R22 及其替代制冷劑的吸氣噴液循環(huán)理論分析

閻志明

(榆林市自來(lái)水公司，陜西 榆林 719400)

0 引言

制冷劑作為制冷技術(shù)中熱量傳遞的載體，其對(duì)制冷機(jī)的性能和可靠性具有極其重要的影響。20 世紀(jì)30 年代，氟利昂類(lèi)制冷劑被發(fā)現(xiàn)，其代表產(chǎn)品為R22，其無(wú)色，無(wú)味，不燃、不爆，毒性小，單位容積制冷量大，效率高，是一種非常優(yōu)良的制冷劑［1］。但是氟利昂制冷劑對(duì)臭氧層具有破壞作用，并且具有較強(qiáng)的溫室效應(yīng)。隨著人們對(duì)氟利昂危害性認(rèn)識(shí)的深入，國(guó)際上逐步形成一些公約來(lái)限制氟利昂制冷劑的使用，并促進(jìn)替代制冷劑的研究。因此，對(duì)于氟利昂類(lèi)替代制冷劑制冷性能分析具有十分重要的意義。

目前，制冷劑的替代有兩種方式。一是采用過(guò)渡工質(zhì)，即采用低臭氧衰減指數(shù)(ODP)的類(lèi)氟利昂類(lèi)工質(zhì)來(lái)代替目前廣泛使用的R22 和R12。例如R410A 和二氟甲烷(R32)等，這些工質(zhì)具有氟利昂類(lèi)工質(zhì)的優(yōu)越熱力學(xué)特性，其ODP 要遠(yuǎn)低于氟利昂工質(zhì)。但是這兩類(lèi)工質(zhì)的溫室效應(yīng)系數(shù)(GWP)較高，因此只能作為過(guò)渡制冷劑。另一種替代方式是采用自然工質(zhì)，例如R717(NH3)，CO2以及水等［2］。自然工質(zhì)雖然具有極佳的環(huán)境友好性，但是其熱力學(xué)特性不佳，增加了制冷系統(tǒng)的復(fù)雜性，從而阻礙了其推廣。當(dāng)前，我國(guó)制冷行業(yè)中較為廣泛使用的替代制冷劑為R32、R410A 以及氨(R717)等［3］。這三種制冷劑相對(duì)于R22 來(lái)說(shuō)，除了在安全性上不足外，在名義的制冷工況下，都具有較高的排氣溫度，嚴(yán)重影響到壓縮機(jī)的工作穩(wěn)定性和壽命，同時(shí)也增大了壓縮功［4］。為降低使用此類(lèi)工質(zhì)的壓縮機(jī)的排氣溫度，除了增強(qiáng)外部冷卻外，有時(shí)會(huì)采用吸氣噴液的方式使吸氣溫度降低，以降低壓縮過(guò)程的排氣溫度［5-6］。

吸氣噴液不僅能夠降低排氣溫度，而且對(duì)制冷循環(huán)的性能有影響。其對(duì)循環(huán)性能影響的程度，除了和工況有關(guān)外，還和制冷劑本身的熱力學(xué)性質(zhì)有關(guān)。目前，關(guān)于新型制冷劑物性對(duì)吸氣噴液循環(huán)性能的影響方面的研究較少，本文利用NIST 公司的物性數(shù)據(jù)庫(kù)，建立了吸氣噴液循環(huán)的性能計(jì)算模型，對(duì)這4 種制冷劑在不同吸氣噴液工況下的循環(huán)性能進(jìn)行了分析和比較，以獲得吸氣噴液時(shí)制冷劑選取的原則。

1 吸氣噴液循環(huán)的基本原理

吸氣噴液循環(huán)的基本原理如圖1 所示，制冷劑經(jīng)過(guò)過(guò)冷器后，分成兩路，一路經(jīng)過(guò)節(jié)流閥1 進(jìn)入蒸發(fā)器，提供制冷量，另一路經(jīng)過(guò)節(jié)流閥2 后，變?yōu)榈蛪旱蜏氐膬上嗔黧w，進(jìn)入吸氣管后和來(lái)自于蒸發(fā)器的過(guò)熱氣體混合，以降低吸氣的焓值。

圖1 吸氣噴液系統(tǒng)流程示意圖

吸氣噴液循環(huán)的壓焓圖如圖2 所示，噴液回路在壓焓圖上和蒸發(fā)器回路相重合。標(biāo)準(zhǔn)情況下，壓縮機(jī)的吸氣狀態(tài)點(diǎn)在1 點(diǎn)，按照等熵壓縮后，狀態(tài)變化到1s 點(diǎn)。吸氣噴液后，隨噴液量的增大壓縮機(jī)的吸氣焓值逐步降低。當(dāng)狀態(tài)變?yōu)? 點(diǎn)，此時(shí)等熵壓縮至2s 點(diǎn)。通常，制冷劑等熵線的斜率隨熵值的增大而變小，所以吸氣溫度降低時(shí)，吸氣的熵值減小，而等熵線斜率變大，所以等熵壓縮功比吸氣溫度高時(shí)要小。單位質(zhì)量流量減少的功可以用圖中的△h2與△h1的差值來(lái)表示。隨著吸氣焓值的降低，吸氣的狀態(tài)點(diǎn)越過(guò)飽和蒸汽先進(jìn)入兩相區(qū)，進(jìn)入濕壓縮區(qū)域。當(dāng)進(jìn)一步降低吸氣焓值時(shí)，等熵壓縮的排氣狀態(tài)進(jìn)入了兩相區(qū)，如壓焓圖中的3 點(diǎn)和3S 點(diǎn)。吸氣帶液在活塞壓縮機(jī)中容易出現(xiàn)液擊，因此濕壓縮多在回轉(zhuǎn)壓縮機(jī)的制冷系統(tǒng)中使用，而排氣一般不允許出現(xiàn)帶液，因此可以定義3 點(diǎn)的干度為吸氣噴液時(shí)的最小吸氣干度。不同的制冷劑在不同的工況下，最小吸氣干度也不同，在本文中所要研究的4 種制冷劑中，R22 的最小吸氣干度為0.91，而其余3 種工質(zhì)的最小吸氣干度都小于0.88。另外，對(duì)于吸氣干度大于1 的情況，為了方便作圖對(duì)比，定義名義吸氣干度［7］為

式中:h、hl和hg分別代表當(dāng)前比焓、飽和液體比焓和飽和氣體比焓，可知兩相狀態(tài)下，名義干度和干度是相等的。

圖2 吸氣噴液循環(huán)壓焓圖

2 數(shù)學(xué)理論模型

為了對(duì)比4 種制冷劑的濕壓縮循環(huán)的性能，本文采用制冷渦旋壓縮機(jī)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中的高溫工況為標(biāo)準(zhǔn)工況。吸氣噴液循環(huán)最終的效果是改變了壓縮機(jī)的吸氣焓值，對(duì)應(yīng)于不同的吸氣名義干度，因此本文將對(duì)4 種制冷劑在不同名義干度下的性能進(jìn)行計(jì)算，而不考慮噴液量的多少。由于是理論計(jì)算，在計(jì)算中不考慮泄漏損失、流動(dòng)損失和壓縮損失。計(jì)算的工況如表1 所示。

表1 標(biāo)準(zhǔn)工況和計(jì)算工況

其中，吸氣干度從吸氣溫度對(duì)應(yīng)的名義干度逐步變化到最小吸氣干度，對(duì)于R22 來(lái)說(shuō)為0.92，對(duì)于其他工質(zhì)來(lái)說(shuō)，計(jì)算至0.89。那么，以圖2 中1 點(diǎn)為計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，吸氣噴液循環(huán)的性能可以采用以下公式來(lái)計(jì)算。在不考慮壓縮機(jī)的泄漏損失的條件下，壓縮機(jī)的吸氣質(zhì)量流量為

式中:V 為壓縮機(jī)的理論吸氣容積，v 為吸氣比容。

則壓縮機(jī)的制冷量為

壓縮機(jī)的等熵功為

循環(huán)的制冷系數(shù)為

循環(huán)的排氣溫度為

3 性能對(duì)比及分析

圖3 給出了這4 種工質(zhì)在不同干度下的排氣溫度的變化?？梢钥闯?，在吸氣溫度都為18.3 ℃時(shí)，R717 的等熵排氣溫度最高，其次是R32，R410A 和R22 的排氣溫度基本相同。從圖中可以看出R717的等熵排氣溫度比R22 要高40 ℃左右，而R32 的等熵排氣溫度比R22 高20 ℃。在實(shí)際的工作過(guò)程中，R717 和R32 的排氣溫度將遠(yuǎn)高于R22 的實(shí)際排氣溫度。這就導(dǎo)致采用R32 和R717 制冷劑的壓縮機(jī)在設(shè)計(jì)和運(yùn)行時(shí)，必須避免超高排氣溫度的出現(xiàn)。吸氣噴液是降低排氣溫度的一種重要手段，從圖中可以看出，隨著名義吸氣干度的降低，R717 和R32的排氣溫度下降較為迅速。因此對(duì)于采用R32 和R717 的壓縮機(jī)，吸氣噴液可以有效地降低其排氣溫度，保證其安全可靠地工作。

圖4 給出了各個(gè)吸氣名義干度下的等熵功和標(biāo)準(zhǔn)工況下的等熵功的比值變化曲線?？梢钥闯鲈?種工質(zhì)的等熵功都隨吸氣名義干度的降低而降低。其主要原因是由于吸氣焓值降低造成的吸排氣焓的降低。從圖中可以看出，在進(jìn)入濕壓縮前，R410A 的等熵功隨名義干度的降低，其變化較為明顯，當(dāng)干度為1 時(shí)，其等熵功約降低了1%，其次是R22，而R410a 和R717 的等熵功基本沒(méi)有變化。而當(dāng)干度小于1 時(shí)，R717 的等熵功降低的速率最快，其次是R32。當(dāng)干度為0.91 時(shí)，R717 的等熵功降低了7%。由于有些制冷壓縮機(jī)不允許出現(xiàn)濕壓縮，那么這些壓縮機(jī)在使用R717 和R32 類(lèi)型的制冷劑時(shí)，如果不進(jìn)入濕壓縮區(qū)域，吸氣溫度的降低對(duì)壓縮功的影響十分微弱。或者說(shuō)，R32 和R717 更適宜于濕壓縮。

圖3 排氣溫度隨名義干度的變化

圖4 等熵功比值隨名義干度的變化

圖5 給出了在各個(gè)吸氣名義干度下的理論制冷量和標(biāo)準(zhǔn)工況下制冷量的比值變化趨勢(shì)?？梢钥闯?，4 種工質(zhì)中R410a 的制冷量是隨著名義干度的降低而降低的。制冷量降低的主要原因是由于單位質(zhì)量制冷量的降低，從圖2 可以看出，當(dāng)吸氣焓值降低后，用于制冷的焓差不斷縮小。但其他3 種工質(zhì)的制冷量隨著名義干度的降低先升高后降低，最大點(diǎn)的干度略微小于1。制冷量升高的原因是由于隨著吸氣焓值的降低，吸氣比容減小，壓縮機(jī)可以吸入更多質(zhì)量的制冷劑。雖然單位質(zhì)量的制冷量減小了，但制冷劑質(zhì)量的增大導(dǎo)致其制冷量不斷上升。從圖5 中可知，R717 制冷劑的制冷量隨吸氣干度的降低，在進(jìn)入濕壓縮前增長(zhǎng)最快，最高點(diǎn)相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)工況提高了2.5%，在最高點(diǎn)之后，其制冷量相對(duì)于其他3 種工質(zhì)隨干度的下降速率較慢。而R22 相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)工況，制冷量的增長(zhǎng)較為微弱。

圖5 制冷量比值隨名義干度的變化

圖6 給出了各種制冷劑在不同干度條件下的COP 和標(biāo)準(zhǔn)工況COP 的比值。從圖中可以看出，4種工質(zhì)的COP 都隨名義干度的下降先升高后降低，存在最高點(diǎn)。其中制冷劑R717 的曲線最陡峭，其COP 隨著吸氣名義干度的降低，迅速升高，直至干度為0.90 時(shí)達(dá)到最高點(diǎn)，其COP 大致提高了8.5%。其次是R32，其最大值對(duì)應(yīng)的干度大致為0.91，升幅達(dá)到4%。R22 的COP 有稍許升高，約為1%。而采用R410A 制冷劑的壓縮機(jī)，降低吸氣焓值后，其循環(huán)COP 略有上升。因此，對(duì)于本文選取的4 種制冷劑來(lái)說(shuō)，R22 和R410A 在標(biāo)準(zhǔn)工況下排氣溫度不高，而采用吸氣噴液后，制冷量和COP 的提高并不明顯，一般只在高壓比工況或者高環(huán)境溫度工況下采用。R32 和R717 作為R22 的替代工質(zhì)，可以采用吸氣噴液循環(huán)在降低其排氣溫度的同時(shí)，提高其系統(tǒng)的制冷量和COP，同時(shí)降低其壓縮功。但是由于壓縮機(jī)對(duì)濕壓縮的耐受程度的限制，以及實(shí)際濕壓縮過(guò)程中較大的冷量損失，吸氣噴液循環(huán)的噴液量一般較小，而實(shí)際的吸氣名義干度一般在0.98 附近。

圖6 制冷系數(shù)COP 比值隨名義干度的變化

4 結(jié)論

本文建立了R22 及其3 種替代工質(zhì)的吸氣噴液循環(huán)的理論模型，并對(duì)它們的性能進(jìn)行對(duì)比分析，得出結(jié)論如下:

(1)吸氣噴液循環(huán)的性能和制冷劑的物性有關(guān)，不同的制冷劑，其吸氣噴液循環(huán)的理論性能具有較大的差異，因此吸氣噴液循環(huán)的理論分析可以作為該制冷劑是否適宜吸氣噴液的一種依據(jù)。

(2)替代制冷劑R410A 和R22 的吸氣噴液循環(huán)的性能比較接近，吸氣噴液對(duì)系統(tǒng)性能的提高不明顯，僅可以用來(lái)降低高壓比和高溫工況下的排氣溫度。

(3)替代制冷劑R32 和R717 較適宜于吸氣噴液循環(huán)，其制冷量和COP 隨吸氣干度的下降都有較大幅度的提高，同時(shí)可以降低其超標(biāo)的排氣溫度。吸氣噴液在這兩種工質(zhì)的制冷裝置中將得到廣泛的使用。

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