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摘要摘要：通過對環保工質三氟碘甲烷(CF3I)的飽和蒸汽壓曲線、冰箱名義工況和變工況下循環性能等三方面的理論分析,發現CF3I和CF3I的摩爾組成在50%-65%范圍的CF3I/HC290混合工質,理論循環性能和CFC12接近,具有作為冰箱中CFC12灌注式替代物的潛力。

摘要：工程熱物理冰箱制冷劑理論循環分析CF3ICF3I/HC290

1引言

冰箱制冷劑CFC12的現有替代物主要有HFC134a、HC600a和HFC152a/HCFC22,它們分別在加工工藝、可燃性、環保和熱工性能方面存在缺陷[1,2,尋求新型環保節能的冰箱工質仍是人們探究的方向。

三氟碘甲烷(CF3I)是作為哈龍替代物而開發的新型滅火劑,其臭氧層破壞勢(ODP)為0,20年的全球變暖勢(GWP)低于5,不燃,油溶性和材料相容性很好[3,飽和蒸汽壓曲線和CFC12相近,具備了作為冰箱制冷劑的前提條件(至于毒性目前還沒有定論[3,4)。有關CF3I的熱物性,只有文獻[3進行了較為系統的探究,目前還缺乏適用于汽液兩相區的狀態方程;CF3I在冰箱工況下的循環性能,還沒有被系統地分析。根據文獻[3的PVT實驗數據,確定同時適用于CF3I汽液兩相的PT方程;并在此基礎上,對CF3I在冰箱工況下的循環性能進行系統地理論分析,旨在考察其作為冰箱制冷劑的可能性。

2理論循環分析的工具

2.1PT狀態方程兩參數F、ζc的求解

式中,R為工質的通用氣體常數,Tr=T/Tc。確定PT狀態方程需要具體物質的四個參數摘要:臨界壓力Pc、臨界溫度Tc、虛擬壓縮因子ζc、斜率F。對于CF3I,文獻[3給出其Pc=3.953MPa,Tc=396.44K[3。ζc、F的求解方法如下摘要:(1)選取n個飽和液相數據點(T、P、ρL)i(i=1,…,n;(2)假設一個ζc初值;(3)由式(6)、(7)、(8)求出Ωa、Ωb、Ωc,代入式(4)、(5)求得b、c;

(4)由汽液平衡條件fL=fV,輸入某數據點i的(T、P)i,由式(1)、(2)求出αi;(5)由n個數據點的(Ti,αi)用最小二乘法擬合式(3),求出F;(6)由ζc和已求出的Ωa,Ωb,Ωc,F,根據方程(1)～(2)和汽液平衡條件計算各點的和的相對誤差，以及個數據點的平均相對誤差；

(7)以一定的步長改變ζc,重復步驟(3)-(6)。選取最小EYL所對應的ζc、F作為PT方程的參數。

文獻[3給出了CF3I在301K-Tc范圍內的25個飽和液相密度點,其中3個數據點是為了確定臨界點而測的;把這3個數據點當作一個臨界點對待,選取其余22個數據點按照上面的步驟求解得到CF3I的F=0.6514、ζc=0.3105。

2.2PT狀態方程精度的驗證

為了檢驗如上確定的適用于CF3I的PT方程的計算精度,以該方程對CF3I的飽和液密度、飽和蒸汽壓、氣相區PVT性質進行了計算,并和文獻[3的實驗數據進行了對比。對比實驗數據為T%26lt;0.9Tc(即T%26lt;356.80K)范圍內的13個飽和液相點、22個飽和蒸汽壓點和T%26lt;Tc內77組氣相區數據。結果表明,飽和液密度、飽和蒸汽壓、氣相區密度的最大相對誤差分別為2.94%、0.42%、5.87%,平均相對誤差分別為1.54%、0.25%、2.17%。相對誤差、平均相對誤差計算式分別為

（9）

（10）

式中,X-所要比較的物理量,cal-PT方程的計算值,exp-實驗值,n-數據點的個數。

冰箱的名義工況為蒸發溫度tevap=-23.3℃,冷凝溫度tcon=54.4℃,吸氣溫度、過冷溫度32.2℃[6,處于上述溫度區間。可見,確定的適用于CF3I的PT方程,能夠用于對CF3I的冰箱循環性能分析計算,而且精度良好。

3CF3I蒸汽壓曲線的分析

從熱力學角度看,替代制冷劑最好具有和原制冷劑相似的蒸汽壓曲線[7。圖1為幾種工質的蒸汽壓對比,其中CF3I的蒸汽壓方程為[3

（11）

式中,

A1=-7.204825,A2=1.393833,A3=-1.568372,A4=-5.776895,適用范圍243K～Tc;其它制冷劑的蒸汽壓數據來自ASHARE[8。

由圖1可見,在冰箱名義工況的溫度區間內,HFC152a/HCFC22、HFC134a的蒸汽壓曲線和CFC12吻合得很好;HC290的蒸汽壓高于CFC12,HC600a的蒸汽壓則比CFC12低許多。CF3I的蒸汽壓介于HC600a和CFC12之間,在冰箱名義工況下和CFC12的最大差距為20%左右。由蒸汽壓看,CF3I比HC600a更適合作為CFC12的灌注式替代物;按照優勢互補原則選擇HC290和CF3I組成混合物,灌注式替代CFC12的效果可能會更好。

4CF3I作為冰箱制冷劑的循環性能分析

4.1冰箱名義工況

采用帶回熱的冰箱制冷循環模型,即用回熱器來實現工質的過冷和過熱,并設工質經過回熱器換熱后節流前的溫度和壓縮機的吸氣溫度相等,這一溫度稱為回熱溫度。

計算CF3I的循環性能所需的理想氣體比熱式[3為摘要:

（8）

式中T的單位為K,R為CF3I的氣體常數,單位為J/(K·kg)。計算焓、熵的參考態為ASHRAE規定的-40℃的飽和液態,參考態上h=0kJ/kg,s=0kJ/(kg·K)。

在冰箱名義工況下,設壓縮機的總效率為0.70,計算了幾種工質的循環性能。混合工質的蒸發溫度取為蒸發器進口和露點溫度的平均值,冷凝溫度取其冷凝壓力下的泡露點平均值。計算結果見表1。表中MIX1、MIX2分別表示質量百分比85/15、75/25的HFC152a/HCFC22。

觀察表1中各種工質的性能參數,在壓力水平方面,除了HC600a、HC290外,現有的幾種冰箱制冷劑的蒸發壓力Pevap、冷凝壓力Pcond和CFC12都很接近。CF3I的壓力水平和CFC12有一定偏差,其Pevap略低于大氣壓,蒸發器為微負壓,不利于系統運行。CF3I的壓比和CFC12的最接近。壓縮機排氣溫度方面,HC600a和HC290的tdisch較低。CF3I的tdisch較高,不利于壓縮機的運行;但和MIX1、MIX2十分接近,表明目前的冰箱壓縮機能夠承受這樣的溫度。CF3I的單位容積制冷量qv比CFC12小20%左右,也比HFC134a、MIX1和MIX2小,HC290比CFC12高40%左右。CF3I的COP是最高的,比CFC12高3.4%,這是CF3I的優勢,而HC290是最低的。通過以上的比較可以看出摘要:(1)CF3I的循環性能指標和CFC12相近,可以在對原有制冷系統稍作改動的基礎上,作為CFC12的灌注式替代物;(2)HC290和CF3I在循環性能指標上具有互補性,若將兩者組成混合物,在性能上可能更接近CFC12。

4.2變工況

變工況循環性能分析,一般包括COP、qv、tdisch、隨冷凝溫度、蒸發溫度、回熱溫度的變化規律。相比之下,各性能指標隨回熱溫度的變化規律比隨蒸發溫度、冷凝溫度的變化規律更重要一些,這是因為冰箱的回熱器一般裸露在環境中[1,回熱溫度的變化幅度、頻率要比蒸發溫度、冷凝溫度要大、要快。分析幾種制冷劑循環性能指標隨回熱溫度的變化規律,分析方法是固定蒸發溫度、冷凝溫度,變化回熱溫度,看性能指標的變化趨向。

結果如圖2-圖5所示。回熱溫度由0℃變化到50℃,幾種工質的COP都降低,其中CF3I降低得最慢。在qv方面,HC290隨回熱溫度的變化顯著,其他工質的變化規律相似。隨著回熱溫度的升高,CF3I的tdisch增加速度比其它工質快,這是不利于冰箱運行的。由于在計算中固定了蒸發溫度、冷凝溫度,所以對于純質來說保持不變,而對于混合工質來說,有稍微地上升。由圖還可以發現,CF3I和HC290的循環性能指標分布在CFC12的兩側。

CF3I各項性能指標隨回熱溫度的變化所表現的規律和CFC12基本類似,數值幅度上的偏差也不太大。COP優于CFC12,tdisch較CFC12為高。總起來說,CF3I存在作為CFC12灌注式替代物的潛力。

5CF3I/HC290混合物作為冰箱制冷劑的循環性能分析

5.1冰箱名義工況

由以上分析可知,CF3I和HC290的循環性能具有互補性,下面具體分析不同配比下HC290/CF3I混合物的循環性能。

計算工況、壓縮機總效率的選取同上。表2列出了循環性能計算結果。

由表1已經知道CF3I的Pevap、Pcond、q0、qv都比HC290的小,所以隨著HC290在混合物中所占比例的增加,HC290/CF3I混合物的Pevap、Pcond、q0、qv都應該呈現增大的趨向,而∑、tdisch、COP應該減小,這種規律在表2中得到了很好的體現。

對比表2和表1,可以看到CF3I/HC290混合物在65/35、60/40、55/45、50/50四種摩爾百分配比下各個性能指標和CFC12吻合得很好。

5.2變工況

對上面所給4種配比下的CF3I/HC290混合物進行了循環性能參數隨回熱溫度變化規律的計算。結果表明,混合物的循環性能和CFC12十分接近,從理論循環分析的角度看,是CFC12理想的灌注式替代物。

圖2-圖5中列出了摩爾百分比為65/35(質量百分比為89.2/10.8)的CF3I/HC290的計算結果,其它3種配比下CF3I/HC290混合物的性能也和之相近。

5.3可燃性分析

以上4種配比的CF3I/HC290混合物中,HC290的摩爾比例最大為50%,其相應的質量比例最大為18.4%。一般家用冰箱的制冷劑的充灌量為0.1kg左右[6,9,以本文提出的4種CF3I/HC290混合物作為冰箱制冷劑,HC290的最大充灌量僅為0.0184kg。文獻[10指出,在密封性好的制冷系統中,只要碳氫化合物的充灌量小于0.15kg,那么系統就是平安的。因此,CF3I的摩爾組成在50%～65%范圍的CF3I/HC290混合工質在應用中的平安性是可以得到保證的。

6結論

(1)求得了適用于CF3I的PT方程,此狀態方程對于CF3I的熱力學性質和循環性能計算具有較高的精度。

(2)通過對CF3I的蒸汽壓曲線、冰箱名義工況、變工況的計算分析,發現CF3I的循環性能和CFC12相近。

(3)按照優勢互補的原則,篩選提出了CF3I的摩爾組成在50%～65%范圍的CF3I/HC290混合工質,其循環性能和CFC12十分接近,可作為CFC12的灌注式替代物。

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