導(dǎo)語：三氟碘甲烷作為冰箱制冷劑分析論文一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要摘要：通過對環(huán)保工質(zhì)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(huán)性能等三方面的理論分析,發(fā)現(xiàn)CF3I和CF3I的摩爾組成在50%-65%范圍的CF3I/HC290混合工質(zhì),理論循環(huán)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(huán)分析CF3ICF3I/HC290

1引言

冰箱制冷劑CFC12的現(xiàn)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(huán)保和熱工性能方面存在缺陷[1,2,尋求新型環(huán)保節(jié)能的冰箱工質(zhì)仍是人們探究的方向。

三氟碘甲烷(CF3I)是作為哈龍?zhí)娲锒_發(fā)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(guān)CF3I的熱物性,只有文獻(xiàn)[3進(jìn)行了較為系統(tǒng)的探究,目前還缺乏適用于汽液兩相區(qū)的狀態(tài)方程;CF3I在冰箱工況下的循環(huán)性能,還沒有被系統(tǒng)地分析。根據(jù)文獻(xiàn)[3的PVT實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),確定同時(shí)適用于CF3I汽液兩相的PT方程;并在此基礎(chǔ)上,對CF3I在冰箱工況下的循環(huán)性能進(jìn)行系統(tǒng)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(huán)分析的工具

2.1PT狀態(tài)方程兩參數(shù)F、ζc的求解

式中,R為工質(zhì)的通用氣體常數(shù),Tr=T/Tc。確定PT狀態(tài)方程需要具體物質(zhì)的四個(gè)參數(shù)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(xiàn)[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(gè)飽和液相數(shù)據(jù)點(diǎn)(T、P、ρL)i(i=1,…,n;(2)假設(shè)一個(gè)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(shù)據(jù)點(diǎn)i的(T、P)i,由式(1)、(2)求出αi;(5)由n個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)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(jù)方程(1)～(2)和汽液平衡條件計(jì)算各點(diǎn)的和的相對誤差，以及個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的平均相對誤差；

(7)以一定的步長改變?chǔ)芻,重復(fù)步驟(3)-(6)。選取最小EYL所對應(yīng)的ζc、F作為PT方程的參數(shù)。

文獻(xiàn)[3給出了CF3I在301K-Tc范圍內(nèi)的25個(gè)飽和液相密度點(diǎn),其中3個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)是為了確定臨界點(diǎn)而測的;把這3個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)當(dāng)作一個(gè)臨界點(diǎn)對待,選取其余22個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)按照上面的步驟求解得到CF3I的F=0.6514、ζc=0.3105。

2.2PT狀態(tài)方程精度的驗(yàn)證

為了檢驗(yàn)如上確定的適用于CF3I的PT方程的計(jì)算精度,以該方程對CF3I的飽和液密度、飽和蒸汽壓、氣相區(qū)PVT性質(zhì)進(jìn)行了計(jì)算,并和文獻(xiàn)[3的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比。對比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為T%26lt;0.9Tc(即T%26lt;356.80K)范圍內(nèi)的13個(gè)飽和液相點(diǎn)、22個(gè)飽和蒸汽壓點(diǎn)和T%26lt;Tc內(nèi)77組氣相區(qū)數(shù)據(jù)。結(jié)果表明,飽和液密度、飽和蒸汽壓、氣相區(qū)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(jì)算式分別為

（9）

（10）

式中,X-所要比較的物理量,cal-PT方程的計(jì)算值,exp-實(shí)驗(yàn)值,n-數(shù)據(jù)點(diǎn)的個(gè)數(shù)。

冰箱的名義工況為蒸發(fā)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(qū)間?？梢?確定的適用于CF3I的PT方程,能夠用于對CF3I的冰箱循環(huán)性能分析計(jì)算,而且精度良好。

3CF3I蒸汽壓曲線的分析

從熱力學(xué)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(zhì)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(shù)據(jù)來自ASHARE[8。

由圖1可見,在冰箱名義工況的溫度區(qū)間內(nèi),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(yōu)勢互補(bǔ)原則選擇HC290和CF3I組成混合物,灌注式替代CFC12的效果可能會(huì)更好。

4CF3I作為冰箱制冷劑的循環(huán)性能分析

4.1冰箱名義工況

采用帶回?zé)岬谋渲评溲h(huán)模型,即用回?zé)崞鱽韺?shí)現(xiàn)工質(zhì)的過冷和過熱,并設(shè)工質(zhì)經(jīng)過回?zé)崞鲹Q熱后節(jié)流前的溫度和壓縮機(jī)的吸氣溫度相等,這一溫度稱為回?zé)釡囟取?/p>

計(jì)算CF3I的循環(huán)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(shù),單位為J/(K·kg)。計(jì)算焓、熵的參考態(tài)為ASHRAE規(guī)定的-40℃的飽和液態(tài),參考態(tài)上h=0kJ/kg,s=0kJ/(kg·K)。

在冰箱名義工況下,設(shè)壓縮機(jī)的總效率為0.70,計(jì)算了幾種工質(zhì)的循環(huán)性能?；旌瞎べ|(zhì)的蒸發(fā)溫度取為蒸發(fā)器進(jìn)口和露點(diǎn)溫度的平均值,冷凝溫度取其冷凝壓力下的泡露點(diǎn)平均值。計(jì)算結(jié)果見表1。表中MIX1、MIX2分別表示質(zhì)量百分比85/15、75/25的HFC152a/HCFC22。

觀察表1中各種工質(zhì)的性能參數(shù),在壓力水平方面,除了HC600a、HC290外,現(xiàn)有的幾種冰箱制冷劑的蒸發(fā)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(fā)器為微負(fù)壓,不利于系統(tǒng)運(yùn)行。CF3I的壓比和CFC12的最接近。壓縮機(jī)排氣溫度方面,HC600a和HC290的tdisch較低。CF3I的tdisch較高,不利于壓縮機(jī)的運(yùn)行;但和MIX1、MIX2十分接近,表明目前的冰箱壓縮機(jī)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(yōu)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(huán)性能指標(biāo)和CFC12相近,可以在對原有制冷系統(tǒng)稍作改動(dòng)的基礎(chǔ)上,作為CFC12的灌注式替代物;(2)HC290和CF3I在循環(huán)性能指標(biāo)上具有互補(bǔ)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(huán)性能分析,一般包括COP、qv、tdisch、隨冷凝溫度、蒸發(fā)溫度、回?zé)釡囟鹊淖兓?guī)律。相比之下,各性能指標(biāo)隨回?zé)釡囟鹊淖兓?guī)律比隨蒸發(fā)溫度、冷凝溫度的變化規(guī)律更重要一些,這是因?yàn)楸涞幕責(zé)崞饕话懵懵对诃h(huán)境中[1,回?zé)釡囟鹊淖兓?、頻率要比蒸發(fā)溫度、冷凝溫度要大、要快。分析幾種制冷劑循環(huán)性能指標(biāo)隨回?zé)釡囟鹊淖兓?guī)律,分析方法是固定蒸發(fā)溫度、冷凝溫度,變化回?zé)釡囟?看性能指標(biāo)的變化趨向。

結(jié)果如圖2-圖5所示?；?zé)釡囟扔?℃變化到50℃,幾種工質(zhì)的COP都降低,其中CF3I降低得最慢。在qv方面,HC290隨回?zé)釡囟鹊淖兓@著,其他工質(zhì)的變化規(guī)律相似。隨著回?zé)釡囟鹊纳?CF3I的tdisch增加速度比其它工質(zhì)快,這是不利于冰箱運(yùn)行的。由于在計(jì)算中固定了蒸發(fā)溫度、冷凝溫度,所以對于純質(zhì)來說保持不變,而對于混合工質(zhì)來說,有稍微地上升。由圖還可以發(fā)現(xiàn),CF3I和HC290的循環(huán)性能指標(biāo)分布在CFC12的兩側(cè)。

CF3I各項(xiàng)性能指標(biāo)隨回?zé)釡囟鹊淖兓憩F(xiàn)的規(guī)律和CFC12基本類似,數(shù)值幅度上的偏差也不太大。COP優(yōu)于CFC12,tdisch較CFC12為高?？偲饋碚f,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(huán)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(huán)性能具有互補(bǔ)性,下面具體分析不同配比下HC290/CF3I混合物的循環(huán)性能。

計(jì)算工況、壓縮機(jī)總效率的選取同上。表2列出了循環(huán)性能計(jì)算結(jié)果。

由表1已經(jīng)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(yīng)該呈現(xiàn)增大的趨向,而∑、tdisch、COP應(yīng)該減小,這種規(guī)律在表2中得到了很好的體現(xiàn)。

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(gè)性能指標(biāo)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(jìn)行了循環(huán)性能參數(shù)隨回?zé)釡囟茸兓?guī)律的計(jì)算。結(jié)果表明,混合物的循環(huán)性能和CFC12十分接近,從理論循環(huán)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(zhì)量百分比為89.2/10.8)的CF3I/HC290的計(jì)算結(jié)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(yīng)的質(zhì)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(xiàn)[10指出,在密封性好的制冷系統(tǒng)中,只要碳?xì)浠衔锏某涔嗔啃∮?.15kg,那么系統(tǒng)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(zhì)在應(yīng)用中的平安性是可以得到保證的。

6結(jié)論

(1)求得了適用于CF3I的PT方程,此狀態(tài)方程對于CF3I的熱力學(xué)性質(zhì)和循環(huán)性能計(jì)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(jì)算分析,發(fā)現(xiàn)CF3I的循環(huán)性能和CFC12相近。

(3)按照優(yōu)勢互補(bǔ)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(zhì),其循環(huán)性能和CFC12十分接近,可作為CFC12的灌注式替代物。

參考文獻(xiàn)

1何茂剛.三氟甲醚作為冰箱制冷劑的理論分析.李惠珍,李鐵辰等.西安交通大學(xué)學(xué)報(bào),2003,37(1)摘要:10～14

2梁榮光.環(huán)保制冷劑CN-01的應(yīng)用.曾愷,簡棄非.制冷學(xué)報(bào),2003,24(1)摘要:57～60

3段遠(yuǎn)源.三氟碘甲烷和二氟甲烷的熱物理性質(zhì)探究摘要:[博士學(xué)位論文.北京摘要:清華大學(xué),1998

4DoddD.E.etc.FundamentalandAppliedToxicology,1997,35摘要:64

5NavinC.PatelandAmynS.Teja.Anewcubicequationofstateforfluidsandfluidmixtures.ChemicalEngineeringScience,1982,37(3)摘要:463～473

6王建栓.碳?xì)浠衔镌诩矣眯⌒椭评溲b置中的替代探究摘要:[碩士學(xué)位論文.天津摘要:天津大學(xué),2000

7劉志剛.CFCS替代工質(zhì)篩選的熱力學(xué)原則.傅秦生,焦平坤等.全國高等學(xué)校工程熱物理第四屆學(xué)術(shù)會(huì)議論文集,杭州摘要:浙江大學(xué)出版社,1992,73～76.

81993ASHRAEHANDBOOKFUNDAMENTALS,SIEdition,1993

9何茂剛.灌注式替代CFC12的混合制冷劑冰箱對比試驗(yàn)探究.李鐵辰,劉志剛.中國工程熱物理學(xué)會(huì)工程熱力學(xué)和能源利用學(xué)術(shù)會(huì)議論文集,上海,2003摘要:440～446.

10EricGranryd.Hydrocarbonsasrefrigerants-anoverview,InternationalJournalofRefrigerant,2001,24(1)摘要:15～24