非共沸混合工质的热力性能分析

樊启迪

摘 要：混合工质以其优异的性能在各类制冷系统中广泛使用，本文对纯工质制冷剂R134A和非共沸混合工质R404A在压缩机排气口增加预冷装置，分析制冷系统在制冷剂过冷前后系统的性能差异进行了分析，并在此基础上提出制冷系统优化的运行模式。

关键词：非共沸混合工质;热力性能分析

理想制冷工质除了价格低廉、获取容易外，还必须满足较好的环境安全性，包括对臭氧层破坏小，温室效应低，且泄漏后不会因光化学反应造成大气污染等。因此，在含氟环保制冷剂在替代HFC类制冷剂时应评估其光化学臭氧生成潛能只PCOP。

1 蒸汽压缩制冷循环

制冷循环基本原理是利用制冷剂的相态变化实现吸热放热的循环过程，在理想循环中，低温低压饱和气态制冷剂在压缩机经可逆绝热压缩后变为高温高压过热气态，然后进入冷凝器。在冷凝器中制冷剂经等压放热过程冷凝至饱和或过冷的高压常温饱和液态，经过节流机构实现等焓绝热膨胀，制冷剂压力迅速降低且部分制冷剂因压力降低出现闪蒸，以气液两相进入蒸发器;低温低压液态制冷剂在蒸发器内蒸发，吸收大量蒸发潜热而达到冷却效果。

实际过程中，制冷剂在蒸发器和冷凝器中流动时因与管壁发生摩擦造成压力损失，使得蒸发和冷凝过程并非在等压下进行;其次为降低制冷剂的闪蒸现象，会增加冷凝器出口制冷剂的过冷度，使其处于过冷状态而非饱和液态;为避免压缩机液击，压缩机回气口制冷剂蒸汽需要有4～6℃的过热度;同时压缩机压缩过程制冷剂与外界、管路摩擦换热，压缩机排气在进入冷凝器前有压降、热损失，造成熵增现象，所以实际压缩过程较理想压缩过程耗功多。

2 制冷剂热物性质分析

制冷剂热物性与流动性是分析整个系统性能的基础，在现有系统设备不变的条件下，探索最优的热力性能且低臭氧破坏指数和温室效应指数是选择制冷剂的前提。R404A非共沸混合制冷剂具有不含氯等特性，其对环境危害较小，且R404A在不同蒸发温度和冷凝温度随充注量、压力等变化，可通过改变这些参数有效减小系统的不可逆性及压缩机的功耗，进而提高机组的性能系数。

2.1 理想制冷剂必要条件

理想制冷剂应具备无毒、不爆炸、不燃烧、泄漏时易察觉、对金属及非金属无腐蚀作用，具有较大的蒸发潜热、化学稳定性好、对润滑油无破坏、环境友好。此外，还应具有较低的凝固温度，蒸发压力要高、临界温度较高和冷凝压力要小，可溶于润滑油等物理特性。最后，化学性质稳定、无毒性和腐蚀性，不破坏臭氧层，且不具爆炸性和易燃性，温室效应低。

2.2 理想制冷剂必要条件

非共沸制冷剂是多种纯工质按照固定比例混合而成，目前常见的有二元混合工质和三元混合工质。不同成份制冷剂混合后的制冷剂具有相同沸点的成为共沸工质，混合后各组分沸点接近的新工质称为近共沸制冷剂;如果混合后制冷剂各组分沸点相异的则称为非共沸工质。混合制冷剂主要用于替代对环境有破坏的制冷剂，其主要优点在于臭氧破坏指数为零，以安全性高的制冷剂稀释危险性制冷剂以降低混合制冷剂的危险性，同时提高混合制冷剂的能效使其近似于被替代的制冷剂的热物性特性。

2.3 液态制冷剂充注特性

非共沸制冷剂分馏现象可能发生在制冷剂瓶进行制冷剂充注或分装时，另外机组运行或停机有泄漏时均会有分馏现象。如果非共沸制冷剂存储于瓶内，而混合制冷剂以气体状态进行制冷剂充注操作时，则注入的成份将大部分是压力较高且传热性能也高的成份;同时制冷剂瓶内的液态制冷剂组分也会随着气态制冷剂的注入而有所改变。因此分馏的结果将会使制冷剂成分比例发生变化而失去原有的性能，系统运行效率也将随着混合制冷剂成份的变化降低，此现象会因温度滑移而明显。反之，如果制冷剂由液态进行充注时，因其为维持非共沸混合制冷剂的比例不变，分馏现象就不明显，可维持混合制冷剂的优势与性能。因此为维持非共沸混合制冷剂的比例，必须利用液态对制冷进行填充。在系统运行时充注制冷剂时，易导致液态制冷剂直接流入压缩机，造成压缩机液击。为防止压缩机阀片损坏，可在制冷剂瓶口加装充注棒，可防止过量液态冷媒直接进入压缩机中。

3 混合工质系统运行分析

对混合制冷剂制冷性能、系统加装预冷器、系统加装经济器以及系统加装预冷器和经济器四种状态下机组性能进行比较。加装附加设备后较原系统具有较好的降温速率，在加装经济器、预冷器及同事加装经济器和预冷器时，系统的降温时间可减少65 min、123 min和133 min，比原系统节约了约32.2%、52.8%和57.1%的冻结时间。此外，压缩机功耗在加装经济器、预冷器和预冷器及经济器后耗电量较低，分析认为低温侧压缩循环系统散热条件改善使得压缩机排气压力降低，从而使功耗降低。低温侧制冷循环在加装经济器后压缩比比原系统略有降低，但在加装经济器和预冷器后，压缩机的压缩比有明显下降，最大下降率达到8.7%。以基本的混合工质为基准，系统在加装经济器、预冷器和经济器及预冷器同时加装三种模式下，系统分别节约了24%、65.3%和57.8%的能耗。因此，对制冷系统加装预冷器及经济器可显著提高制冷系统的制冷性能，降低碳排放量。

4 结论

本文对非共沸混合工质R404A的热力性能进行了分析，并对制冷系统加装预冷器、系统加装经济器以及系统加装预冷器和经济器的性能进行了对比。压缩机排气口加装预冷器可有效控制冷凝器出口制冷剂温度低于38℃;而加装经济器能改善低温侧蒸发器停机后温升不稳定等问题，从而提升制冷速度。以系统正常运行时的能耗为基准，加装预冷器、加装经济器以及加装预冷器和经济器三种模式下的节能百分比分别为24%、54.3%及57.8%。