R290/R600a混合工质制冷系统泄漏点对系统性能的影响

　　HCFCs工质替代是当前制冷学科研究的一个重要课题,天然制冷剂成为其中的一种选择,如R600a,NH3及CO2等[1-2]。目前对R290/R600a的研究主要包括工质的物性[3-4]及在各种应用条件下的实验研究[5-8],但缺少系统泄漏对系统性能影响的研究。对于混合工质而言,不同位置气体和液体中的比例会不同,泄漏会对系统性能产生不同的影响。笔者通过对系统特定位置进行工质泄漏量的控制,研究不同位置不同泄漏量对系统性能的影响。

　　1 R290/600a组分比例理论研究

　　系统运行过程中造成工质对组分比例发生变化的主要因素是系统的泄漏。在泄漏过程中,泄漏点的泄漏受到内外部条件的影响。为研究这一过程,首先假设泄漏过程中工质保持热力学平衡,即过程中的任意时刻工质都有确定的强度性参数。

　　计算中,相平衡计算用到以下2个方程:状态方程和混合规则。根据质量守恒方程,任意组元i的总组成Zi,平衡气相组成yi,液相组成xi及干度X之间的关系为:

　　考虑从S时刻到S+$S的时间段内完成的微量泄漏过程:工质初始摩尔质量为M0,任意时刻的摩尔质量为M,过程中泄漏的质量为$M,组元i的摩尔浓度变化为$Zi,建立泄漏方程。

　　气相泄漏差分方程为

　　同理,液相泄漏差分方程为

　　表1列出了制冷系统不同部位不同泄漏率时工质对组分比例值。

　　从表1可以看出,制冷系统的4个不同部位的泄漏对工质对组分比例的分布有较大的影响,这种比例的变化将会导致制冷系统性能的变化,这可以通过理论计算得出。计算条件为蒸发温度tevp=-25e,冷凝温度tcon= 50e,过冷度为10e,过热度为20e,结果如图1和图2所示。

　　从图1和图2可以发现,由于泄漏造成的组分变化使得制冷系统性能发生很大的变化。蒸发器出口和冷凝器入口泄漏造成了单位质量制冷量的增大,同时降低了COP值;蒸发器入口和冷凝器出口泄漏使单位质量制冷量减小,但是增加了COP值。主要原因可能是在蒸发器入口和冷凝器出口处发生的是气相泄漏,低沸点的R290易汽化,泄漏出的制冷剂中R290占多数,高沸点组分R600a剩余得多,使单位质量混合工质的制冷量减少,同时压缩功也增加,综合效果使整个制冷过程COP下降;而在蒸发器出口和冷凝器入口处发生的液相泄漏,由于液相成分中高沸点组分R600a较多,因此泄漏量也多,使混合制冷剂中低沸点组分比例增大,因而单位质量制冷量增加,整个制冷过程的COP值上升。

　　冷凝压力和蒸发压力变化如图3和图4所示。从图可以看出,蒸发器入口和冷凝器出口的泄漏会造成整个系统的压缩比减小,系统的COP增大。