研究论文碳氢制冷剂用于汽车空调的理论分析和实验研究犜犺犲狅狉

书书书　第５７卷　第９期　　化　　　工　　　学　　　报　　　　　　　Ｖｏｌ．５７　Ｎｏ．９　２００６年９月　　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｉｎｄｕｓｔｒｙ　ａｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　（Ｃｈｉｎａ）　　Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ　２００６檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭殐殐殐殐研究论文　　碳氢制冷剂用于汽车空调的理论分析和实验研究刘敬辉，陈江平，陈芝久（上海交通大学制冷与低温研究所，上海２０００３０）摘要：在ＨＣｓ制冷剂热物性分析的基础上，对不同比例的Ｒ２９０（丙烷）和Ｒ６００ａ（异丁烷）混合物的饱和蒸气压、单位容积制冷量进行了分析，并与Ｒ１３４ａ进行了比较，找出了Ｒ２９０和Ｒ６００ａ混合物替代Ｒ１３４ａ的最佳混合比约为（Ｒ２９０／Ｒ６００ａ）６０％／４０％．并在一台巴士汽车空调上对Ｒ２９０／Ｒ６００ａ（６０％／４０％）和Ｒ１３４ａ的制冷性能进行了测试，结果表明：Ｒ２９０／Ｒ６００ａ（６０％／４０％）的制冷系数约比Ｒ１３４ａ高约２％，制冷量比Ｒ１３４ａ高约１０％．从制冷性能上，Ｒ２９０／Ｒ６００ａ（６０％／４０％）可以作为Ｒ１３４ａ在汽车空调上的直接替代工质．关键词：热力学；制冷剂；碳氢化合物；汽车空调中图分类号：ＴＢ６１　　　　　　　文献标识码：Ａ文章编号：０４３８－１１５７（２００６）０９－２０４８－０５犜犺犲狅狉犲狋犻犮犪犾犪狀犪犾狔狊犻狊犪狀犱犲狓狆犲狉犻犿犲狀狋犪犾狊狋狌犱狔狅狀犺狔犱狉狅犮犪狉犫狅狀狊狋狅狉犲狆犾犪犮犲犚１３４犪犻狀犮犪狉犪犻狉犮狅狀犱犻狋犻狅狀犲狉狊犔犐犝犑犻狀犵犺狌犻，犆犎犈犖犑犻犪狀犵狆犻狀犵，犆犎犈犖犣犺犻犼犻狌（犚犲犳狉犻犵犲狉犪狋犻狅狀犪狀犱犆狉狔狅犵犲狀犻犮狊犐狀狊狋犻狋狌狋犲，犛犺犪狀犵犺犪犻犑犻犪狅犜狅狀犵犝狀犻狏犲狉狊犻狋狔，犛犺犪狀犵犺犪犻２０００３０，犆犺犻狀犪）犃犫狊狋狉犪犮狋：Ｔｈｉｓｐａｐｅｒａｎａｌｙｚｅｓｔｈｅｓａｔｕｒａｔｅｄｐｒｅｓｓｕｒｅ，ａｎｄｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎｃａｐａｃｉｔｙｐｅｒｕｎｉｔｖｏｌｕｍｅｏｆＲ２９０（ｐｒｏｐａｎｅ）ａｎｄＲ６００ａ（ｉｓｏｂｕｔｅｎｅ）ｍｉｘｔｕｒｅｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｍｉｘｉｎｇｒａｔｉｏｓ，ｏｎｔｈｅｂａｓｉｓｏｆｔｈｅｒｍｏｄｙｎａｍｉｃｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｈｙｄｒｏｃａｒｂｏｎｓ．ＣｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈＲ１３４ａ，Ｒ２９０／Ｒ６００ａｍｉｘｔｕｒｅｗｉｔｈｔｈｅｒａｔｉｏｏｆ６０％／４０％ｉｓｔｈｅｂｅｓｔｔｏｒｅｐｌａｃｅＲ１３４ａ．ＲｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓｏｆＲ１３４ａａｎｄＲ２９０／Ｒ６００ａｍｉｘｔｕｒｅｗｅｒｅｔｅｓｔｅｄｉｎａｂｕｓａｉｒｃｏｎｄｉｔｉｏｎｅｒ．ＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔａｎｄｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎｃａｐａｃｉｔｙｏｆＲ２９０／Ｒ６００ａ（６０％／４０％）ｂｌｅｎｄｗｅｒｅａｂｏｕｔ２％ａｎｄ１０％ｈｉｇｈｅｒｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ，ｔｈａｎｔｈｏｓｅｏｆＲ１３４ａ．Ｒ２９０／Ｒ６００ａ（６０％／４０％）ｃａｎｂｅａｓｕｂｓｔｉｔｕｔｅｒｅｆｒｉｇｅｒａｎｔｔｏｒｅｐｌａｃｅＲ１３４ａｉｎｃａｒａｉｒｃｏｎｄｉｔｉｏｎｅｒｓ．犓犲狔狑狅狉犱狊：ｔｈｅｒｍｏｄｙｎａｍｉｃｓ；ｒｅｆｒｉｇｅｒａｎｔ；ｈｙｄｒｏｃａｒｂｏｎ；ｃａｒａｉｒｃｏｎｄｉｔｉｏｎｅｒ　　２００５－０６－２２收到初稿，２００５－０８－２１收到修改稿．联系人及第一作者：刘敬辉（１９６９—），男，博士研究生，工程师．　引　言ＣＦＣｓ和ＨＣＦＣｓ制冷剂一出现，就以其良好的热力性质及对人的安全性，在制冷领域占据了主导地位．然而１９７４年Ｍｏｌｉｎａ和Ｒｏｗｌａｎｄ指出：ＣＦＣｓ和ＨＣＦＣｓ物质对大气臭氧层有严重的破坏作用．常用的主要制冷剂（比如Ｒ１２和Ｒ２２）中大多数为ＣＦＣｓ或ＨＣＦＣｓ类物质，由于人们对这些物质的长期大量使用，南极上空已出现大面积的臭氧层空洞，为了保护人类得以生存的自然环境，必须停止它们的使用．新型可替代它们的制冷剂不仅要具有与它们相当的制冷性能，而且要对臭氧层　　犚犲犮犲犻狏犲犱犱犪狋犲：２００５－０６－２２．犆狅狉狉犲狊狆狅狀犱犻狀犵犪狌狋犺狅狉：ＬＩＵＪｉｎｇｈｕｉ．犈－犿犪犻犾：[e-mail]　无破坏作用，又要不会造成安全问题．ＨＦＣｓ制冷剂除了对润滑油的互溶性不如前两类物质外，具有与前两者相近的制冷性能和安全性，因此Ｒ１３４ａ替代Ｒ１２和Ｒ２２在汽车空调、家用冰箱、家用空调，以及其他制冷装置上得到广泛的应用．随着地球变暖趋势的加剧，温室气体对大气层的影响也对人们敲响了警钟．ＨＦＣｓ物质虽对臭氧层没有破坏作用，却具有很高的温室效应，是造成大气变暖的罪魁祸首之一，为了缓解大气变暖的因素，ＨＦＣｓ物质的使用也必须得到控制，《京都议定书》列出的温室气体，ＨＦＣｓ赫然在列，因此，Ｒ１３４ａ等ＨＦＣｓ物质迟早也要被淘汰出制冷领域．尽管人们试图寻找一种既具有良好热力性质，又对环境友好，又要安全的物质来作为制冷剂，但经过３０多年的努力，至今仍没有找到．如果抛开绝对安全因素，不少自然制冷剂不仅具有良好的热力性质，而且对环境是绝对友好的，比如ＮＨ３、碳氢化合物（ＨＣｓ）等．这些物质早在一个世纪前就曾被人们拿来作为制冷剂［１］，由于它们本身安全性方面存在缺陷，比如ＮＨ３剧毒，碳氢化合物（ＨＣｓ）易燃，在ＣＦＣｓ物质出现后，它们就淡出制冷领域，仅在某些特殊行业还用作制冷剂．在小型制冷装置上，由于制冷剂充注量有限，安全性不会成为主要问题，因此，人们对碳氢化合物在小型制冷装置上的应用研究近些年逐渐多起来［２９］．ＨＣｓ制冷剂是石油化工的副产品，有着丰富的资源，低廉的成本．而且ＨＣｓ制冷剂一般都有较大的汽化潜热，较低的沸点和临界温度比值，较好的输运特性［１０１１］，使得ＨＣｓ制冷剂一般都有非常好的制冷性能．许多研究结果表明，在冰箱等小型装置上用Ｒ２９０／Ｒ６００或Ｒ２９０／Ｒ６００ａ混合物替代Ｒ１３４ａ或Ｒ１２，可以实现制冷装置效率的提高［３８］；Ｒ２９０替代Ｒ２２在小型热泵装置上应用，也可得到比Ｒ２２高的制冷效率［９］．目前，在汽车空调上广泛使用的制冷剂还是Ｒ１３４ａ，而汽车空调的软管的渗透作用和接头的松动是制冷剂泄漏的主要原因，一般情况汽车空调每两年就要加注一次制冷剂，因此，汽车空调制冷剂的消耗量是巨大的，而数量巨大的汽车泄漏的Ｒ１３４ａ对大气温室效应的贡献也是不容忽视的，因此，替代汽车空调中的Ｒ１３４ａ意义非常．ＨＣｓ制冷剂在汽车空调上的应用一直受着其可燃性质的限制，Ｍａｃｌａｉｎｅｃｒｏｓｓ对碳氢制冷剂在汽车空调上应用的危险性进行过评价［１２１３］，认为汽车空调在充注碳氢制冷剂的情况下，其充注量仅相当于汽车燃油携带量的约１％，而且汽车空调除蒸发器外，其他部件均不与乘坐空间相通，造成危险的可能性是非常小的．由于碳氢制冷剂在汽车空调上应用的限制，碳氢制冷剂在汽车空调上应用方面的文献还不多见．本文在热力学分析的基础上，对碳氢制冷剂替代Ｒ１３４ａ用于汽车空调的混合比进行了分析，并在实验的基础上，对碳氢制冷剂替代Ｒ１３４ａ的性能进行了探讨．１　ＨＣｓ制冷剂替代Ｒ１３４ａ的热物性分析１１　饱和蒸气压对比制冷剂的灌注式替代要求替代用的制冷剂应与被替代制冷剂有相近的饱和蒸气压，图１为不同比例的Ｒ２９０／Ｒ６００ａ混合物的饱和蒸气压曲线与Ｒ１３４ａ的对比．由图中可以看出，随着Ｒ２９０成分的增加，Ｒ２９０／Ｒ６００ａ混合物的饱和蒸气压是增高的，但要想通过调配Ｒ２９０／Ｒ６００ａ的比例使得混合物的饱和蒸气压在很宽的温度范围内与Ｒ１３４ａ一致是不可能的．因为由图中可以看出，Ｒ１３４ａ的蒸气压随温度的变化率比Ｒ２９０／Ｒ６００ａ混合物的饱和蒸气压随温度的变化率大，这意味着在某一温度下与Ｒ１３４ａ饱和蒸气压相等的Ｒ２９０／Ｒ６００ａ混合物，在低于此温度时，Ｒ２９０／Ｒ６００ａ混合物的饱和蒸气压高于Ｒ１３４ａ；在高于此温度时，Ｒ２９０／Ｒ６００ａ混合物的饱和蒸气压低于Ｒ１３４ａ．这一点对一般制冷系统来说是有利的，因为可以使冷凝器的压力减小，蒸发器的压力提高，可以减小冷凝器的承压和避免出现蒸发器抽真空．Ｆｉｇ．１　ＣｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｓａｔｕｒａｔｅｄｐｒｅｓｓｕｒｅｂｅｔｗｅｅｎＲ１３４ａａｎｄＲ２９０／Ｒ６００ａｂｌｅｎｄｓ　由图１中还可以看出，Ｒ２９０／Ｒ６００ａ混合物的饱和液和饱和汽相压力在同一温度下是不同的，这是与Ｒ１３４ａ等纯工质不同的，Ｒ２９０／Ｒ６００ａ混合物存在温度滑移（在正常制冷温度范围内约为６～８℃）．一般来说，温度滑移可以加强逆向流程的换·９４０２·　第９期　　刘敬辉等：碳氢制冷剂用于汽车空调的理论分析和实验研究Ｆｉｇ．２　ＣｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆａｖｅｒａｇｅｓａｔｕｒａｔｅｄｐｒｅｓｓｕｒｅｂｅｔｗｅｅｎＲ１３４ａａｎｄＲ２９０／Ｒ６００ａｂｌｅｎｄｓ　热器的换热，因此，利用混合制冷剂有可能提高系统的制冷性能．图２为Ｒ２９０／Ｒ６００ａ混合物的液相和汽相饱和压力的平均值与Ｒ１３４ａ的比较曲线．由图中可以看出，Ｒ２９０／Ｒ６００ａ（６０％／４０％）的混合物在温度较低时饱和压力稍高于Ｒ１３４ａ，在温度较高时，饱和压力稍低于Ｒ１３４ａ，在常用制冷温度范围内与Ｒ１３４ａ接近，因此，Ｒ２９０／Ｒ６００ａ的混合物比例约在６０％／４０％情况下有可能可以灌注式替代Ｒ１３４ａ．１２　替代犚１３４犪的犚２９０／犚６００犪混合比要想实现制冷剂的灌注式替代，其中一个很重要的因素是替代工质的单位容积制冷量应与被替代制冷剂相当．因为在装置一定的情况下，压缩机的容积排气量就确定了，装置的制冷量就由制冷剂的单位容积制冷量和压缩机容积排气量的乘积决定，即犙０＝狇狏犞ｃ（１）压缩机耗功可由式（２）表示犠＝犙０／犆犗犘（２）装置是为了满足某种需要而进行设计的，由于对制冷量需求的限制，在制冷剂替代后，装置的制冷量应不能发生大的变化．由式（１）可知替代工质的单位容积制冷量应与被替代制冷剂相当．如果替代制冷剂的单位容积制冷量太小，则装置的制冷量就会比替代之前下降很多，就不能满足对冷量的要求．如果替代制冷剂的单位容积制冷量太大，则压缩机的耗功就会增加，从而有可能造成压缩机超载而使压缩机损坏．图３给出了在某一工况下，４种Ｒ２９０／Ｒ６００ａ混合物的单位容积制冷量与Ｒ１３４ａ的对比．由图中可以看出，Ｒ２９０／Ｒ６００ａ（６０％／４０％）的混合物在很宽的温度范围内与Ｒ１３４ａ非常接近，即用Ｒ２９０和Ｒ６００ａ的混合物灌注式替代Ｒ１３４ａ的比例应在Ｒ２９０／Ｒ６００ａ（６０％／４０％）混合比附近．Ｆｉｇ．３　ＣｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎｃａｐａｃｉｔｙｐｅｒｕｎｉｔｖｏｌｕｍｅｂｅｔｗｅｅｎＲ１３４ａａｎｄＲ２９０／Ｒ６００ａｂｌｅｎｄｓｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｅｖａｐｏｒａｔｉｎｇｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　为了进一步探询Ｒ２９０／Ｒ６００ａ的混合比，将图３转换成Ｒ２９０／Ｒ６００ａ混合物的单位容积制冷量与混合成分的关系，如图４所示．由图４可以看出，与Ｒ１３４ａ具有相同单位容积制冷量的混合比大约在Ｒ２９０质量含量为５５％～６０％左右，随着蒸发温度的降低，Ｒ２９０含量稍有降低．从而确定，混合比在Ｒ２９０／Ｒ６００ａ（６０％／４０％）的混合物应可以作为空调应用时Ｒ１３４ａ的灌注式替代工质．Ｆｉｇ．４　ＣｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎｃａｐａｃｉｔｙｐｅｒｕｎｉｔｖｏｌｕｍｅｂｅｔｗｅｅｎＲ１３４ａａｎｄＲ２９０／Ｒ６００ａｂｌｅｎｄｓｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｍａｓｓｆｒａｃｔｉｏｎｏｆＲ２９０　２　Ｒ２９０／Ｒ６００ａ混合制冷剂在汽车空调上的测试２１　实验装置为了验证Ｒ２９０／Ｒ６００ａ（６０％／４０％）混合物灌·０５０２·化　　　工　　　学　　　报　　第５７卷　注式替代Ｒ１３４ａ的可行性，对Ｒ２９０／Ｒ６００ａ（６０％／４０％）和