自動(dòng)復(fù)疊制冷系統(tǒng)非共沸混合工質(zhì)組分變化特性

芮勝軍　張 華　賀 滔 　羅 浩

(1 河南科技大學(xué)車輛與交通工程學(xué)院　洛陽　471003；2 上海理工大學(xué)制冷技術(shù)研究所　上海　200093)

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自動(dòng)復(fù)疊制冷系統(tǒng)非共沸混合工質(zhì)組分變化特性

芮勝軍1,2張 華2賀 滔1羅 浩1

(1 河南科技大學(xué)車輛與交通工程學(xué)院洛陽471003；2 上海理工大學(xué)制冷技術(shù)研究所上海200093)

非共沸混合工質(zhì)冷凝是溫度不斷降低的等壓冷凝過程，氣相和液相組分不斷變化。當(dāng)冷凝器出口溫度為300 K時(shí)，液相混合工質(zhì)R600a/R23/R14的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為78.04/12.62/9.34，冷凝液大部分為R600a，但含有相當(dāng)數(shù)量的中低沸點(diǎn)工質(zhì)。冷凝溫度降低至280 K時(shí)，R600a在氣相中的比例為9.8%，即使冷凝溫度降低到質(zhì)量分?jǐn)?shù)35/35/30的泡點(diǎn)溫度249.49 K，R600a在氣相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)仍然占2.67%。相分離器I能夠分離78.04%的高沸點(diǎn)工質(zhì)R600a，但低沸點(diǎn)工質(zhì)R14在液相中占9.34%。相分離器II只能分離30.27%的R23，12.62%依靠相分離器I分離，其余的R23都被帶入到蒸發(fā)器。R600a在蒸發(fā)器內(nèi)仍然有6.31%的含量，低沸點(diǎn)工質(zhì)R14在蒸發(fā)器內(nèi)占45.64%。

自動(dòng)復(fù)疊制冷；R600a/R23/R14；組分變化特性；非共沸混合工質(zhì)

非共沸混合制冷工質(zhì)在自動(dòng)復(fù)疊制冷系統(tǒng)中循環(huán)流動(dòng)，通過自身熱力狀態(tài)的變化實(shí)現(xiàn)能量相互轉(zhuǎn)換和制冷。工質(zhì)在要求的低溫下蒸發(fā)，從被冷卻對(duì)象中吸取熱量；在較高的溫度下等壓冷凝，向外界排放熱量。只有在工作溫度和壓力范圍內(nèi)能夠氣化和凝結(jié)的物質(zhì)才有可能作為制冷工質(zhì)使用，多數(shù)制冷工質(zhì)在常溫常壓下呈氣態(tài)。工質(zhì)是實(shí)現(xiàn)制冷必不可少的內(nèi)部條件，其種類和性質(zhì)對(duì)能量轉(zhuǎn)換有直接影響。

自動(dòng)復(fù)疊制冷系統(tǒng)研究早期常用的制冷工質(zhì)有R12，R13和R21等[1-3]破壞環(huán)境較嚴(yán)重的制冷劑，隨著人們環(huán)保意識(shí)的不斷增強(qiáng)，這些工質(zhì)已經(jīng)被淘汰，這就需要尋找適合于自動(dòng)復(fù)疊制冷系統(tǒng)的新型替代工質(zhì)。適合于自動(dòng)復(fù)疊制冷系統(tǒng)的環(huán)保制冷劑較少，很多具有可燃性，近年來對(duì)混合制冷劑的性能研究較多[4-6]，涉及混合制冷工質(zhì)氣液相平衡特性、傳熱特點(diǎn)和工質(zhì)的組分變化等。公茂瓊等[7-9]研究了混合制冷工質(zhì)在兩相流道中相積存造成混合物濃度變化的問題，以及混合物溫度等參數(shù)對(duì)濃度變化的影響，根據(jù)兩相流動(dòng)相積存造成的低溫混合工質(zhì)濃度變化特征建立了數(shù)學(xué)描述模型，得出了由相積存造成濃度變化的計(jì)算表達(dá)式。陳光明等[10-11]計(jì)算了混合制冷工質(zhì)R32/R134a與R22的理論循環(huán)性能，對(duì)于變濃度系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，得到變濃度裝置應(yīng)該設(shè)在有液態(tài)工質(zhì)流出位置的結(jié)論，采用精餾柱進(jìn)行組分調(diào)整比氣液分離器或儲(chǔ)液罐效果好。許雄文等[12-13]建立了非共沸混合工質(zhì)兩相區(qū)換熱流動(dòng)工質(zhì)濃度偏移的數(shù)學(xué)模型，得出了濃度偏移發(fā)生的必要條件，研究了混合工質(zhì)兩相區(qū)流動(dòng)換熱的濃度偏移規(guī)律。Nayak H G等[14-15]研究了自動(dòng)復(fù)疊制冷系統(tǒng)液相節(jié)流和氣相節(jié)流混合制冷工質(zhì)的節(jié)流特點(diǎn)，討論了氮-碳?xì)浠衔铩?碳?xì)浠衔锏裙べ|(zhì)對(duì)在120 K溫區(qū)的應(yīng)用性能，分析了混合制冷工質(zhì)的組分變化規(guī)律。邵亮亮等[16]研究了R407系列混合工質(zhì)的濃度變化特性，其濃度特征線反映了非共沸混合制冷劑濃度變化后各組分之間的聯(lián)系，雖然充灌量或泄漏會(huì)使工質(zhì)組分濃度發(fā)生變化，但其濃度仍與初始濃度有著緊密關(guān)系。

非共沸混合制冷工質(zhì)物性的研究不僅包括黏性、導(dǎo)熱性、比熱容、與潤滑油的溶解性和溶水性等純制冷工質(zhì)所包括的所有性能，還要研究氣液相平衡、液固相平衡和混合工質(zhì)的相互作用特性。自動(dòng)復(fù)疊制冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)比較簡(jiǎn)單，但非共沸混合制冷工質(zhì)的工作機(jī)制非常復(fù)雜。

1 非共沸混合制冷工質(zhì)選擇

自動(dòng)復(fù)疊制冷系統(tǒng)使用混合制冷工質(zhì)通過單臺(tái)壓縮機(jī)實(shí)現(xiàn)多級(jí)復(fù)疊，在小型低溫制冷領(lǐng)域具有優(yōu)勢(shì)。與多級(jí)壓縮和經(jīng)典復(fù)疊系統(tǒng)相比，自動(dòng)復(fù)疊制冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠、操作簡(jiǎn)便。系統(tǒng)中制冷工質(zhì)比例的選取相當(dāng)重要，直接影響系統(tǒng)的運(yùn)行效果、系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和可靠性等。適用于自動(dòng)復(fù)疊制冷系統(tǒng)的混合制冷劑可以分為三類[17-18]：

1)高沸點(diǎn)制冷劑：R600a (isobutene)，R134a (CF3CH2F)，R22 (CHClF2) 和R290 (propane)；

2)中沸點(diǎn)制冷劑：R23 (CHF3)，R32 (CH2F2)，R170 (ethane)，R744 (carbon dioxide) 和R1150 (ethylene)；

3)低沸點(diǎn)制冷劑：R14 (CF4)，R50 (methane)，N2(nitrogen) 和Ar (argon)。

自動(dòng)復(fù)疊制冷系統(tǒng)常用制冷工質(zhì)的主要熱物性參數(shù)見表1。

表1 制冷工質(zhì)熱物性參數(shù)

非共沸混合工質(zhì)在定壓下沸騰時(shí)，露點(diǎn)線與泡點(diǎn)線呈魚形曲線。混合物在定壓下相變(蒸發(fā)或冷凝)時(shí)，伴隨有一定的溫度變化，變化量為混合成分所對(duì)應(yīng)的露點(diǎn)與泡點(diǎn)溫度之差，稱為相變溫度滑移。在相變過程中，氣相與液相的成分不相同，各自都發(fā)生變化，熱交換器中制冷工質(zhì)的實(shí)際沸點(diǎn)取決于工質(zhì)的壓力。當(dāng)液體混合工質(zhì)達(dá)到其泡點(diǎn)溫度時(shí)，如果繼續(xù)吸收熱量，液體就開始沸騰汽化。當(dāng)最后一滴液體在冷卻盤管(蒸發(fā)器)內(nèi)沸騰(蒸發(fā))時(shí)，蒸發(fā)溫度就升至“露點(diǎn)”。“沸程”就是“露點(diǎn)”和“泡點(diǎn)”之間的溫度差，等同于“溫度滑移”。 自動(dòng)復(fù)疊制冷系統(tǒng)所用非共沸混合工質(zhì)在循環(huán)過程中自動(dòng)實(shí)現(xiàn)各工質(zhì)的分凝、分離和混合過程，這決定了其循環(huán)過程不同于純工質(zhì)和共沸混合工質(zhì)，選擇混合工質(zhì)時(shí)除了需要滿足一般制冷工質(zhì)的熱力學(xué)性質(zhì)、安全性、物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)的要求外，還必須考慮以下幾點(diǎn)：

1)工質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)的距離。各工質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)之間的差距越大越有利于分凝和分離，且分離得到的低溫工質(zhì)的純度越高，但冷凝壓力也越高。如果各工質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)之間的差距太小，分凝難度就較大，分離后得到的低溫工質(zhì)的純度也較低，導(dǎo)致蒸發(fā)溫度難以滿足要求，蒸發(fā)過程中溫度滑移過大。根據(jù)單級(jí)壓縮機(jī)的壓比和毛細(xì)管前后的壓差所能得到的降溫效果，相鄰工質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)間的差距基本上保持在40 K～80 K的范圍。

2)工質(zhì)之間物理和化學(xué)性能。工質(zhì)的混合過程是一個(gè)不可逆過程，分子間會(huì)產(chǎn)生相互的微觀極性作用；各工質(zhì)應(yīng)該相溶，但不能形成共沸溶液；在循環(huán)過程的溫度區(qū)間各工質(zhì)間不產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)。混合工質(zhì)應(yīng)具有一定的溫度滑移區(qū)間，對(duì)于多次分凝分離循環(huán)尤為重要。混合工質(zhì)在兩相區(qū)才能進(jìn)行氣液分離，多次分凝自動(dòng)復(fù)疊制冷系統(tǒng)需要進(jìn)行多次分離，混合工質(zhì)應(yīng)具有較寬的溫度滑移區(qū)間。

3)制冷工質(zhì)的應(yīng)用。制冷工質(zhì)根據(jù)成分種類可以分為：CFC(氯氟烴)類、HCFC(氫氯氟烴)類、HFC(氫氟烴)類和HC(碳烴化合物)類等。制冷工質(zhì)的大量排放，會(huì)破壞大氣臭氧層，還會(huì)助長溫室效應(yīng)，加速全球氣候變暖。

相平衡特性是非共沸混合制冷工質(zhì)的基礎(chǔ)理論，依據(jù)它可以確定工質(zhì)與對(duì)應(yīng)循環(huán)熱力工況參數(shù)的適用性。圖1表示R600a，R22，R290， R134a，R23和 R14等的飽和蒸氣壓力與飽和溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系。對(duì)于高溫級(jí)制冷工質(zhì)，當(dāng)飽和溫度一定時(shí)，R600a，R22，R290和R134a四種工質(zhì)對(duì)應(yīng)的飽和壓力非常接近，都可以作為高溫級(jí)制冷工質(zhì)，由于R22的ODP值不為零，所以R600a，R290和R134a都可以作為高溫級(jí)制冷工質(zhì)。R744作為制冷工質(zhì)最大的特點(diǎn)是冷凝壓力較高，自動(dòng)復(fù)疊制冷系統(tǒng)排氣壓力相對(duì)較高，如果采用R744作為高溫級(jí)制冷工質(zhì)不僅使壓力進(jìn)一步增大，而且使設(shè)備和管道系統(tǒng)的強(qiáng)度增大，造成系統(tǒng)龐大笨重。R1150(乙烯)容易燃燒，化學(xué)穩(wěn)定性較差，使用時(shí)危險(xiǎn)性較大。R32由于良好的ODP和GWP性能，近年來使用范圍逐漸擴(kuò)大，但由于標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)在220 K附近，與其配組的其他工質(zhì)不容易選擇。R23和R14的ODP為零，但GWP相對(duì)較高，也不是很理想的選擇，但在目前情況下很難找到與其對(duì)應(yīng)溫度段更好的替代工質(zhì)。R50是易燃工質(zhì)，應(yīng)用于自動(dòng)復(fù)疊制冷系統(tǒng)具有一定的危險(xiǎn)性。

圖1 飽和蒸氣壓和溫度Fig.1 Saturated vapor pressure and temperature

綜合考慮各種工質(zhì)的物性參數(shù)，分析利弊，結(jié)合三級(jí)自動(dòng)復(fù)疊制冷系統(tǒng)的特點(diǎn)和溫度范圍，選擇了三種工質(zhì)：R600a，R23和R14。這三種工質(zhì)均不含對(duì)臭氧層有破壞作用的Cl原子，R23和R14的GWP相對(duì)較高，但其化學(xué)穩(wěn)定性較好。R600a和R23的標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)相差70.27 K，R23和R14的標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)相差46.03 K，溫差范圍比較理想。R600a是碳?xì)浠衔铮嬖谟谧匀唤纾珿WP為20，安全等級(jí)A3(高度可燃、低毒性)。R600a與礦物油互溶，價(jià)格低，易獲得，因其可燃，主要用于充注量小的制冷裝置中。R23的標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)為191.13 K，臨界溫度為299.29 K，主要用于復(fù)疊式制冷裝置。R14的ODP為零，GWP為5 700，安全等級(jí)A1，標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)145.1 K，適用溫度范圍為140 K到170 K。R14的分子中含有較多的氟原子，沒有氫原子，化學(xué)穩(wěn)定性好，用于低溫化學(xué)和低溫醫(yī)學(xué)研究，常作為復(fù)疊制冷裝置的低溫工質(zhì)。

2 非共沸混合制冷工質(zhì)冷凝過程

非共沸混合工質(zhì)在定壓下冷凝時(shí)溫度逐漸降低，各工質(zhì)在氣相和液相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)也逐漸變化。表2所示為根據(jù)NIST refprop 8.0軟件計(jì)算的混合工質(zhì)冷凝過程特性，壓力恒定為冷凝壓力2.0 MPa，溫度由壓縮機(jī)出口380 K逐漸減小，三元混合工質(zhì)R600a/R23/R14的充注質(zhì)量分?jǐn)?shù)為35/35/30。當(dāng)溫度降低到冷凝器出口溫度300 K時(shí)，冷凝器內(nèi)的干度為0.72，此時(shí)冷凝的液體量?jī)H占28%左右，大部分仍然為氣相混合工質(zhì)。

壓縮機(jī)排出的高溫高壓混合工質(zhì)氣體在冷凝器冷卻介質(zhì)的作用下溫度逐漸降低，當(dāng)達(dá)到324.54 K時(shí)開始有混合工質(zhì)液滴析出。最初出現(xiàn)的液滴并不是純凈的R600a工質(zhì)，其中R600a的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為86.55%，R23的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7.43%；R14的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6.02%。隨著溫度逐漸降低，混合工質(zhì)氣體逐漸冷凝為液體，所冷凝的液體中R23和R14的質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸增多，R600a的質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸減少。在324.54 K到249.49 K之間為混合制冷工質(zhì)逐漸冷凝的過程，到249.49 K混合工質(zhì)全部冷凝為液體，但冷凝的液滴并不是純凈的R14工質(zhì)，其中R600a的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.68%，R23的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為32.73%，R14的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為64.59%，混合液體工質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為35%，35%和30%。整個(gè)冷凝過程液相中R14的質(zhì)量分?jǐn)?shù)由6.02%逐漸增加到30%，R23的質(zhì)量分?jǐn)?shù)由7.43%逐漸增加到35%，R600a的質(zhì)量分?jǐn)?shù)由86.55%逐漸減小到35%。氣相中R14的質(zhì)量分?jǐn)?shù)由30%逐漸增加到64.59%，R23的質(zhì)量分?jǐn)?shù)先增大后減小，R600a的質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸由35%減小到2.68%。這三種工質(zhì)始終處于混合狀態(tài)，很難達(dá)到完全分離。

表2 混合工質(zhì)在2.0 MPa時(shí)的冷凝特性

3 非共沸混合制冷工質(zhì)循環(huán)特性

圖2所示為一種三級(jí)自動(dòng)復(fù)疊制冷系統(tǒng)原理圖。混合制冷工質(zhì)經(jīng)過壓縮機(jī)壓縮后進(jìn)入冷凝器，在冷凝器中混合制冷工質(zhì)溫度不斷降低，達(dá)到其露點(diǎn)溫度以后有液相析出，高沸點(diǎn)工質(zhì)在冷凝器內(nèi)大部分被冷凝為液體，中低沸點(diǎn)工質(zhì)大部分仍然保持氣態(tài)。從冷凝器出來的氣液混合物經(jīng)干燥過濾器后進(jìn)入相分離器I，在重力作用下氣體與液體實(shí)現(xiàn)自動(dòng)分離：高沸點(diǎn)工質(zhì)液體經(jīng)相分離器I底部送至毛細(xì)管節(jié)流，然后在冷凝蒸發(fā)器I低壓通道中蒸發(fā)制冷，蒸發(fā)后的氣體回到壓縮機(jī)吸氣管路；中低沸點(diǎn)工質(zhì)氣體混合物經(jīng)相分離器I的上部進(jìn)入冷凝蒸發(fā)器I高壓通道變溫部分冷凝，大部分中沸點(diǎn)工質(zhì)冷凝為液體，而低沸點(diǎn)工質(zhì)仍然保持氣態(tài)。從冷凝蒸發(fā)器I出來的氣液混合物進(jìn)入相分離器II，在重力作用下氣體與液體實(shí)現(xiàn)自動(dòng)分離。中沸點(diǎn)工質(zhì)冷凝液經(jīng)節(jié)流后在冷凝蒸發(fā)器II低壓通道中蒸發(fā)制冷，釋放冷量后回到壓縮機(jī)吸氣管路。從相分離器II上部流出的低沸點(diǎn)工質(zhì)氣體在冷凝蒸發(fā)器II高壓通道中被冷凝為過冷液體，冷凝液經(jīng)低溫級(jí)節(jié)流降溫進(jìn)入蒸發(fā)器蒸發(fā)制冷，蒸發(fā)后氣體進(jìn)入吸氣管路與中高沸點(diǎn)工質(zhì)氣體匯合回到壓縮機(jī)。

圖2 三級(jí)自動(dòng)復(fù)疊制冷系統(tǒng)原理圖Fig.2 Schematic diagram of three-stage auto-cascade refrigeration system

本文為了突出主要研究對(duì)象，根據(jù)上述自動(dòng)復(fù)疊制冷系統(tǒng)的流程特點(diǎn)，結(jié)合制冷裝置實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)際情況，作了如下假設(shè)：

1)混合制冷工質(zhì)在管路系統(tǒng)內(nèi)的流動(dòng)壓力損失忽略不計(jì)，只有兩個(gè)壓力分別為蒸發(fā)壓力(系統(tǒng)低壓)和冷凝壓力(系統(tǒng)高壓)。毛細(xì)管中的節(jié)流過程為等焓降壓降溫過程，降壓范圍從高壓2.0 MPa到低壓0.2 MPa。

2)壓縮過程為等熵壓縮過程，忽略壓縮機(jī)與周圍環(huán)境的熱量交換。潤滑油經(jīng)油分離器后被完全分離回流到壓縮機(jī)，除壓縮機(jī)外其他設(shè)備中混合制冷工質(zhì)沒有潤滑油成分。

3)系統(tǒng)抽真空后不存在其他雜質(zhì)和不凝性氣體成分，系統(tǒng)中僅有混合工質(zhì)R600a/R23/R14的液相和氣相組分。

4)兩個(gè)冷凝蒸發(fā)器和蒸發(fā)器對(duì)外界有熱量交換，存在冷量散失。相分離器為絕熱設(shè)備，與外界沒有熱量交換，經(jīng)過相分離器后氣相和液相的溫度與進(jìn)口混合工質(zhì)的溫度相同。混合為絕熱過程，與外界沒有熱量交換。

5)相分離器具有儲(chǔ)液器以及自動(dòng)調(diào)節(jié)制冷工質(zhì)氣液成分比例的作用，其所儲(chǔ)存的氣體和液體比例與冷凝器出口的比例相同。相分離器可以實(shí)現(xiàn)進(jìn)入其內(nèi)部的液體和氣體工質(zhì)的全部分離，氣液工質(zhì)之間沒有相間轉(zhuǎn)化，氣相和液相都處于飽和狀態(tài)，且進(jìn)口和出口的溫度相同。

隨著冷凝溫度不斷降低，R600a在氣相中所占的比例從開始冷凝時(shí)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)35%逐漸單調(diào)減小。冷凝器出口溫度通常在280 K～300 K之間，這個(gè)溫度按照理論被認(rèn)為是相分離器I的恒定溫度。由圖3可以看出，在這個(gè)溫度區(qū)間段R600a并沒有被完全冷凝為液體，在300 K時(shí)氣相中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為18.25%，在280 K時(shí)氣相中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9.8%；即使冷凝到此質(zhì)量分?jǐn)?shù)下，氣相中(混合工質(zhì)的泡點(diǎn)溫度249.49 K)R600a的質(zhì)量分?jǐn)?shù)仍然有2.67%。R23在氣相中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)比較特殊，隨著溫度的降低先增大后減小，冷凝初期R600a的冷凝速度較快，R23和R14相對(duì)冷凝的量較少，使R23在氣相中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)有所增加；隨著冷凝過程的進(jìn)一步加深，R600a所能冷凝的量逐漸減小，這時(shí)R23冷凝的量所占的比例較大，造成R23在氣相中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸減小。R14相對(duì)R600a和R23為不凝性氣體，雖然它在液相中占有少量的比例，整體上R14在氣相中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)單調(diào)增加。冷凝器出口混合工質(zhì)氣、液相比例為相分離器I的氣、液相工質(zhì)比例，經(jīng)過相分離器I完全分離為液相和氣相。

圖3 相分離器I的氣相質(zhì)量分?jǐn)?shù)Fig.3 Vapor phase mass fraction of phase separator I

相分離器II的溫度由冷凝蒸發(fā)器I高壓通道出口溫度決定，溫度變化范圍更大，影響因素更多。比較理想化的溫度段為240 K～260 K，如圖4所示。混合氣體工質(zhì)經(jīng)過冷凝蒸發(fā)器I高壓通道進(jìn)一步冷凝，R600a經(jīng)過冷凝蒸發(fā)器I后并沒有被完全冷凝為液體。例如，250K時(shí)R600a在氣相中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.5%；泡點(diǎn)溫度233.93 K時(shí)R600a仍然有0.9%的殘余量。隨著溫度的逐漸降低R23在氣相中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)略有增加，然后快速減少。因?yàn)槔淠捌陔A段R600a仍然有相當(dāng)大的比例，R600a在冷凝前期減少較快，使R23的質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對(duì)增大；隨著溫度進(jìn)一步降低，主要冷凝對(duì)象成為R23，使R23在氣相混合物中所占比例減小比較快。R14相對(duì)R600a和R23仍然為不凝性氣體，雖然它在液相中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)有所增大，整體上R14在氣相中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)單調(diào)增加。當(dāng)溫度低于260 K時(shí)，R23和R14在氣相中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)有一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，經(jīng)過這個(gè)溫度以后R23冷凝速度加快，其在氣相中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著減小，相應(yīng)的R14在氣相中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著增大。

混合工質(zhì)經(jīng)過相分離器兩次分離以后組分變化如圖5所示。圖中：1為冷凝器混合工質(zhì)組分，2為相分離器I氣相出口組分，3為相分離器II氣相出口組分。

根據(jù)自動(dòng)復(fù)疊制冷系統(tǒng)理論分析，相分離器I的作用是分離非共沸混合工質(zhì)中的R600a，但是由圖3的理論分析可以看出，相分離器I并不能實(shí)現(xiàn)R600a的完全分離，經(jīng)過相分離器I后混合工質(zhì)中仍然有18.25%的R600a，即使經(jīng)過相分離器II分離，混合工質(zhì)中仍然有6.31%的R600a。相分離器II的作用是分離混合工質(zhì)的R23，但是相分離器II只能分離30.27%的R23，12.62%依靠相分離器I分離，其余的R23都被帶入蒸發(fā)器。蒸發(fā)器內(nèi)混合制冷工質(zhì)R600a/R23/R14的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6.31/48.05/45.64，并不是純制冷工質(zhì)R14， R23的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于R14的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

圖4 相分離器II的氣相質(zhì)量分?jǐn)?shù)Fig.4 Vapor phase mass fraction of phase separator II

圖5 混合工質(zhì)組分變化Fig.5 Composition change of mixtures

4 結(jié)論

通過對(duì)非共沸混合工質(zhì)組分變化特性的研究，根據(jù)自動(dòng)復(fù)疊制冷系統(tǒng)的特點(diǎn)和制冷工質(zhì)物理化學(xué)性能，確定了混合工質(zhì)的種類為R600a/R23/R14。混合工質(zhì)在冷凝壓力2.0 MPa和蒸發(fā)壓力0.2 MPa的定壓特性是自動(dòng)復(fù)疊制冷系統(tǒng)的重要熱力性能，冷凝過程和蒸發(fā)過程都按照定壓過程研究，可得到以下結(jié)論：

1)當(dāng)冷凝器出口溫度為300 K時(shí)，液相混合工質(zhì)R600a/R23/R14的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為78.04/12.62/9.34，冷凝液大部分為R600a，但含有相當(dāng)數(shù)量的中低沸點(diǎn)工質(zhì)。

2)相分離器II只能分離30.27%的R23，12.62%依靠相分離器I分離，其余的R23都被帶入蒸發(fā)器。

3)R600a在蒸發(fā)器內(nèi)仍然有6.31%的含量，低沸點(diǎn)工質(zhì)R14在蒸發(fā)器內(nèi)占45.64%。

本文受河南省重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目(152102210279)、河南省高等學(xué)校重點(diǎn)科研項(xiàng)目(15A470001)和河南科技大學(xué)青年科學(xué)基金 (2015QN014) 項(xiàng)目資助。(The project was supported by Key Projects of Henan Province(No.152102210279), Outstanding Scientific Research Project of Henan Province(No.15A470001) and Youth Science Foundation of Henan University of Science and Technology(No.2015QN014).)

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About the corresponding author

Rui Shengjun, male, doctor, lecturer, Henan University of Science and Technology, Vehicel & Transportation Engineering Institute,+86 379-64231480, E-mail: sjrui@163.com. Research fields: performance of small refrigeration system.

Composition Change Characteristics of Non-azeotropic Mixtures of Auto-cascade Refrigeration System

Rui Shengjun1, 2Zhang Hua2He Tao1Luo Hao1

(1. Vehicle & Transportation Engineering Institute, Henan University of Science and Technology, Luoyang, 471003，China; 2. Institute of Refrigeration Technology, Shanghai University of Science and Technology, Shanghai, 200093，China)

The condensation process of non-azeotropic mixed refrigerant is a isobaric process. Meanwhile, the concentrations of vapor and liquid continuously change. When the outlet temperature of condenser is 300 K, the mass fraction of R600a/R23/R14 in liquid phase mixture is 78.04/12.62/9.34, respectively. The R600a is the dominant component in the liquid mixtures. However, it also contained considerable amounts of middle and low boiling refrigerants. When the condensing temperature is reduced to 280 K, the mass fraction of R600a in vapor is 9.8%. Even if the condensing temperature is decreased to 249.49 K (the bubble point temperature of 35%R600a/35%R23/30%R14), the mass fraction of R600a in vapor phase still reaches 2.67%. The vapor-liquid equilibrium gravity separation method couldn′t separate mixed refrigerants completely. The separation ratio of R23 by phase separator I and phase separator II are 12.62% and 30.27%, respectively. The rest of the R23 goes into the evaporator. Phase separator I could separate 78.04% of the refrigerant R600a with high boiling point temperature. There are 9.34% R14 (low boiling refrigerant) in liquid phase. The mass fraction of R600a in evaporator still reaches 6.31%, the low boiling refrigerant R14 accounts for 45.64%.

auto-cascade refrigeration system; R600a/R23/R14; composition change characteristics; non-azeotropic mixtures

0253- 4339(2016) 04- 0039- 07

10.3969/j.issn.0253- 4339.2016.04.039

國家自然科學(xué)基金 (51176124) 資助項(xiàng)目。 (The project was supported by the National Natural Science Foundation of China(No.51176124).)

2015年10月2日

TB657;TB64

A

簡(jiǎn)介

芮勝軍，男，博士，講師，河南科技大學(xué)車輛與交通工程學(xué)院，(0379)64231480，E-mail: sjrui@163.com。研究方向：小型制冷系統(tǒng)性能研究。