三氟碘甲烷作为冰箱制冷剂分析论文

摘要摘要：通过对环保工质三氟碘甲烷(CF3I)的饱和蒸汽压曲线、冰箱名义工况和变工况下循环性能等三方面的理论分析,发现CF3I和CF3I的摩尔组成在50%-65%范围的CF3I/HC290混合工质,理论循环性能和CFC12接近,具有作为冰箱中CFC12灌注式替代物的潜力。

摘要：工程热物理冰箱制冷剂理论循环分析CF3ICF3I/HC290

1引言

冰箱制冷剂CFC12的现有替代物主要有HFC134a、HC600a和HFC152a/HCFC22,它们分别在加工工艺、可燃性、环保和热工性能方面存在缺陷[1,2,寻求新型环保节能的冰箱工质仍是人们探究的方向。

三氟碘甲烷(CF3I)是作为哈龙替代物而开发的新型灭火剂,其臭氧层破坏势(ODP)为0,20年的全球变暖势(GWP)低于5,不燃,油溶性和材料相容性很好[3,饱和蒸汽压曲线和CFC12相近,具备了作为冰箱制冷剂的前提条件(至于毒性目前还没有定论[3,4)。有关CF3I的热物性,只有文献[3进行了较为系统的探究,目前还缺乏适用于汽液两相区的状态方程;CF3I在冰箱工况下的循环性能,还没有被系统地分析。根据文献[3的PVT实验数据,确定同时适用于CF3I汽液两相的PT方程;并在此基础上,对CF3I在冰箱工况下的循环性能进行系统地理论分析,旨在考察其作为冰箱制冷剂的可能性。

2理论循环分析的工具

2.1PT状态方程两参数F、ζc的求解

式中,R为工质的通用气体常数,Tr=T/Tc。确定PT状态方程需要具体物质的四个参数摘要:临界压力Pc、临界温度Tc、虚拟压缩因子ζc、斜率F。对于CF3I,文献[3给出其Pc=3.953MPa,Tc=396.44K[3。ζc、F的求解方法如下摘要:(1)选取n个饱和液相数据点(T、P、ρL)i(i=1,…,n;(2)假设一个ζc初值;(3)由式(6)、(7)、(8)求出Ωa、Ωb、Ωc,代入式(4)、(5)求得b、c;

(4)由汽液平衡条件fL=fV,输入某数据点i的(T、P)i,由式(1)、(2)求出αi;(5)由n个数据点的(Ti,αi)用最小二乘法拟合式(3),求出F;(6)由ζc和已求出的Ωa,Ωb,Ωc,F,根据方程(1)～(2)和汽液平衡条件计算各点的和的相对误差，以及个数据点的平均相对误差；

(7)以一定的步长改变ζc,重复步骤(3)-(6)。选取最小EYL所对应的ζc、F作为PT方程的参数。

文献[3给出了CF3I在301K-Tc范围内的25个饱和液相密度点,其中3个数据点是为了确定临界点而测的;把这3个数据点当作一个临界点对待,选取其余22个数据点按照上面的步骤求解得到CF3I的F=0.6514、ζc=0.3105。

2.2PT状态方程精度的验证

为了检验如上确定的适用于CF3I的PT方程的计算精度,以该方程对CF3I的饱和液密度、饱和蒸汽压、气相区PVT性质进行了计算,并和文献[3的实验数据进行了对比。对比实验数据为T%26lt;0.9Tc(即T%26lt;356.80K)范围内的13个饱和液相点、22个饱和蒸汽压点和T%26lt;Tc内77组气相区数据。结果表明,饱和液密度、饱和蒸汽压、气相区密度的最大相对误差分别为2.94%、0.42%、5.87%,平均相对误差分别为1.54%、0.25%、2.17%。相对误差、平均相对误差计算式分别为

（9）

（10）

式中,X-所要比较的物理量,cal-PT方程的计算值,exp-实验值,n-数据点的个数。

冰箱的名义工况为蒸发温度tevap=-23.3℃,冷凝温度tcon=54.4℃,吸气温度、过冷温度32.2℃[6,处于上述温度区间。可见,确定的适用于CF3I的PT方程,能够用于对CF3I的冰箱循环性能分析计算,而且精度良好。

3CF3I蒸汽压曲线的分析

从热力学角度看,替代制冷剂最好具有和原制冷剂相似的蒸汽压曲线[7。图1为几种工质的蒸汽压对比,其中CF3I的蒸汽压方程为[3

（11）

式中,

A1=-7.204825,A2=1.393833,A3=-1.568372,A4=-5.776895,适用范围243K～Tc;其它制冷剂的蒸汽压数据来自ASHARE[8。

由图1可见,在冰箱名义工况的温度区间内,HFC152a/HCFC22、HFC134a的蒸汽压曲线和CFC12吻合得很好;HC290的蒸汽压高于CFC12,HC600a的蒸汽压则比CFC12低许多。CF3I的蒸汽压介于HC600a和CFC12之间,在冰箱名义工况下和CFC12的最大差距为20%左右。由蒸汽压看,CF3I比HC600a更适合作为CFC12的灌注式替代物;按照优势互补原则选择HC290和CF3I组成混合物,灌注式替代CFC12的效果可能会更好。

4CF3I作为冰箱制冷剂的循环性能分析

4.1冰箱名义工况

采用带回热的冰箱制冷循环模型,即用回热器来实现工质的过冷和过热,并设工质经过回热器换热后节流前的温度和压缩机的吸气温度相等,这一温度称为回热温度。

计算CF3I的循环性能所需的理想气体比热式[3为摘要:

（8）

式中T的单位为K,R为CF3I的气体常数,单位为J/(K·kg)。计算焓、熵的参考态为ASHRAE规定的-40℃的饱和液态,参考态上h=0kJ/kg,s=0kJ/(kg·K)。

在冰箱名义工况下,设压缩机的总效率为0.70,计算了几种工质的循环性能。混合工质的蒸发温度取为蒸发器进口和露点温度的平均值,冷凝温度取其冷凝压力下的泡露点平均值。计算结果见表1。表中MIX1、MIX2分别表示质量百分比85/15、75/25的HFC152a/HCFC22。

观察表1中各种工质的性能参数,在压力水平方面,除了HC600a、HC290外,现有的几种冰箱制冷剂的蒸发压力Pevap、冷凝压力Pcond和CFC12都很接近。CF3I的压力水平和CFC12有一定偏差,其Pevap略低于大气压,蒸发器为微负压,不利于系统运行。CF3I的压比和CFC12的最接近。压缩机排气温度方面,HC600a和HC290的tdisch较低。CF3I的tdisch较高,不利于压缩机的运行;但和MIX1、MIX2十分接近,表明目前的冰箱压缩机能够承受这样的温度。CF3I的单位容积制冷量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%,这是CF3I的优势,而HC290是最低的。通过以上的比较可以看出摘要:(1)CF3I的循环性能指标和CFC12相近,可以在对原有制冷系统稍作改动的基础上,作为CFC12的灌注式替代物;(2)HC290和CF3I在循环性能指标上具有互补性,若将两者组成混合物,在性能上可能更接近CFC12。

4.2变工况

变工况循环性能分析,一般包括COP、qv、tdisch、随冷凝温度、蒸发温度、回热温度的变化规律。相比之下,各性能指标随回热温度的变化规律比随蒸发温度、冷凝温度的变化规律更重要一些,这是因为冰箱的回热器一般在环境中[1,回热温度的变化幅度、频率要比蒸发温度、冷凝温度要大、要快。分析几种制冷剂循环性能指标随回热温度的变化规律,分析方法是固定蒸发温度、冷凝温度,变化回热温度,看性能指标的变化趋向。

结果如图2-图5所示。回热温度由0℃变化到50℃,几种工质的COP都降低,其中CF3I降低得最慢。在qv方面,HC290随回热温度的变化显著,其他工质的变化规律相似。随着回热温度的升高,CF3I的tdisch增加速度比其它工质快,这是不利于冰箱运行的。由于在计算中固定了蒸发温度、冷凝温度,所以对于纯质来说保持不变,而对于混合工质来说,有稍微地上升。由图还可以发现,CF3I和HC290的循环性能指标分布在CFC12的两侧。

CF3I各项性能指标随回热温度的变化所表现的规律和CFC12基本类似,数值幅度上的偏差也不太大。COP优于CFC12,tdisch较CFC12为高。总起来说,CF3I存在作为CFC12灌注式替代物的潜力。

5CF3I/HC290混合物作为冰箱制冷剂的循环性能分析

5.1冰箱名义工况

由以上分析可知,CF3I和HC290的循环性能具有互补性,下面具体分析不同配比下HC290/CF3I混合物的循环性能。

计算工况、压缩机总效率的选取同上。表2列出了循环性能计算结果。

由表1已经知道CF3I的Pevap、Pcond、q0、qv都比HC290的小,所以随着HC290在混合物中所占比例的增加,HC290/CF3I混合物的Pevap、Pcond、q0、qv都应该呈现增大的趋向,而∑、tdisch、COP应该减小,这种规律在表2中得到了很好的体现。

对比表2和表1,可以看到CF3I/HC290混合物在65/35、60/40、55/45、50/50四种摩尔百分配比下各个性能指标和CFC12吻合得很好。

5.2变工况

对上面所给4种配比下的CF3I/HC290混合物进行了循环性能参数随回热温度变化规律的计算。结果表明,混合物的循环性能和CFC12十分接近,从理论循环分析的角度看,是CFC12理想的灌注式替代物。

图2-图5中列出了摩尔百分比为65/35(质量百分比为89.2/10.8)的CF3I/HC290的计算结果,其它3种配比下CF3I/HC290混合物的性能也和之相近。

5.3可燃性分析

以上4种配比的CF3I/HC290混合物中,HC290的摩尔比例最大为50%,其相应的质量比例最大为18.4%。一般家用冰箱的制冷剂的充灌量为0.1kg左右[6,9,以本文提出的4种CF3I/HC290混合物作为冰箱制冷剂,HC290的最大充灌量仅为0.0184kg。文献[10指出,在密封性好的制冷系统中,只要碳氢化合物的充灌量小于0.15kg,那么系统就是平安的。因此,CF3I的摩尔组成在50%～65%范围的CF3I/HC290混合工质在应用中的平安性是可以得到保证的。

6结论

(1)求得了适用于CF3I的PT方程,此状态方程对于CF3I的热力学性质和循环性能计算具有较高的精度。

(2)通过对CF3I的蒸汽压曲线、冰箱名义工况、变工况的计算分析,发现CF3I的循环性能和CFC12相近。

(3)按照优势互补的原则,筛选提出了CF3I的摩尔组成在50%～65%范围的CF3I/HC290混合工质,其循环性能和CFC12十分接近,可作为CFC12的灌注式替代物。

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