蒸气压缩制冷循环中R12_R134a回热问题的研究_王跃河|压缩制冷循环
蒸气压缩制冷循环中Ｒ１２、Ｒ１３４ａ
Ｔｈｅ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ｅｘｐａｎｓｉｏｎ Ｄｅｖｉｃｅ ａｎｄ Ｌｉｑｕｉｄ－ｓｕｃｔｉｏｎ Ｈｅａｔ Ｅｘｃｈａｎｇｅｒ ｉｎ Ｒ１２ ａｎｄ Ｒ１３４
回热问题的研究
Ｖａｐｏｒ－Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ Ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ Ｃｙｃｌｅ
王跃河Ｗａｎｇ Ｙｕｅｈｅ
摘要： 本文针对采用制冷剂Ｒ１２和Ｒ１３４ａ的家用冰箱，对蒸气压缩制冷循环进行热力学分析，得出了有效能损失的分配情况。然后在建立传统冷藏冷冻箱各个部件有效能平衡方程的基础上，选取合适的状态方程和计算工况，对制冷剂Ｒ１２、Ｒ１３４ａ在冷藏冷冻箱中的有效能损失进行了理论分析。并利用计算公式，编制了计算机程序，对传统冷藏冷冻箱使用Ｒ１２、Ｒ１３４ａ两种制冷工质进行了有效能数值计算。发现带回热装置的制冷系统的节流元件和回热器有效能损失比不带的系统分别少１８．２５％、１０．２６％，收益有效能分别高１４．５０％、９．２３％。关键词：有效能，回热装置
Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｈｏｕｓｅｈｏｌｄ ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｏｒ ｕｓｉｎｇ ｒｅｆｒｉｇｅｒａｎｔ Ｒ１２ ａｎｄ Ｒ１３４ａ ｉｓ ｓｔｕｄｉｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓｐａｐｅｒ ｆｏｒ ｔｈｅｒｍｏｄｙｎａｍｉｃ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｖａｐｏｒ－ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ ｃｙｃｌｅ ａｎｄｅｘｅｒｇｙ ｌｏｓｓ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｉｓ ｆｏｕｎｄ． Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｅｘｅｒｇｙ ｂａｌａｎｃｅ ｅｑｕａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｅｖｅｒａｌ ｐａｒｔｓｏｆ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｏｒ－ｆｒｅｅｚｅｒ， ｒｅｆｒｉｇｅｒａｎｔ Ｒ１２ ａｎｄ Ｒ１３４ａ ｅｘｅｒｇｙ ｌｏｓｓ ｉｎ ｒｅｆｒｉｇｅｒａ－ｔｏｒ－ｆｒｅｅｚｅｒ ｉｓ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｌｙ ａｎａｌｙｚｅｄ ｗｉｔｈ ｐｒｏｐｅｒ ｅｑｕａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｓｔａｔｅ ａｎｄ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ． Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｐｒｏｇｒａｍ ｉｓ ｗｒｉｔｔｅｎ ｗｉｔｈ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｆｏｒｍｕｌａｓ． Ｔｈｅｎ ｅｘｅｒｇｙｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｉｓ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ ｆｏｒ ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｏｒ－ｆｒｅｅｚｅｒ ｕｓｉｎｇ ｔｗｏ ｒｅｆｒｉｇｅｒａｎｔｓ Ｒ１２ａｎｄ Ｒ１３４ａ． Ｉｔ ｉｓ ｆｏｕｎｄ ｔｈａｔ ｅｘｅｒｇｙ ｌｏｓｓ ｏｆ ｅｘｐａｎｓｉｏｎ ｄｅｖｉｃｅ ａｎｄ ｌｉｑｕｉｄ－ｓｕｃｔｉｏｎ ｈｅａｔｅｘｃｈａｎｇｅｒｓ ｉｎ ｒｅｆｒｉｇｅｒａｎｔ ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ ｓｕｃｔｉｏｎ ｔｕｂｅ ｓｕｐｅｒｈｅａｔｉｎｇ ｄｅｖｉｃｅ ｉｓ ｒｅｓｐｅｃ－ｔｉｖｅｌｙ １８．２５％、１０．２６％ ｌｏｗｅｒ ｔｈａｎ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈｏｕｔ ｔｈｅ ｄｅｖｉｃｅ ａｎｄ ｇａｉｎ ｅｘｅｒｇｙ ｏｆｔｈｅ ｆｏｒｍｅｒ ｉｓ ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ １４．５０％、９．２３％ ｈｉｇｈｅｒ ｔｈａｎ ｔｈｅ ｌａｔｔｅｒ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ： ｅｘｅｒｇｙ，ｌｉｑｕｉｄ－ｓｕｃｔｉｏｎ ｈｅａｔ ｅｘｃｈａｎｇｅｒｓ１ 引言
在实际的蒸气压缩制冷循环中往往要采用回热装置，使节流前的高温液体和来自蒸发器的低温蒸气进行内部热交换。热交换的结果使得冷凝器出口液体进一步过冷，蒸发器出口蒸气进一步过热，减少了吸气管与环境空气之间的无效过热。同时，压缩机吸气温度的提高也改善了压缩机的输气性能。这些都使制冷系统的循环性能得到改良。另外，回热也避免了节流装置有可能出现的闪气现象和压缩机有可能出现的液击现象。本文采用有效能的分
析方法对有回热的和没有回热的系统进行比较，以分析其差别。但是，并不是所有
代物如ＨＦＣ１３４ａ，混合工质Ｒ２２／１５２ａ、Ｒ２２／１４２ｂ、Ｒ２２／Ｒ１３４ａ／Ｒ１５２ａ等，这些新的制冷工质的回热特性如何？却一直没有得到进行充分的分析和研究。本文针对制冷剂Ｒ１２和替代制冷剂ＨＦＣ１３４ａ从理论上对工质在蒸气压缩制冷循环中的回热问题进行了详细的计算和分析。
２ 理论分析
为了对比有无回热制冷循环的两种系统的性能，本节应用热力学第二定律首先分析一下带回热制冷循环系统的热力性能。
在制冷和空调设备所采用的制冷循环中，蒸气压缩制冷循环占有相当大的比例，为了进一步提高这类循环的性能系数，有必要对蒸气压缩制冷循环进行热力学分析，得出有效能损失的分配情况，以找到合理的改进途径，做到有的放矢。另外，还可以作为新的冷藏冷冻箱制冷循环
一般地，蒸气的工质采用回热装置都能提高整机性能，系统性能改善的比较基准。文献［１］［２］指出，制冷工质Ｒ１２、Ｒ５０２等采用回热后，循环性能得到了改善，但制冷剂Ｒ１１、Ｒ２２却相反。这主要是由工质的热物理性质造成的。近几年来，国内外学者进行了大量的替代工质理论分析和实验研究，找出了许多ＣＦＣｓ的可能替
回热器
冷凝器
１ ２
压缩机
４
３毛细管４
２Ó １Ó ２Ó １Ó
冷藏蒸发器冷冻蒸发器
图１ 简单蒸气压缩循环系统图及其在压－焓图上的表示
ｈ１
３
２
ｌｇｐ
压缩制冷循环至少由四个部分组成：压缩
机、冷凝器、膨胀节流件及蒸发器，如图１所示。下面将对各部件建立有效能平衡方程［３，４］。①压缩机
压缩机是蒸气压缩制冷循环的“心脏”，通过耗费一定的功使制冷剂压力和焓值升高。图２是压缩机的有效能平衡图，可用数学表达式表示为：
（１）式中：和
分别为压缩机入口和出
为
图５ 蒸发器有效能平衡图冷藏室
冷冻室
图４ 节流元件和回热器有效能平衡图
回热器
室蒸发器和流出冷冻室蒸发器的工质比焓，ｋＪ／ｋｇ；Ｔ０为环境温度，Ｔ０＝３０５．１５Ｋ；ＴＲ和ＴＦ分别为冷藏室和冷冻室的温度，Ｋ。
在上述建立传统冷藏冷冻箱各个部件有效能平衡方程的基础上，选取合适的状态方程和计算工况，对制冷剂Ｒ１２、Ｒ１３４ａ在冷藏冷冻箱中的有效能损失进行计算。
本工作选用通用性好、形式简单的Ｐｅｎｇ－Ｒｏｂｉｎｓｏｎ状态方程做为制冷剂热力
④蒸发器
口工质单位质量有效能，ｋＪ／ｋｇ；
压缩机有效能损失，ｋＪ／ｋｇ；ｗ为压缩机工质单位质量输入功，ｋＪ／ｋｇ。
Ｐｅｎｇ－Ｒｏｂｉｎｓｏｎ方程膨胀节流后的低温工质进入蒸发器，学性质的计算公式。
是在１９７６年提出的Ｒ－Ｋ方程的一种修正吸热蒸发为气相，释放冷量，进而实现制冷的目的。对冷藏冷冻箱来讲，蒸发器分为两部分，一部分为冷冻蒸发器，一部分
形式［５］，它计算实际气体比容的精度在气相约为２％左右，液相约为５％左右［６］。Ｐ－Ｒ方程的型式为：
压缩机
为冷藏蒸发器。在大多数情况下，工质先流入冷藏蒸发器，然后流入冷冻蒸发器，冷冻室和冷藏室的热负荷大致相等，但
（９）
图２ 压缩机有效能平衡图
由于两室的温度不同，故二者的有效能
冷凝器
损失不同，故将二者的有效能损失分开计算。图５为蒸发器有效能平衡图，数学
图３ 冷凝器有效能平衡图
表达式为：
冷藏室蒸发器的有效能平衡： （４）冷冻室蒸发器的有效能平衡： （５）蒸发器的总有效能损失： （６） （７）
可见，常数ｂ与物质的临界参数ｐｃ、Ｔｃ有关，而常数ａ除了与物质的临界参数ｐｃ、Ｔｃ和偏心因子ω有关外，还是温度Ｔ的函数。
（８）
本文采用余函数法计算流体的导出热力性质焓、熵和有效能［７］。
②冷凝器
冷凝器的主要作用是把压缩机出口的高温气体近似等压地冷却成过冷液体，图３为冷凝器的有效有平衡图，其有效能平衡方程为：
（２）式中：
和
分别为冷凝器入口和
为
出口工质单位质量有效能，ｋＪ／ｋｇ；冷凝器有效能损失，ｋＪ／ｋｇ。
③节流元件和回热器
膨胀节流过程是制冷系统所必不可少的过程。制冷剂流经节流元件膨胀后焓值不变，但压力和温度降低，形成低温源。其有效能平衡图见图４，用数学式可表示成：
（３）
式中：和分别为进入和流出节流元件的工质单位质量有效能，ｋＪ／ｋｇ；为流出蒸发器、进入回气管的工质单位质量有效能，ｋＪ／ｋｇ；损失，ｋＪ／ｋｇ。
根据实际情况，冷藏冷冻箱有效能计
式中：
、
和
分别为进入冷
算的工况为：
环境温度： ３０５．１５Ｋ（３２℃） ；冷凝温度： ３１５．１５Ｋ（４２℃） ；蒸发温度： ２４２．１５Ｋ（－３１℃） ；冷藏室内温度： ２７８．１５Ｋ（５℃） ；冷冻室内温度： ２５５．１５Ｋ（－１８℃）。利用上述的计算公式，编制了计算机程序，对传统冷藏冷冻箱使用Ｒ１２、Ｒ１３４ａ两种制冷工质进行了有效能分析计算。计算结构列于表１￣４中。
藏室蒸发器、流出冷藏室蒸发器或者进入冷冻室蒸发器和流出冷冻室蒸发器的工质单位质量有效能，ｋＪ／ｋｇ ；和
分别
为蒸发器吸收冷藏室热量和冷冻室热量的单位工质有效能，ｋＪ／ｋｇ；
、
和
分别为冷藏室蒸发器、冷冻室蒸发器和总的蒸发器工质单位质量有效能损失，ｋＪ／ｋｇ；ｈ４、ｈ４，５和ｈ５分别为进入冷藏室蒸发器、流出冷藏室蒸发器或者进入冷冻
为回热器的有效能
从表１￣４可以看出：制冷剂分别为Ｒ１２、Ｒ１３４ａ的制冷系统的节流元件和回热器有效能损失分别为１７．２９％、１７．３０％，收益有效能为２１．２０％、２３．５５％。不带回热的制冷系统的节流元件有效能损失分别为２１．１５％、１９．２８％。收益有效能为１８．５０％、２１．５６％。比较可知带回热装置的制冷系统收益有效能要比不带回热的制冷系统的收益有效能分别高１４．５０％、９．２３％。３ 试验验证
从表５和表６中可以看出：①制冷剂为Ｒ１２的带回热装置的ＢＣＤ－１９２冷藏冷冻箱的耗电量为０．９６０ｋＷ・ｈ／２４ｈ。比不带回热装置的ＢＣＤ－１９２冷藏冷冻箱（耗电量为１．０００ ｋＷ・ｈ／２４ｈ）节能４％。
②制冷剂为Ｒ１３４ ａ的带回热装置的ＢＣＤ－１９２冷藏冷冻箱的耗电量为０．９７０ｋＷ・ｈ／２４ｈ。比不带回热装置的ＢＣＤ－１９２冷藏冷冻箱（耗电量为１．０１０ ｋＷ・ｈ／２４ｈ）节能３．９％。４ 结论
把目前使用制冷剂Ｒ１２、Ｒ１３４ａ的制冷系统分为带回热装置和不带回热装置，并分别进行了有效能分析和试验验证，结论如下：
①制冷剂分别为Ｒ１２、Ｒ１３４ａ的制冷系统的节流元件和回热器有效能损失分别为１７．２９％、１７．３０％，收益有效能为２１．２０％、２３．５５％。不带回热的制冷系统的节流元件有效能损失分别为２１．１５％、１９．２８％。带回热装置的制冷系统的节流元件和回热器有效能损失比不带的系统分别少１８．２５％、１０．２６％。收益有效能为１８．５０％、２１．５６％。比较可知带回热装置的制冷系统收益有效能要比不带回热的制冷系统的收益有效能分别高１４．５０％、９．２３％。
② 制冷剂分别为Ｒ１２、Ｒ１３４ａ的制冷系统（以ＢＣＤ－１９２冷藏冷冻箱为例），带回热装置的要比不带回热装置的节能约为４％
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「编辑／韩 彬」