R22 及其替代制冷剂的吸气喷液循环理论分析

2015-03-18阎志明

郑州铁路职业技术学院学报 2015年3期

阎志明

(榆林市自来水公司，陕西榆林 719400)

0 引言

制冷剂作为制冷技术中热量传递的载体，其对制冷机的性能和可靠性具有极其重要的影响。20 世纪30 年代，氟利昂类制冷剂被发现，其代表产品为R22，其无色，无味，不燃、不爆，毒性小，单位容积制冷量大，效率高，是一种非常优良的制冷剂［1］。但是氟利昂制冷剂对臭氧层具有破坏作用，并且具有较强的温室效应。随着人们对氟利昂危害性认识的深入，国际上逐步形成一些公约来限制氟利昂制冷剂的使用，并促进替代制冷剂的研究。因此，对于氟利昂类替代制冷剂制冷性能分析具有十分重要的意义。

目前，制冷剂的替代有两种方式。一是采用过渡工质，即采用低臭氧衰减指数(ODP)的类氟利昂类工质来代替目前广泛使用的R22 和R12。例如R410A 和二氟甲烷(R32)等，这些工质具有氟利昂类工质的优越热力学特性，其ODP 要远低于氟利昂工质。但是这两类工质的温室效应系数(GWP)较高，因此只能作为过渡制冷剂。另一种替代方式是采用自然工质，例如R717(NH3)，CO2以及水等［2］。自然工质虽然具有极佳的环境友好性，但是其热力学特性不佳，增加了制冷系统的复杂性，从而阻碍了其推广。当前，我国制冷行业中较为广泛使用的替代制冷剂为R32、R410A 以及氨(R717)等［3］。这三种制冷剂相对于R22 来说，除了在安全性上不足外，在名义的制冷工况下，都具有较高的排气温度，严重影响到压缩机的工作稳定性和寿命，同时也增大了压缩功［4］。为降低使用此类工质的压缩机的排气温度，除了增强外部冷却外，有时会采用吸气喷液的方式使吸气温度降低，以降低压缩过程的排气温度［5-6］。

吸气喷液不仅能够降低排气温度，而且对制冷循环的性能有影响。其对循环性能影响的程度，除了和工况有关外，还和制冷剂本身的热力学性质有关。目前，关于新型制冷剂物性对吸气喷液循环性能的影响方面的研究较少，本文利用NIST 公司的物性数据库，建立了吸气喷液循环的性能计算模型，对这4 种制冷剂在不同吸气喷液工况下的循环性能进行了分析和比较，以获得吸气喷液时制冷剂选取的原则。

1 吸气喷液循环的基本原理

吸气喷液循环的基本原理如图1 所示，制冷剂经过过冷器后，分成两路，一路经过节流阀1 进入蒸发器，提供制冷量，另一路经过节流阀2 后，变为低压低温的两相流体，进入吸气管后和来自于蒸发器的过热气体混合，以降低吸气的焓值。

图1 吸气喷液系统流程示意图

吸气喷液循环的压焓图如图2 所示，喷液回路在压焓图上和蒸发器回路相重合。标准情况下，压缩机的吸气状态点在1 点，按照等熵压缩后，状态变化到1s 点。吸气喷液后，随喷液量的增大压缩机的吸气焓值逐步降低。当状态变为2 点，此时等熵压缩至2s 点。通常，制冷剂等熵线的斜率随熵值的增大而变小，所以吸气温度降低时，吸气的熵值减小，而等熵线斜率变大，所以等熵压缩功比吸气温度高时要小。单位质量流量减少的功可以用图中的△h2与△h1的差值来表示。随着吸气焓值的降低，吸气的状态点越过饱和蒸汽先进入两相区，进入湿压缩区域。当进一步降低吸气焓值时，等熵压缩的排气状态进入了两相区，如压焓图中的3 点和3S 点。吸气带液在活塞压缩机中容易出现液击，因此湿压缩多在回转压缩机的制冷系统中使用，而排气一般不允许出现带液，因此可以定义3 点的干度为吸气喷液时的最小吸气干度。不同的制冷剂在不同的工况下，最小吸气干度也不同，在本文中所要研究的4 种制冷剂中，R22 的最小吸气干度为0.91，而其余3 种工质的最小吸气干度都小于0.88。另外，对于吸气干度大于1 的情况，为了方便作图对比，定义名义吸气干度［7］为

式中:h、hl和hg分别代表当前比焓、饱和液体比焓和饱和气体比焓，可知两相状态下，名义干度和干度是相等的。

图2 吸气喷液循环压焓图

2 数学理论模型

为了对比4 种制冷剂的湿压缩循环的性能，本文采用制冷涡旋压缩机国家标准中的高温工况为标准工况。吸气喷液循环最终的效果是改变了压缩机的吸气焓值，对应于不同的吸气名义干度，因此本文将对4 种制冷剂在不同名义干度下的性能进行计算，而不考虑喷液量的多少。由于是理论计算，在计算中不考虑泄漏损失、流动损失和压缩损失。计算的工况如表1 所示。

表1 标准工况和计算工况

其中，吸气干度从吸气温度对应的名义干度逐步变化到最小吸气干度，对于R22 来说为0.92，对于其他工质来说，计算至0.89。那么，以图2 中1 点为计算标准，吸气喷液循环的性能可以采用以下公式来计算。在不考虑压缩机的泄漏损失的条件下，压缩机的吸气质量流量为

式中:V 为压缩机的理论吸气容积，v 为吸气比容。

则压缩机的制冷量为

压缩机的等熵功为

循环的制冷系数为

循环的排气温度为

3 性能对比及分析

图3 给出了这4 种工质在不同干度下的排气温度的变化。可以看出，在吸气温度都为18.3 ℃时，R717 的等熵排气温度最高，其次是R32，R410A 和R22 的排气温度基本相同。从图中可以看出R717的等熵排气温度比R22 要高40 ℃左右，而R32 的等熵排气温度比R22 高20 ℃。在实际的工作过程中，R717 和R32 的排气温度将远高于R22 的实际排气温度。这就导致采用R32 和R717 制冷剂的压缩机在设计和运行时，必须避免超高排气温度的出现。吸气喷液是降低排气温度的一种重要手段，从图中可以看出，随着名义吸气干度的降低，R717 和R32的排气温度下降较为迅速。因此对于采用R32 和R717 的压缩机，吸气喷液可以有效地降低其排气温度，保证其安全可靠地工作。

图4 给出了各个吸气名义干度下的等熵功和标准工况下的等熵功的比值变化曲线。可以看出在4种工质的等熵功都随吸气名义干度的降低而降低。其主要原因是由于吸气焓值降低造成的吸排气焓的降低。从图中可以看出，在进入湿压缩前，R410A 的等熵功随名义干度的降低，其变化较为明显，当干度为1 时，其等熵功约降低了1%，其次是R22，而R410a 和R717 的等熵功基本没有变化。而当干度小于1 时，R717 的等熵功降低的速率最快，其次是R32。当干度为0.91 时，R717 的等熵功降低了7%。由于有些制冷压缩机不允许出现湿压缩，那么这些压缩机在使用R717 和R32 类型的制冷剂时，如果不进入湿压缩区域，吸气温度的降低对压缩功的影响十分微弱。或者说，R32 和R717 更适宜于湿压缩。

图3 排气温度随名义干度的变化

图4 等熵功比值随名义干度的变化

图5 给出了在各个吸气名义干度下的理论制冷量和标准工况下制冷量的比值变化趋势。可以看出，4 种工质中R410a 的制冷量是随着名义干度的降低而降低的。制冷量降低的主要原因是由于单位质量制冷量的降低，从图2 可以看出，当吸气焓值降低后，用于制冷的焓差不断缩小。但其他3 种工质的制冷量随着名义干度的降低先升高后降低，最大点的干度略微小于1。制冷量升高的原因是由于随着吸气焓值的降低，吸气比容减小，压缩机可以吸入更多质量的制冷剂。虽然单位质量的制冷量减小了，但制冷剂质量的增大导致其制冷量不断上升。从图5 中可知，R717 制冷剂的制冷量随吸气干度的降低，在进入湿压缩前增长最快，最高点相对于标准工况提高了2.5%，在最高点之后，其制冷量相对于其他3 种工质随干度的下降速率较慢。而R22 相对于标准工况，制冷量的增长较为微弱。

图5 制冷量比值随名义干度的变化

图6 给出了各种制冷剂在不同干度条件下的COP 和标准工况COP 的比值。从图中可以看出，4种工质的COP 都随名义干度的下降先升高后降低，存在最高点。其中制冷剂R717 的曲线最陡峭，其COP 随着吸气名义干度的降低，迅速升高，直至干度为0.90 时达到最高点，其COP 大致提高了8.5%。其次是R32，其最大值对应的干度大致为0.91，升幅达到4%。R22 的COP 有稍许升高，约为1%。而采用R410A 制冷剂的压缩机，降低吸气焓值后，其循环COP 略有上升。因此，对于本文选取的4 种制冷剂来说，R22 和R410A 在标准工况下排气温度不高，而采用吸气喷液后，制冷量和COP 的提高并不明显，一般只在高压比工况或者高环境温度工况下采用。R32 和R717 作为R22 的替代工质，可以采用吸气喷液循环在降低其排气温度的同时，提高其系统的制冷量和COP，同时降低其压缩功。但是由于压缩机对湿压缩的耐受程度的限制，以及实际湿压缩过程中较大的冷量损失，吸气喷液循环的喷液量一般较小，而实际的吸气名义干度一般在0.98 附近。