有利于提高制冷循環的效率，非常適合于變溫熱源的應用。所以非共沸制冷劑在變工況的工業制冷中有較大的應用前景。對于非共沸制冷劑，換熱器選型時應注意溫度滑移造成的影響，否則可能無法保證正常的換熱器余量。對于冷凝器應選擇泡點作為計算冷凝溫度；蒸發器選型應使用露點溫度。

關鍵詞：非共沸制冷劑； 溫度滑移； 工業制冷； 泡點； 露點

隨著CFC和HCFC類制冷劑的逐漸淘汰，混合物制冷劑在制冷、空調、熱泵領域得到了廣泛應用，如R507、R407C、R404A和R410A等。所謂混合物制冷工質是由兩種或兩種以上化合物組成的，按其特性不同可分為共沸混合物制冷工質和非共沸混合物制冷工質。共沸混合物制冷工質呈現單一制冷工質的特性，起單一制冷工質的作用。如R500，R502；非共沸混合物制冷工質不像單一制冷工質和共沸混合物制冷工質那樣在同一個溫度下沸騰，各組分物質的沸點決定了非共沸混合物制冷工質在一個溫度區間內沸騰，如R410A、R407C、R404A等，本文以非共沸制冷劑R404A為例，介紹并分析非共沸制冷劑特性及在工業制冷中的應用。

1R404A的物理化學性質

R404A由44%的R125、52%的R143a和4%的R134a組成。這三種成分都是 HFCs,所以其ODP 值為零, GWP 值均小于 1。R404A與共沸混合物R507(50%的R125、50%的R143a)具有相近的成分，與R507相比，除存在一定的溫度滑移外，兩者的物理、化學及熱力性質非常接近，他們都是R502和R22的良好替代物。表1列出了R22、R404A和R507三種制冷劑的性質參數。

表1　三種制冷劑的性質對比[4]

由表中各項數據可以看出：

1)三種工質均為安全、無毒的介質，對水的溶解度很低。

2)R404A和R507的標準沸點接近，均低于R22的標準沸點。因此從所能達到的低溫范圍看，R404A和R507要比R22更廣。

3)R404A和R507的飽和壓力比R22高，所以為確保系統安全，R404A與R507系統設計壓力一般高于R22。

2非共沸制冷劑的溫度滑移

非共沸制冷劑沒有共同的沸點，在定壓下蒸發或冷凝時，會導致氣相和液相的成分不同，進而使溫度也在不斷地變化。圖1表示了非共沸制冷劑的溫度—濃度(T～X)圖。

圖1中共有兩條曲線：即液相線和氣相線，1～4點的制冷劑狀態分別為過冷液體、飽和液體、飽和蒸汽和過熱蒸汽。在一定壓力下，當制冷劑被加熱時，首先從1點到達飽和液體點2，此時所對應的狀態稱為泡點，其溫度稱為泡點溫度。若再加熱將進入兩相區，并分為飽和液體和飽和蒸汽兩部分，其濃度在不同的狀態點是不同的，如圖所示，可以用XL和XV分別表示液體濃度和氣體濃度。繼續加熱到3點，制冷劑全部蒸發變為飽和蒸汽，此時所對應的狀態為露點，其溫度稱為露點溫度。泡點溫度和露點溫度的溫差稱為溫度滑移。在不同的壓力下，溫度滑移的數值也是不同的。在露點時，若再加熱即成為過熱蒸汽(點4)。

圖1　非共沸制冷劑的T～X圖

非共沸制冷劑的溫度滑移也可以在溫熵圖上清楚的體現出來，如圖2所示：Pe和Pc分別為蒸發壓力和冷凝壓力(等壓線)。定壓蒸發時溫度從泡點溫度升高到露點溫度(5—6)，定壓冷凝時則相反(7—8)。這與共沸制冷劑是不同的，共沸制冷劑的溫度曲線在T～S圖上是一條直線，即泡點溫度和露點溫度相同。

圖2　非共沸制冷劑溫墑

3R404A、R410A、 R407C的溫度滑移

R404A雖然是一種非共沸制冷劑，但在一定壓力下的溫度滑移較小。表2列舉了在不同壓力下R404A的泡點溫度、露點溫度和溫度滑移。

表2　R404A在各壓力下的溫度滑移

由上表可以看出：R404A的溫度滑移基本低于1 ℃，體現在圖2中，不會看到明顯的溫度變化。而隨著飽和壓力的降低，溫度滑移呈上升趨勢。這種溫度滑移不大的非共沸制冷劑稱為近共沸制冷劑，通常認為泡、露點溫度差小于3 ℃的混合制冷劑為近共沸制冷劑。常見的近共沸制冷劑除R404A外還有R410A，R410A的泡、露點溫差僅0.2 ℃。與R404A和R410A不同， R407C的溫度滑移比較大(約為7 ℃)，圖2能夠看到較明顯的溫度變化，在使用時最好將換熱器做成逆流形式。

4溫度滑移對換熱器選型的影響

溫度滑移的存在，對換熱器的選型計算具有一定的影響。由于R404A有一定的溫度滑移，在冷凝器和蒸發器的相變過程中，其冷凝溫度和蒸發溫度是變化的，因此換熱器選型時選用正確的設計溫度很重要，否則溫度滑移可能會造成換熱器的換熱面積不足。

4.1對冷凝器選型的影響

過熱蒸汽冷凝時首先將達到露點，此時制冷劑僅僅達到了結露點，溫度繼續降低至泡點時才會全部變為飽和液體。由此可見，在冷凝器選型時，以露點溫度作為冷凝器的冷凝溫度是不合理的，這樣可能無法使全部的過熱蒸汽冷凝為飽和液體。因此冷凝器選型時應將冷凝溫度設置為泡點所對應的溫度，否則換熱面積可能存在不足。

4.2對蒸發器選型的影響

蒸發器的相變過程與冷凝器恰好相反，即過冷液體首先達到泡點，而后為氣液混合狀態，繼續蒸發達到露點時才會完全變為飽和蒸汽。因此在蒸發器選型計算時，應當將蒸發壓力下露點溫度設置為蒸發器的蒸發溫度，這樣就可以保證所有的制冷劑液體在該蒸發壓力下都可以完全蒸發。

5結論

1) 由于非共沸制冷劑存在溫度滑移，所以對冷凝器和蒸發器的選型存在較大影響。對于冷凝器，應將泡點溫度設置為冷凝器的冷凝溫度；對于蒸發器，應將露點溫度設置為蒸發器的蒸發溫度。

2) 非共沸制冷劑適用于干式蒸發器，溫度滑移大的制冷劑(如R407C)不得用于滿液式蒸發器中。因為在滿液式蒸發器中，整個空間壓力處處相等，這就無法保證R407C不同組分都能均衡的蒸發，必定會有一種或兩種沸點偏高的制冷劑不能正常地參與制冷循環。對于R404A，雖然其溫度滑移較小，但當應用于滿液式蒸發器時，由于其成分在制冷循環中會發生變化，所以蒸發器應適當放大余量。

3) 非共沸制冷劑對制冷系統的氣密性要求很高。因為制冷劑的泄露會造成非共沸制冷劑中各組分濃度發生變化，由此可能影響機組的性能，而補充泄露的制冷劑將非常困難，所以很有可能需要將系統的制冷劑全部更換。

4) R404A和R507性質相似，都是R22的理想替代品，因此R404A完全可以應用于工業制冷系統。兩者最大區別是R404A為非共沸制冷劑，存在一定的溫度滑移。 R404A的系統設計可以參考R507的系統，包括設計壓力、材料選用、潤滑油選用等。低溫時R404A與潤滑油較難互溶，這一點與R22系統類似。

參考文獻：

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責任編輯陳桂梅

The analysis of the application of none-azeotropic refrigerants in industrial refrigeration

YEXiaofang

(School of Control Technology, Wuxi Institute of Technology, Wuxi214121， China)

Abstract：There is temperature glide of none-azeotropic refrigerants in the process of phase change which can narrow the temperature difference of heat transfer, and further reduce the irreversible loss of heat transfer in the heat exchanger, it is beneficial for improving the efficiency of the refrigeration cycle and suitable for the applicaton of variable-temperature. Therefore, none-azeotropic refrigerants has bright prospect in the variable condition of industrial refrigeration. To none-azeotropic refrigerant, the impact of temperature glide should be considered when selecting heat exchanger types, otherwise, it may not be able to guarantee the normal heat exchanger allowance. For condenser, we should choose bubble point as condensation temperature calculation; we should use the dew point temperature when selecting evaporators.

Keywords：None-azeotropic refrigerants; temperature glide; industrial refrigeration; bubble point; dew point

中圖分類號：TB 61

文獻標志碼：A

文章編號：1671-7880(2016)01-0043-03

DOI:10.13750/j.cnki.issn.1671-7880.2016.01.014

作者簡介：葉小芳(1966—)，女，江蘇宜興人，副教授，高級工程師，研究方向：制冷技術。

收稿日期：2015-10-26