非共沸制冷劑在工業(yè)制冷中的應(yīng)用分析

葉小芳

(無錫職業(yè)技術(shù)學院 控制技術(shù)學院，江蘇　無錫　214073)

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非共沸制冷劑在工業(yè)制冷中的應(yīng)用分析

葉小芳

(無錫職業(yè)技術(shù)學院 控制技術(shù)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(huán)的效率，非常適合于變溫熱源的應(yīng)用。所以非共沸制冷劑在變工況的工業(yè)制冷中有較大的應(yīng)用前景。對于非共沸制冷劑，換熱器選型時應(yīng)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(yīng)選擇泡點作為計算冷凝溫度；蒸發(fā)器選型應(yīng)使用露點溫度。

關(guān)鍵詞：非共沸制冷劑； 溫度滑移； 工業(yè)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(diào)、熱泵領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，如R507、R407C、R404A和R410A等。所謂混合物制冷工質(zhì)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(zhì)和非共沸混合物制冷工質(zhì)。共沸混合物制冷工質(zhì)呈現(xiàn)單一制冷工質(zhì)的特性，起單一制冷工質(zhì)的作用。如R500，R502；非共沸混合物制冷工質(zhì)不像單一制冷工質(zhì)和共沸混合物制冷工質(zhì)那樣在同一個溫度下沸騰，各組分物質(zhì)的沸點決定了非共沸混合物制冷工質(zhì)在一個溫度區(qū)間內(nèi)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(yè)制冷中的應(yīng)用。

1R404A的物理化學性質(zhì)

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(zhì)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(zhì)參數(shù)。

表1　三種制冷劑的性質(zhì)對比[4]

由表中各項數(shù)據(jù)可以看出：

1)三種工質(zhì)均為安全、無毒的介質(zhì)，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(tǒng)安全，R404A與R507系統(tǒng)設(shè)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(fā)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(tài)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(yīng)的狀態(tài)稱為泡點，其溫度稱為泡點溫度。若再加熱將進入兩相區(qū)，并分為飽和液體和飽和蒸汽兩部分，其濃度在不同的狀態(tài)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(xù)加熱到3點，制冷劑全部蒸發(fā)變?yōu)轱柡驼羝?，此時所對應(yīng)的狀態(tài)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(shù)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(xiàn)出來，如圖2所示：Pe和Pc分別為蒸發(fā)壓力和冷凝壓力(等壓線)。定壓蒸發(fā)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(xiàn)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(fā)器的相變過程中，其冷凝溫度和蒸發(fā)溫度是變化的，因此換熱器選型時選用正確的設(shè)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(jié)露點，溫度繼續(xù)降低至泡點時才會全部變?yōu)轱柡鸵后w。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(yīng)將冷凝溫度設(shè)置為泡點所對應(yīng)的溫度，否則換熱面積可能存在不足。

4.2對蒸發(fā)器選型的影響

蒸發(fā)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(tài)，繼續(xù)蒸發(fā)達到露點時才會完全變?yōu)轱柡驼羝?。因此在蒸發(fā)器選型計算時，應(yīng)當將蒸發(fā)壓力下露點溫度設(shè)置為蒸發(fā)器的蒸發(fā)溫度，這樣就可以保證所有的制冷劑液體在該蒸發(fā)壓力下都可以完全蒸發(fā)。

5結(jié)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(fā)器的選型存在較大影響。對于冷凝器，應(yīng)將泡點溫度設(shè)置為冷凝器的冷凝溫度；對于蒸發(fā)器，應(yīng)將露點溫度設(shè)置為蒸發(fā)器的蒸發(fā)溫度。

2) 非共沸制冷劑適用于干式蒸發(fā)器，溫度滑移大的制冷劑(如R407C)不得用于滿液式蒸發(fā)器中。因為在滿液式蒸發(fā)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(fā)，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(huán)。對于R404A，雖然其溫度滑移較小，但當應(yīng)用于滿液式蒸發(fā)器時，由于其成分在制冷循環(huán)中會發(fā)生變化，所以蒸發(fā)器應(yīng)適當放大余量。

3) 非共沸制冷劑對制冷系統(tǒng)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(fā)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(tǒng)的制冷劑全部更換。

4) R404A和R507性質(zhì)相似，都是R22的理想替代品，因此R404A完全可以應(yīng)用于工業(yè)制冷系統(tǒng)。兩者最大區(qū)別是R404A為非共沸制冷劑，存在一定的溫度滑移。 R404A的系統(tǒng)設(shè)計可以參考R507的系統(tǒng)，包括設(shè)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(tǒng)類似。

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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(shù)。

收稿日期：2015-10-26