非共沸混合制冷剂组分对冷凝器换热特性的影响

2009年第6期　总第172期

低　温　工　程

CRY OGEN I CS

No 16　2009

Sum No 1172

非共沸混合制冷剂组分对冷凝器换热特性的影响

冯永斌　晏　刚　钱文波

(西安交通大学能源与动力工程学院　西安　710049)

摘　要:为了揭示非共沸混合工质在冷凝器内的换热特性,探明非共沸混合工质组分对制冷剂和

换热流体间沿程温度的影响,通过建立冷凝器换热模型,对不同沸点差的二元环保型非共沸混合工质进行了理论分析。结果表明:由于非共沸混合工质比焓值与温度的非线性关系,换热流体间的沿程传热温差出现极值点;混合工质中富含低沸点组分时,冷凝器内部存在最小传热温差;反之,存在最大传热温差;混合工质沸点差增加,滑移温度的限制条件之差增大,窄点现象增强。

关键词:制冷剂　非共沸　冷凝器　组分中图分类号:T B612 文献标识码:A 文章编号:100026516(2009)0620052205

收稿日期:2009208209;修订日期:2009211216

作者简介:冯永斌,男,27岁,硕士研究生。

Effect of zeotrop i c refr i geran t m i xtures co m positi on on

hea t tran sfer character isti cs of conden sers

Feng Yongbin Yan Gang Q ian W enbo

(School of Energy and Power Engineering,Xi ’an J iaot ong University,Xi ’an 710049,China )

Abstract :I n order t o reveal the heat transfer characteristics of zeotr op ic refrigerant m ixtures in con 2denser and ascertain the effect of m ixtures compositi on on te mperature distributi on change bet w een refriger 2ant and heat transfer fluid,theoretical analysis was carried out with different nor mal boiling point te mpera 2ture difference and envir on ment 2friendly refrigerant m ixutures based on an condenser model .The results show that the te mperature difference of fluid takes on extre me point due t o the non 2linear relati onshi p be 2t w een te mperature and s pecific enthal py during the condensing p r ocess .W ith binary m ixtures,a m ini m um te mperature difference will occur within the ends of the condenserwhen the concentrati on of l ow voliatile flu 2id is high .Maxi m u m te mperature difference behavi our will be seen at l ow concentrati ons of the more volatile fluid .The constraint te mperature difference of glide te mperature will increases and the p inch point behav 2i our will be strengthen when the nor mal boiling point te mperature difference of m ixture refrigerant increases .

Key words :refrigerant;zeotr op ic;condenser;compositi on

1　引　言

随着CFC 和HCFC 类物质的逐渐淘汰,混合制

冷剂在制冷、空调热泵领域得到了广泛的应用,如

R407C 、R432A 以及R433A 等。理想的混合工质换

热是变温传热,即满足Lorenz 循环,具有节能的潜力。因此,从实用的角度来看,研究混合工质的变温传热较恒温传热更具有实用价值。

第6期非共沸混合制冷剂组分对冷凝器换热特性的影响

非共沸混合工质在相变传热过程中具有其独特的特点,即温度滑移和比焓值随温度的非线性变化

[1]

。然而,这一特性将影响混合工质在换热器内

的传热性能[2-4]

。混合工质的温度匹配特性可以减

少系统的有效能损失,提高系统的热力学性能。在传热过程中,非共沸混合制冷剂与传热流体间存在温差,其变化在一定程度上造成有效能的损失

。然而,温差又是传热的动力,开展非共沸混合工质和换热流体之间的沿程温差变化规律,对换热器的合理设计以及空调热泵系统的优化具有一定的指导意义。本文将针对非共沸混合工质配比和沸点差对沿程流体间传热温差的影响进行研究。2　数学模型的建立2.1　模型的假设

为了便于考察非共沸混合工质在冷凝器内的换热过程,首先做出几点假设:

(1)混合工质与换热流体间为逆流换热,且换热过程为稳态;

(2)基于考察的冷凝温度,忽略换热流体物性参数的变化;

(3)忽略冷凝器内部阻力损失;

(4)忽略冷凝器换热过程的热损失。2.2　理论计算

图1为非共沸混合工质在冷凝器内的换热过程。对于任一微元段,其换热过程满足能量平衡方程(1):

m ?

f c p

d T d x

f

=m ?

r

d h d x

r

(1)

式中:m ?

r 和m ?f 分别为混合工质和换热流体的质量流量,kg/s;c p 为换热流体的比定压热容,kJ /(kg ?℃);h 为混合工质比焓值,kJ /kg;T 为流体温度值,K;x 为冷凝器长度值,m ;下脚标f 代表换热流体;r 代表制冷剂。方程(1)也可表示为:

m ?

f c p

d T d x

f

=m ?

r

5h 5T

p,r

d T d x

r

(2)

图1　冷凝器传热过程

F i g .1　Hea t tran sfer process of conden ser

对于混合工质在冷凝器内的最佳滑移匹配过程

(即满足Lorenz 循环时),两换热流体间的换热温差在冷凝器任一微元段满足:

d T d x r =d T d x f

(3) 由方程(2)和(3)可见,非共沸混合工质在冷凝器内满足最佳滑移匹配时,需满足下列关系式:

5h 5T

p ,r

=

m ?

f c p,f m ?

r

=constant (4)

对于纯工质和共沸混合工质而言,制冷剂的比焓

值随温度呈线性变化。对于非共沸混合工质而言,制冷剂比焓值随温度的变化呈非线性。非共沸混合工质这一特有的性质导致其在冷凝过程中换热温差的明显变化,从而可能形成传热窄点,使换热恶化。由

传热窄点理论知[1]

,非共沸混合工质在逆流型冷凝器内出现传热窄点的条件为:

5h 5T p ,r,in <Δh r

ΔT f <5h 5T p ,r,out

(5) 或者:

5h 5T p ,r,in <Δh r ΔT r ΔT r ΔT f <

5h 5T p,r,out (6) 式中:下脚标in 代表冷凝器进口;out 代表冷凝

器出口,p 代表压力。对于逆流型冷凝器,两相区制冷剂的温度和比焓值变化量分别为:

ΔT r =T d -T b (7)Δh r =h d -h b (8)

式中:下脚标d 和b 对应冷凝压力下混合工质的露点和泡点。由上述非共沸混合工质冷凝器传热窄点发生的条件可知,避免这一现象需满足:

5h 5T p ,r,in >Δh r

ΔT f >5h 5T p ,r,out

(9) 即换热流体的滑移温度需分别满足下列条件:

ΔT f <Δh r 5h 5T p ,r,in 或ΔT f >

Δh r

5h 5T p ,r,out

(10) 可见,非共沸混合工质在冷凝过程中形成传热窄点和最大传热温差的约束条件需满足方程(11)和(12):

ΔT li m it ,I >ΔT f >ΔT li m it ,II (11)ΔT li m it ,I <ΔT f <ΔT li m it ,II (12)

式中:ΔT li m it,I 和ΔT li m it,II 为流体滑移温度两约束温度值,K;其表达式分别为:

ΔT li m it ,I =Δh r

5h

5T p ,r,in

(13)

3

5

低　温　工　程2009年

ΔT

li m it,II =

Δh

r

5h

5T p,r,out

(14)

在两相冷凝过程中,对于固定配比的非共沸混合工质,其比焓值随着温度的变化可以表达为温度和比焓值随组分的关系式:

5h

5Tξ=

-1

5T

5ξh

5ξ

5h T

(15)

式中:ξ为混合工质组分。将方程(15)带入方程(9)或(10)中,则传热流体滑移温度为:

ΔT

f,li m it =

(h

d

-h b)r

5h

5Tξ,r

=-(h d-h b)r×

5T

5ξr,h

5ξ

5h r,T

(16)

由方程(16)可见,换热流体的滑移温度与非共沸混合工质组分紧密相关。对于不同配比的混合工质,温度和比焓值随组分的变化大小可分别从二元溶液T-ξ和h-ξ图知。现以富含低沸点组分的二元非共沸混合工质为例进行分析,其比焓值和温度随组分的变化在饱和泡点线处值均小于其对应饱和露点线处值,也即其满足方程(17)和(18):

5ξ

5h r,T,d>

5ξ

5h r,T,b(17)

5T

5ξr,h,d>

5T

5ξr,h,b(18) 同理可知:当二元非共沸混合工质富含高沸点工质时,比焓值和温度随组分的变化在泡点处均大于露点处对应值;当混合工质中高低沸点组分基本持平时,泡点和露点处对应值基本相等。

为了考察二元非共沸混合工质标准沸点差对换热性能的影响,基于空调工况(平均蒸发温度为5℃,平均冷凝温度为40℃,吸气温度为10℃,过冷温度为35℃,压缩机绝热效率为0.70;换热流体为水,其进出冷凝器的温度分别为30℃和36℃),本文对丙烷、二甲醚、异丁烷以及丁烷组成的环保混合工质进行了研究。制冷剂相关热力学性能见表1。模型的准确预测还依赖于精确的工质热物理参数,制冷剂热物理性质采用REFPROP[5]源程序,制冷剂环保指标ODP和G W P以及安全等级值均源于最新文献[6]。

表1　制冷剂基本热物理性质

Table1　Therm ophysi ca l properti es of refr i geran ts

制冷剂标准沸点/℃摩尔质量/(g/mol)临界温度/℃临界压力/MPa ODP G W P安全等级R290-42.1144.09696.74 4.25120～20A3 RE170-24.8146.068127.15 5.340501A3

R600a-11.7558.122134.66 3.6290～20A3

R600-0.4958.122151.98 3.7960～20A3

3　结果及分析

图2—图4为二元环保型混合工质滑移温度和约束温度随R290质量分数的变化。当混合制冷剂中低沸点制冷剂R290质量分数较小时,对于不同跑沸点差的混合工质R290/RE170、R290/R600a和R290/R600,冷凝器内存在最大传热温差,最小传热温差出现在冷凝器两端;当制冷剂中低沸点工质R290含量较高时,冷凝器内具有最小传热温差,两端出现最大传热温差。对于3种非共沸混合工质,滑移温度与约束温度形态相似。由于标准沸点差的差异,混合制冷剂约束温度范围不同,造成传热热窄点的强烈程度不同。对比图2—图4可以发现:随着混合工质沸点差的增加,制冷剂的滑移温度范围增加;当高低沸点组分持平时,冷凝过程无传热窄点形成,此时混合制冷剂的比焓值随温度的变化呈近线性。然而,由于R290/RE170存在共沸区域,所以对应的无窄点区域发生偏移现象。由图5可见,对于不同沸点差的混合工质,随着沸点差的增加,约束温度范围增加且存在极值点;沸点差的增加造成最小约束温度差(约束温度差为零)对应的低沸点工质R290质量分数增加。R290/R600最大约束温差为7K左右,R290/ R600a制冷剂为3K左右。所以,在相同条件下, R290/R600a发生窄点现象弱,且可选用的浓度范围广。

对于混合工质,由于比焓值随温度的非线性变化,制冷剂与换热流体间的传热温差有极值点。由上述可知,非共沸混合工质的滑移温度与其组分相关。当混合工质中高低沸点的组分持平时,比焓值随冷凝温度的变化呈近线性关系。此时,窄点现象微弱,两

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第6期

非共沸混合制冷剂组分对冷凝器换热特性的影响

图5　不同制冷剂约束温差随R290含量的变化

F i g.5　Var i a ti on s of con stra i n t te m pera ture d i fferences

for d i fferen t refr i geran ts w ith ma ss fracti on of R290

约束温度差近似为零。由图6可知,由于R290/

RE170约束温度差相对较小(最大为2K)且富含

R290(质量分数为0.6—1.0时)时为近共沸混合工

质,所以流体间换热温差呈现近线性关系;当R290

质量分数增加时,换热温差波动较大,传热过程逐渐

偏离Lorenz循环。

图6　R290/RE170与换热流体间温差随

R290含量的变化

F i g.6　Var i a ti on s of te m pera ture d i fference between

R290/RE170and hea t tran sfer flu i d w ith

ma ss fracti on of R290

对于不同低沸点含量的R290/R600a和R290/

R600,流体间的温差极值位置具有对称性,如图7—

图8所示。在R290含量为20%时,R290/R600a与

换热流体间温差极大值位置出现在冷凝器换热量

75%处,其与R290含量为80%对应的极小值位置

(冷凝器换热量为25%处)相对称。由上述分析可

知:在冷凝器内,不同组分下流体间传热温差位置具

有对称性。造成此现象原因是:非共沸混合工质比焓

值随温度的非线性变化和换热流体约束温度条件。

55

低　温　工　程2009年

归纳上述不同组分下的混合工质,当高低沸点的质量分数相近时,流体间换热温差呈近线性,此配比为传热窄点出现的风水岭,这与理论分析相一致。R290/ RE170在R290质量分数为30%左右时,比焓值随温差变化为线性关系。但是,在所有浓度范围内,换热流体约束温度差较小(小于2K),比焓值随温度呈近线性变化。4　结　论

通过建立冷凝器换热模型,分析了二元混合工质组分对冷凝器换热性能的影响。采用3种环保型混合工质R290/RE170、R290/R600a和R290/R600为例,考察了沸点差对冷凝器换热性能的影响规律,可以得出以下结论:

(1)由于非共沸混合工质比焓值随冷凝温度呈现非线性变化,冷凝过程中制冷剂和换热流体间温差存在极值点。

(2)对于二元非共沸混合工质的冷凝过程,混合工质中富含低沸点组分时,冷凝器内部存在最小传热温差,两端出现较大值;反之,冷凝器内部存在最大传热温差,两端出现较小值;高低沸点组分含量相近时,冷凝器内无传热窄点现象发生。

(3)非共沸混合工质的沸点差影响换热流体约束温度差和换热强度。混合工质沸点差增加,约束温度差增大,冷凝过程窄点现象增强,制冷剂滑移温度增大。

参考文献

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