非共沸制冷剂在工业制冷中的应用分析

叶小芳

(无锡职业技术学院 控制技术学院，江苏　无锡　214073)



非共沸制冷剂在工业制冷中的应用分析

叶小芳

(无锡职业技术学院 控制技术学院，江苏无锡214073)

摘要：非共沸制冷剂在相变过程中存在温度滑移，能够缩小相变过程的传热温差，进而减小换热器的传热不可逆损失，有利于提高制冷循环的效率，非常适合于变温热源的应用。所以非共沸制冷剂在变工况的工业制冷中有较大的应用前景。对于非共沸制冷剂，换热器选型时应注意温度滑移造成的影响，否则可能无法保证正常的换热器余量。对于冷凝器应选择泡点作为计算冷凝温度；蒸发器选型应使用露点温度。

关键词：非共沸制冷剂； 温度滑移； 工业制冷； 泡点； 露点

随着CFC和HCFC类制冷剂的逐渐淘汰，混合物制冷剂在制冷、空调、热泵领域得到了广泛应用，如R507、R407C、R404A和R410A等。所谓混合物制冷工质是由两种或两种以上化合物组成的，按其特性不同可分为共沸混合物制冷工质和非共沸混合物制冷工质。共沸混合物制冷工质呈现单一制冷工质的特性，起单一制冷工质的作用。如R500，R502；非共沸混合物制冷工质不像单一制冷工质和共沸混合物制冷工质那样在同一个温度下沸腾，各组分物质的沸点决定了非共沸混合物制冷工质在一个温度区间内沸腾，如R410A、R407C、R404A等，本文以非共沸制冷剂R404A为例，介绍并分析非共沸制冷剂特性及在工业制冷中的应用。

1R404A的物理化学性质

R404A由44%的R125、52%的R143a和4%的R134a组成。这三种成分都是 HFCs,所以其ODP 值为零, GWP 值均小于 1。R404A与共沸混合物R507(50%的R125、50%的R143a)具有相近的成分，与R507相比，除存在一定的温度滑移外，两者的物理、化学及热力性质非常接近，他们都是R502和R22的良好替代物。表1列出了R22、R404A和R507三种制冷剂的性质参数。

表1　三种制冷剂的性质对比[4]

由表中各项数据可以看出：

1)三种工质均为安全、无毒的介质，对水的溶解度很低。

2)R404A和R507的标准沸点接近，均低于R22的标准沸点。因此从所能达到的低温范围看，R404A和R507要比R22更广。

3)R404A和R507的饱和压力比R22高，所以为确保系统安全，R404A与R507系统设计压力一般高于R22。

2非共沸制冷剂的温度滑移

非共沸制冷剂没有共同的沸点，在定压下蒸发或冷凝时，会导致气相和液相的成分不同，进而使温度也在不断地变化。图1表示了非共沸制冷剂的温度—浓度(T～X)图。

图1中共有两条曲线：即液相线和气相线，1～4点的制冷剂状态分别为过冷液体、饱和液体、饱和蒸汽和过热蒸汽。在一定压力下，当制冷剂被加热时，首先从1点到达饱和液体点2，此时所对应的状态称为泡点，其温度称为泡点温度。若再加热将进入两相区，并分为饱和液体和饱和蒸汽两部分，其浓度在不同的状态点是不同的，如图所示，可以用XL和XV分别表示液体浓度和气体浓度。继续加热到3点，制冷剂全部蒸发变为饱和蒸汽，此时所对应的状态为露点，其温度称为露点温度。泡点温度和露点温度的温差称为温度滑移。在不同的压力下，温度滑移的数值也是不同的。在露点时，若再加热即成为过热蒸汽(点4)。

图1　非共沸制冷剂的T～X图

非共沸制冷剂的温度滑移也可以在温熵图上清楚的体现出来，如图2所示：Pe和Pc分别为蒸发压力和冷凝压力(等压线)。定压蒸发时温度从泡点温度升高到露点温度(5—6)，定压冷凝时则相反(7—8)。这与共沸制冷剂是不同的，共沸制冷剂的温度曲线在T～S图上是一条直线，即泡点温度和露点温度相同。

图2　非共沸制冷剂温墒

3R404A、R410A、 R407C的温度滑移

R404A虽然是一种非共沸制冷剂，但在一定压力下的温度滑移较小。表2列举了在不同压力下R404A的泡点温度、露点温度和温度滑移。

表2　R404A在各压力下的温度滑移

由上表可以看出：R404A的温度滑移基本低于1 ℃，体现在图2中，不会看到明显的温度变化。而随着饱和压力的降低，温度滑移呈上升趋势。这种温度滑移不大的非共沸制冷剂称为近共沸制冷剂，通常认为泡、露点温度差小于3 ℃的混合制冷剂为近共沸制冷剂。常见的近共沸制冷剂除R404A外还有R410A，R410A的泡、露点温差仅0.2 ℃。与R404A和R410A不同， R407C的温度滑移比较大(约为7 ℃)，图2能够看到较明显的温度变化，在使用时最好将换热器做成逆流形式。

4温度滑移对换热器选型的影响

温度滑移的存在，对换热器的选型计算具有一定的影响。由于R404A有一定的温度滑移，在冷凝器和蒸发器的相变过程中，其冷凝温度和蒸发温度是变化的，因此换热器选型时选用正确的设计温度很重要，否则温度滑移可能会造成换热器的换热面积不足。

4.1对冷凝器选型的影响

过热蒸汽冷凝时首先将达到露点，此时制冷剂仅仅达到了结露点，温度继续降低至泡点时才会全部变为饱和液体。由此可见，在冷凝器选型时，以露点温度作为冷凝器的冷凝温度是不合理的，这样可能无法使全部的过热蒸汽冷凝为饱和液体。因此冷凝器选型时应将冷凝温度设置为泡点所对应的温度，否则换热面积可能存在不足。

4.2对蒸发器选型的影响

蒸发器的相变过程与冷凝器恰好相反，即过冷液体首先达到泡点，而后为气液混合状态，继续蒸发达到露点时才会完全变为饱和蒸汽。因此在蒸发器选型计算时，应当将蒸发压力下露点温度设置为蒸发器的蒸发温度，这样就可以保证所有的制冷剂液体在该蒸发压力下都可以完全蒸发。

5结论

1) 由于非共沸制冷剂存在温度滑移，所以对冷凝器和蒸发器的选型存在较大影响。对于冷凝器，应将泡点温度设置为冷凝器的冷凝温度；对于蒸发器，应将露点温度设置为蒸发器的蒸发温度。

2) 非共沸制冷剂适用于干式蒸发器，温度滑移大的制冷剂(如R407C)不得用于满液式蒸发器中。因为在满液式蒸发器中，整个空间压力处处相等，这就无法保证R407C不同组分都能均衡的蒸发，必定会有一种或两种沸点偏高的制冷剂不能正常地参与制冷循环。对于R404A，虽然其温度滑移较小，但当应用于满液式蒸发器时，由于其成分在制冷循环中会发生变化，所以蒸发器应适当放大余量。

3) 非共沸制冷剂对制冷系统的气密性要求很高。因为制冷剂的泄露会造成非共沸制冷剂中各组分浓度发生变化，由此可能影响机组的性能，而补充泄露的制冷剂将非常困难，所以很有可能需要将系统的制冷剂全部更换。

4) R404A和R507性质相似，都是R22的理想替代品，因此R404A完全可以应用于工业制冷系统。两者最大区别是R404A为非共沸制冷剂，存在一定的温度滑移。 R404A的系统设计可以参考R507的系统，包括设计压力、材料选用、润滑油选用等。低温时R404A与润滑油较难互溶，这一点与R22系统类似。

参考文献：

[1]郑贤德，陈光明，丁国良，等. 制冷原理与装置[M]. 北京：机械工业出版社，2008：19-31.

[2]马一太，王景刚，魏东.自然工质在制冷空调领域里的应用分析[J].制冷学报，2002(1)：1-5.

[3]冯明坤. 超市展示柜中应用R404A/R744复叠制冷系统的理论分析[J]. 制冷与空调，2008，22(5):31-34.

[4]赵志刚，周彬彬，张超甫，等.R404A制冷剂在商用制冷设备中的应用分析[J].制冷，2006(4)：76-79.

责任编辑陈桂梅

The analysis of the application of none-azeotropic refrigerants in industrial refrigeration

YEXiaofang

(School of Control Technology, Wuxi Institute of Technology, Wuxi214121， China)

Abstract：There is temperature glide of none-azeotropic refrigerants in the process of phase change which can narrow the temperature difference of heat transfer, and further reduce the irreversible loss of heat transfer in the heat exchanger, it is beneficial for improving the efficiency of the refrigeration cycle and suitable for the applicaton of variable-temperature. Therefore, none-azeotropic refrigerants has bright prospect in the variable condition of industrial refrigeration. To none-azeotropic refrigerant, the impact of temperature glide should be considered when selecting heat exchanger types, otherwise, it may not be able to guarantee the normal heat exchanger allowance. For condenser, we should choose bubble point as condensation temperature calculation; we should use the dew point temperature when selecting evaporators.

Keywords：None-azeotropic refrigerants; temperature glide; industrial refrigeration; bubble point; dew point

中图分类号：TB 61

文献标志码：A

文章编号：1671-7880(2016)01-0043-03

DOI:10.13750/j.cnki.issn.1671-7880.2016.01.014

作者简介：叶小芳(1966—)，女，江苏宜兴人，副教授，高级工程师，研究方向：制冷技术。

收稿日期：2015-10-26