二甲醚用作汽車空調(diào)制冷劑的實驗研究

1、二甲醚用作汽車空調(diào)制冷劑的實驗研究劉敬輝,陳江平,魯雪生,陳芝久(上海交通大學(xué)機械與動力工程學(xué)院200030提要:根據(jù)二甲醚的熱物理性質(zhì)對二甲醚的制冷循環(huán)性能進行了分析,并在R134a汽車空調(diào)系統(tǒng)上對二甲醚的制冷性能進行了測試,結(jié)果表明:由于二甲醚的氣相和液相粘度都比較小,使用二甲醚作為制冷劑可以有利于減小系統(tǒng)的阻力,有利于制冷系統(tǒng)制冷性能的提高。二甲醚可以直接灌注式替代R134a,但會造成蒸發(fā)器出口過熱度降低,需對膨脹閥彈簧預(yù)緊力進行調(diào)整,才能充分發(fā)揮二甲醚的制冷性能。關(guān)鍵詞:制冷,二甲醚,汽車空調(diào)Experimental Study on an Auto-air Conditioner u

2、sing DimethyletherLiu Jinghui, Chen Jiangping, Lu Xuesheng , Chen Zhijiu(School of Mechanics Shanghai Jiaotong University Shanghai China 200030Abstract: According to thermodynamic properties, this paper analyzed refrigeration performance of DME, and some tests were carried out in an R134a bus air co

3、nditioner. The results show that because viscosity of liquid and vapor DME is low, pressure drop of DME refrigeration system can be reduced and refrigeration efficiency can be improved. DME can be directly charged to replace R134a in an auto-air conditioner, but spring force of TXV(Thermal Expansion

4、 V alvemust be enhanced, otherwise, superheat degree at the evaporator outlet would become small and liquid refrigerant would enter the compressor.Keywords: refrigeration, dimethyl ether, auto-air conditioner1. 引言CFCs(全鹵代烴和HCFCs(非完全鹵代烴具有非常好的熱力性質(zhì),幾十年來它們一直被用作制冷劑。然而人們賴以生存的保護層臭氧層的破壞和溫室效應(yīng)的出現(xiàn)給人們敲響了警鐘,CFCs

5、和HCFCs物質(zhì)被認(rèn)為是破壞臭氧層的罪魁禍?zhǔn)?因此替代現(xiàn)有制冷劑的呼聲越來越高。就目前來看,考慮到對臭氧層的破壞和溫室效應(yīng)兩個因素,只有自然工質(zhì)才具有良好的環(huán)保性能,因此對臭氧層破壞作用為零、溫室效應(yīng)指數(shù)接近為零的自然工質(zhì)才是解決CFC問題的根本辦法【1】。自然工質(zhì)用作制冷劑早在1 00年前就已使用,氨、二氧化碳、烴類物質(zhì)很早就用作制冷劑,尤其是氨,到現(xiàn)在還在冷庫等行業(yè)廣泛的應(yīng)用2,二氧化碳在商業(yè)制冷上應(yīng)用的研究近幾年也成為熱點3。烴類物質(zhì)具有不錯的制冷性能,由于其可燃性,僅在有限的范圍內(nèi)使用。二甲醚是近年來作為一種替代汽油的發(fā)動機清潔燃料越來越受到人們的重視4, 2005年5月,在上海交通大

6、學(xué)黃震教授帶領(lǐng)的研究小組的共同努力下,中國的第一輛二甲醚客車在上海面世。由于二甲醚和R12有相近的熱物理性質(zhì),黃忠和何茂剛分別對二甲醚用作冰箱制冷劑替代R12進行了理論分析和實驗研究5,6,證實了二甲醚在冰箱上替代R12的可行性?？紤]到二甲醚良好的熱物理性質(zhì)及與材料的兼容性,且標(biāo)準(zhǔn)蒸發(fā)溫度與R134a 相近,Dongsoo Jung 等人【7】采用二甲醚與R134a 混合的方法來實現(xiàn)替代R12在汽車空調(diào)上進行實驗,認(rèn)為DME/R134a 混合物可以作為R12的長期替代工質(zhì)。目前二甲醚作為制冷劑的研究正日益展開【8】。本文從二甲醚的熱物理性質(zhì)出發(fā),對二甲醚制冷循環(huán)的性能進行分析,并與現(xiàn)在被人們熟

7、知的常用制冷劑R12和R134a 進行了比較。為了驗證分析的正確性,在某種型號的巴士空調(diào)上對二甲醚的制冷性能進行了測試。 2.二甲醚的熱物理性質(zhì)分析表1 R134a 、R12和二甲醚的主要熱力性質(zhì)對比 要熱力性質(zhì)對比,表中數(shù)據(jù)取自文獻,或根據(jù)文獻【9】的公式計算所得。從表1可以看出,二甲醚是一種對環(huán)境友好的制冷劑,其沸點為-24.9,比R12和R134a 稍高,但臨界溫度卻比R12和R134a 高約26,即二甲醚有比R12和R134a 更低的c T T 0值,理論上二甲醚應(yīng)比R12和R134a 有更高的制冷效率。雖然由于二甲醚可燃,用于實際制冷裝置時,須考慮裝置的安全性,但若用于充注量不大的小

8、型制冷裝置可以實現(xiàn)裝置的節(jié)能。因此從熱物理性質(zhì)來說,二甲醚是一種非常好的制冷劑。而且作者研究表明,二甲醚除了對普通橡膠有輕微的溶解作用外,與潤滑油和材料均有良好的兼容性【8】,是一種性能良好的制冷劑。 3.二甲醚理論制冷性能分析3.1二甲醚理論制冷循環(huán)分析二甲醚的理論制冷循環(huán)性能系數(shù)和單位容積制冷量隨蒸發(fā)溫度的變化曲線如圖1和圖2所示,為了說明二甲醚的制冷性能,圖中也給出了R12和R134a 的性能系數(shù)和單位容積制冷量曲線。從圖中可以看出,二甲醚有著比R12和R134a 更高的理論循環(huán)制冷系數(shù),與上述熱物性分析一致。其單位容積制冷量比R12低約6%7%,在蒸發(fā)溫度較低時,二甲醚的單位容積制冷量

9、比R134a 稍高,在蒸發(fā)溫度較高時,比R134a 稍低。原來使用R12或R134a 的制冷裝置,在直接灌注二甲醚后,其制冷量的降低理論上不會超過10%,因此原來二甲醚可以實現(xiàn)對R12和R134a 的直接灌注式替代。圖1 二甲醚的制冷系數(shù)隨蒸發(fā)溫度變化 圖2 二甲醚的單位容積制冷量隨蒸發(fā)溫度變化3.2管道阻力對制冷性能的影響 制冷系統(tǒng)管道阻力對制冷性能會有負(fù)面影響,管道阻力的增加會降低制冷系統(tǒng)的性能,因此要求管道阻力越小越好。但過大的制冷劑管道不僅會增加制冷系統(tǒng)的成本,而且由于制冷劑流速過低,會造成制冷系統(tǒng)的回油等問題,因此制冷劑管道管徑的選取有一定的限制。最理想的情況就是管道內(nèi)的制冷劑既要達(dá)

10、到一定的速度,又要管道阻力小,管道阻力可由下式(1計算。22if d L p = (1式中:i d L ,-分別為制冷劑管道的長度和內(nèi)徑。,-分別為制冷劑的密度和制冷劑流速。其中摩擦阻力系數(shù)可由Haaland 公式求出【11】:+-=Re 9.67.3log 8.1111.1id e (2 式中:Re ,e -分別為管壁粗糙度和Renold 數(shù)。從(1式可以看出,制冷系統(tǒng)的管道阻力除了與管道的設(shè)計尺寸有關(guān)外,還與制冷劑的熱物理性質(zhì)有關(guān),即與制冷劑的密度和粘度有關(guān)。圖3 二甲醚制冷系統(tǒng)氣體管道阻力相當(dāng)?shù)娘柡蜏囟冉档碗S制冷量的變化圖4 二甲醚制冷系統(tǒng)液體管道阻力相當(dāng)?shù)娘柡蜏囟冉档碗S制冷量的變化圖3

11、和圖4分別是二甲醚制冷系統(tǒng)氣體管道和液體管道阻力隨制冷量的變化曲線,為了便于說明管道阻力對制冷性能的影響,圖中阻力轉(zhuǎn)化為制冷劑飽和溫度的降低。為了說明二甲醚的阻力特性,圖中也給出了R12和R134a 的阻力特性作為比較。從圖中可以看出,無論是氣相還是液相,在相同制冷量和管道尺寸情況下,二甲醚的管道阻力均比R12和R134a 低很多,這意味著二甲醚作為制冷劑可以減小制冷系統(tǒng)的阻力,對提高制冷系統(tǒng)的性能是有利的;在相同的制冷量和管道阻力情況下,可以使管道尺寸縮小,降低系統(tǒng)的造價。 4.二甲醚制冷性能在汽車空調(diào)上的測試4.1測試裝置測試在標(biāo)準(zhǔn)房間量熱器室中進行,如圖5所示。測試工況按汽車空調(diào)的行業(yè)測

12、試標(biāo)準(zhǔn),詳見表2。測試用空調(diào)器選用型號為:KQZN14巴士頂置式空調(diào),測試所用壓縮機為開式活塞壓縮機,排量為:313ml r ,膨脹閥為外平衡式熱力膨脹閥。 合器機加熱器卻盤管(室外機混合器風(fēng)機(接室外水源加濕器加熱 器 圖5 標(biāo)定型量熱器室示意圖4.2二甲醚在汽車空調(diào)上的制冷性能表2 二甲醚和R134a 在汽車空調(diào)上的對比在巴士汽車空調(diào)上的測試結(jié)果,其中DME (1為膨脹閥未作調(diào)整時的測試結(jié)果,DME (2為膨脹閥作調(diào)整后的測試結(jié)果。從表2的DME (1可以看出,二甲醚和R134a 的制冷系數(shù)分別為1.543和1.521,即二甲醚的制冷系數(shù)比R134a 高約1.44%。二甲醚的實際制冷量比R

13、134a 高約4.7%,在上述制冷循環(huán)分析中表明,二甲醚的制冷量應(yīng)稍有減小,那是由于分析中沒有考慮換熱溫差以及系統(tǒng)匹配等的影響。從表2的DME (1可以看出,在裝置充注二甲醚后,壓縮機吸入口的溫度比R134a 低,這是由于膨脹閥未作任何調(diào)整,二甲醚的供液量偏大,蒸發(fā)器出口過熱度較低,蒸發(fā)器換熱面積得以更充分的利用,因此出現(xiàn)了二甲醚的制冷量反而比R134a 大的結(jié)果,以下在分析二甲醚對節(jié)流機構(gòu)的影響時,將會對其供液量過大的原因作出理論解釋,在此不再贅述。從DME (2中可以看出,熱力膨脹閥預(yù)緊力稍作調(diào)整后,壓縮機的吸排氣溫度均有所上升,制冷量則稍有下降,制冷系數(shù)進一步提高,比R134a 高約5.

14、6%。5.R134a 制冷系統(tǒng)直接充注DME 對節(jié)流機構(gòu)的影響圖6給出了外平衡式熱力膨脹閥連接及膜片的受力示意,從圖中可以看出,外平衡式熱力膨脹閥的開度受蒸發(fā)壓力0p 、感溫包內(nèi)壓力s p 和彈簧預(yù)緊力f p 控制,膨脹閥膜片的力平衡關(guān)系可由下式表示10:s f p p p =+0 (3這三者的關(guān)系隨蒸發(fā)溫度變化情況如圖7中實線所示,在充注二甲醚后二甲醚的蒸發(fā)壓力隨溫度的變化曲線如虛線所示。由于二甲醚的飽和蒸發(fā)壓力比R12和R134a 低,原來使用R12和R134a 的制冷裝置在未作膨脹閥預(yù)緊力調(diào)節(jié)的情況下改充二甲醚后,會因為彈簧的預(yù)緊力較小,造成蒸發(fā)器出口的溫度會降低,過熱度減小(由sht

15、變?yōu)閟h t ,造成過液量較大,從而使得蒸發(fā)器的換熱面積得到更充分的利用,所以表2中二甲醚的實測制冷量大于R134a 。但同時由于蒸發(fā)器出口過熱度減小,會造成壓縮機吸入口的過熱度較低,壓縮機吸氣帶液,造成壓縮機的效率降低。從表2中可以看出,制冷系統(tǒng)在改充二甲醚后壓縮機的排氣溫度比R134a的排氣溫度有明顯降低(低約24,這說明壓縮機的吸氣中已經(jīng)帶液。適當(dāng)增加膨脹閥的彈簧預(yù)緊力(由fp調(diào)整為fp ,使得壓縮機的吸入口過熱度提高,則雖然會使蒸發(fā)器的制冷量稍有降低,但有利于提高整個系統(tǒng)的制冷系數(shù)。 圖6 外平衡式熱力膨脹閥與制冷系統(tǒng)連接示意圖圖7 原R134a(R12制冷系統(tǒng)改充二甲醚后對節(jié)流裝置的

16、影響6.結(jié)論二甲醚是一種性能良好的制冷劑,它不僅具有非常高的理論制冷性能,而且與潤滑油和材料有良好的兼容性。二甲醚的氣相和液相粘度都比較小,使用二甲醚作為制冷劑可以有利于減小系統(tǒng)的阻力,使得系統(tǒng)的制冷性能提高。二甲醚可以直接貫注式替代R134a,會造成蒸發(fā)器出口過熱度降低,需對膨脹閥彈簧預(yù)緊力進行調(diào)整,方能充分發(fā)揮二甲醚的制冷性能。參考文獻:1. G.Lorentzen The use of natural refrigerants: a complete solution to the CFC/HCFC predicament. International Journal of Refrig

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