CN1052354A - 顾氏热力循环热工装置的工作介质 - Google Patents
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Abstract
一类能适用于顾氏热力循环系统的新型工作介
质，这类工作介质在热力循环系统中能使蒸发换热过
程和冷凝换热过程在温熵图上不平行，即这类物质在
温熵图上，其等压相变曲线彼此不平行，在顾氏循环
冰箱空调系统中，这类工作介质就是系统中的制冷
剂。
Description
本发明涉及的是热力工程和热物性工程的技术领域，特别涉及的是应用顾氏热力循环方式工作的热工装置的工作介质，这类工作介质，能使顾氏热力循环至少有一级子循环，其蒸发换热过程曲线和冷凝换热过程曲线是彼此不平行的。
众所周知，所谓热力循环都是由多个热力过程构成的循环闭路，若采用三个或三个以上的热工机械相互串、并联而构成一个循环闭路系统，并适当地选择某种或某些种工质在这个闭路循环系统中循环以实现其所预期的热力循环过程，则这种闭路循环系统便称为按照某种热力循环过程而工作的热工装置。
由不同的热力过程经过不同的组合可以形成不同的热力循环，而每一种热力循环都可以按照工质在系统中的循环方向不同而分成相应的正向循环和逆向循环两类循环方式。在温熵图上，工质按逆时针方向进行的循环称为逆向循环。
可供实用的顾氏热力循环单级及多级热工装置已披露在中国发明专利申请89100212.x和89100375.4中。这类热工装置所采用的顾氏热力循环都是由等熵膨胀过程、变温蒸发换热过程、等熵压缩过程和变温冷凝换热过程构成的，且蒸发换热该程曲线和冷凝换热过程曲线是彼此不平行的，在实际的顾氏循环中，它由绝热膨胀过程（实际过程是不等熵的），变温吸热过程（包括相变吸热段及单相吸热段），绝热压缩过程（实际过程是不等熵的）和变温放热过程（包括相变放热段及单相放热段）组成，并且变温吸热过程中的相变吸热段和变温放热过程中的相变放热段，在温熵图上彼此不平行。顾氏正循环可参见图1，顾氏逆循环有两类不同的情况可参见图2及图3，实际的顾氏循环可参见图4。具有上述热力循环特征的热工装置就是顾氏循环热工装置。
众所周知，在热力循环和热工装置的技术领域中，所谓的工质指的是热力过程中所使用的工作介质，由于逆向热力循环常常是用于制冷系统和空调系统，故在逆向热力循环中使用的工质又常常被称呼为制冷剂。在目前已知的工质中，按照等压相变时，其温度是否变化及怎样变化来划分，可分为三大类：第一类是在整个等压相变过程中，其相变温度不变的工质，它可用于朗肯循环系统;第二类是在等压相变过程中，相变温度是变化的，并且这个变化的斜率不随初始相变温度的不同而不同，这类工质可用于平行四边形循环（国际上也称为劳伦兹循环）系统。它的特性可保证实现这类热力循环的放热和吸热过程在温熵图上彼此平行;其余的工质均属于第三类，这类工质的特点是蒸发换热过程曲线和冷凝换热过程曲线彼此不平行，长期以来，这类工质一直被认为是在热力循环装置中没有使用价值的。
但是，这第三类工质却是可以实现顾氏热力循环的工质，所以，这第三类工质可以命名为顾氏热力循环工质。顾氏热力循环工质的特点是，初始相变温度不同，其温熵图上的相变斜率也不同，这就保证了，在温熵图上，等压相变曲线彼此不平行。顾氏热力循环工质，在温熵图上的等压相变曲线有两种形态，可分别参见图5和图6。应该重申的是，图5和图6的等压线可以是直线，也可以是曲线。
顾氏热力循环的工质大部分可作为顾氏循环热流体发电系统的工质和顾氏循环制冷空调系统的工质，作为制冷空调系统的工质亦可称为制冷剂。
一种优秀的顾氏循环工质，应该具备相变潜热远大于单相比热的特点，同时还要求饱和蒸气的比容尽可能小。此外，顾氏循环工质还要求这类工质在相变换热时的温度变化程度与顾氏循环热工装置的要求相匹配。比如，对于如图7所示的制冷系统，用户要求冷冻水从温度为Tg降至Th，冷凝水进水温度为Te，工程设计上要求冷凝水进出口温差为△To，故冷凝水出口温度为Tf＝Te+△To，在工程上换热器要求其最小换热温差为△T，则最佳匹配的工质相变温度变化状态必须满足Td＝Te+△T，Ta＝Tf+△T，Tc＝Th-△T，Tb＝Tg-△T，这时的换热过程称为最佳匹配的换热过程，这种工质称为满足用户热工装置要求的最佳匹配工质。对于制冷及空调系统，亦称为最佳匹配的制冷剂，Ta，Tb，Tc，Td严格满足上述等式的工质（或制冷剂）是很难找到的，但优秀的顾氏循环工质应该尽可能地接近满足上述等式。很明显，当用户热工装置工作的温度范围不同时，它所要求的最佳工质也不同。发明人通过多年的研究，现已找到了几种较为优秀的、在制冷和空调工况下工作的顾氏循环制冷及空调装置所要求的工质（制冷剂）。已发现的优秀顾氏循环制冷剂的其中五种介绍如下，它们都是一些非共沸混合物。它们都由四元以上纯物质混合而成，一般说来，只有极少数的三元混合物在极其苛刻的浓度下才能实现顾氏循环，但四元混合物循环特性的研究非常困难，以至在本专利申请日之前，还未见过国内外有四元混合物制冷剂的研究结果发表。本发明人认为，四元混合制冷剂没有人研究的另一原因是，国际制冷界着意追求新的单一制冷剂，而不愿在混合制冷剂的研究上花太多的人力和物力。
一.混合物R12/R22/R115/R13，代号GM1，它们的分子式分别是：R12为CCl2F2，R22为CHClF2，R115为CClF2CF3，R13为CClF3，在混合物中，它们各自的浓度范围（重量浓度）是，R12为0.02至0.15，R22为0.45至0.68，R115为0.26至0.52，R13为0.0至0.11。这种制冷剂用于空调和制冷系统能提高系统的性能系数15%以上。性能系数的定义为空调及制冷系统单位功率消耗所产生的制冷量。当该混合物混有浓度小于0.1的杂质时，其制冷效果影响不大。
二.混合物R600a/R22/R152a/R13，代号GM2，它们的分子式分别是：R600a为CH（CH3）3，即异丁烷，R22为CHClF2，R152a为CH3CHF2，R13为CClF3。在混合物中，他们各自的浓度范围（重量浓度）是，R600a为0.08至0.36，R22为0.27至0.65，R152a为0.08至0.43，R13为0.0至0.17。这种制冷剂用于空调和制冷系统能提高该系统的性能系数15%以上，对于制冷空调系统，允许该混合物的杂质浓度的最大值为0.15。
三.混合物R600/R22/R152a/R13，代号GM3，它们的分子式分别是：R600为CH3CH2CH2CH3，即正丁烷，R22为CHClF2，R152a为CH3CHF2，R13为CClF3。在混合物中，它们各自的浓度范围（重量浓度）是，R600为0.08至0.38，R22为0.21至0.68，R152a为0.08至0.47，R13为0.0至0.16。这种混合物用于制冷、空调系统可提高该系统的性能系数15%以上，对于制冷空调系统，允许该混合物的杂质浓度的最大值为0.15。
四.混合物R600a/R22/R152a/R23，代号GM4，它们的分子式分别是：R600a为CH（CH3）3，即异丁烷，R22为CHClF2，R152a为CH3CHF2，R23为CHF3。在混合物中，它们各自的浓度范围（重量浓度）是，R600a为0.09至0.43，R22为0.15至0.68，R152a为0.08至0.52，R23为0.0至0.2。这种混合物用于制冷、空调系统可提高该系统的性能系数10%以上，对于制冷空调系统，允许该混合物的杂质浓度的最大值为0.15。
五.混合物R600/R22/R152a/R23，代号GM5，它们的分子式分别是：R600为CH3CH2CH2CH3，即正丁烷，R22为CHClF2，R152a为CH3CHF2，R23为CHF3。在混合物中，他们各自的浓度范围（重量浓度）是，R600为0.08至0.42，R22为0.21至0.69，R152a为0.08至0.52，R23为0.0至0.2。这种混合物用于制冷、空调系统可提高该系统的性能系数10%以上，对于制冷空调系统，允许该混合物的杂质浓度的最大值为0.15。
这里杂质的定义为，在上述各个混合物里，除已指定过的物质外，混合物里混入的任何别种物质都称为杂质。
由于科学家发现，有些氟里昂物质对大气臭氧层有严重破坏作用，已在1987年蒙特利尔意向书中规定限制使用某几种对大气臭氧层有严重破坏作用的氟里昂，并进行了一些氟里昂物质对大气臭氧层破坏程度的研究，定义了一个臭氧破坏系数作为各种物质（包括混合物）对大气臭氧层破坏程度的度量，并以氟里昂11定标为臭氧破坏系数1.0，臭氧破坏系数简称ODP。
根据臭氧破坏系数（ODP）的定义，对上述五种顾氏循环制冷剂的臭氧破坏系数，进行理论推算的结果如下：GM1的ODP值小于0.35，GM2的ODP值小于0.06，GM3的ODP值小于0.055，GM4的ODP值小于0.03，GM5的ODP值小于0.03。因此，GM2，GM3，GM4，GM5可作为制冷剂R12的最佳替代物之一。
图1为顾氏循环的温熵图，其中ab为等熵膨胀过程，bc为等压变温放热过程，cd为等熵压缩过程，da为等压变温吸热过程。
图2为第一类顾氏循环逆循环的温熵图，其中ab为等熵压缩过程，bc为等压变温放热过程，cd为等熵膨胀过程，da为等压变温吸热过程，其特征是放热线的斜率大于吸热线的斜率。
图3为第二类顾氏逆循环的温熵图，其中ab为等熵压缩过程，bc为等压变温放热过程，cd为等熵膨胀过程，da为等压变温吸热过程，其特征是放热线的斜率小于吸热线的斜率。
图4为实际顾氏这循环的温熵图。其中ab为绝热膨胀过程，bc为变温冷凝过程，cd为绝热压缩过程，de为变温蒸发过程，很明显，实际的顾氏循环中有一蒸发过热段，这一点在理想循环是省略的，技术特点是，蒸发过程de和冷凝过程bc不平行，工质的选择应使换热过程为最佳匹配，从而使换热温差为最小。
图5为第一类顾氏循环工质相变图，这类相图的特点是随着初始蒸发温度的升高，其温熵图上等压蒸发过程的斜率是增大的。
图6为第二类顾氏循环工质相变图，这类相变图的特点是随着初始蒸发温度的升高，其温熵图上等压蒸发过程的斜率是减小的。
图7为最佳匹配制冷系统的温熵图，其中g为冷冻水进口，h为冷冻水出口，e为冷却水进口，f为冷却水出口。ad和ef的换热温差近似处处相等，gh和eb的换热温差近似处处相等。
Claims (6)
1、可以实现顾氏热力循环的工作介质，即第三类工作介质，在顾氏热力循环制冷空调系统中，即为顾氏热力循环制冷剂。这类工质的特点是，在温熵图上，等压相变曲线彼此不平行。
2、制冷剂GM1，由R12/R22/R115/R13组成的混合物，其浓度是：R12为0.02至0.15，R22为0.45至0.68，R115为0.26至0.52，R13为0.0至0.11，以及其最大杂质浓度小于0.1的混合物。
3、制冷剂GM2，由R600a/R22/R152a/R13组成的混合物，其浓度是：R600a为0.08至0.36，R22为0.27至0.65，R152a为0.08至0.43，R13为0.0至0.17，以及其最大杂质浓度小于0.15的混合物。
4、制冷剂GM3，由R600/R22/R152a/R13组成的混合物，其浓度是：R600为0.08至0.38，R22为0.21至0.68，R152a为0.08至0.47，R13为0.0至0.16，以及其最大杂质浓度小于0.15的混合物。
5、制冷剂GM4，由R600a/R22/R152a/R23组成的混合物，其浓度是：R600a为0.09至0.43，R22为0.15至0.68，R152a为0.08至0.52，R23为0.0至0.2，以及其最大杂质浓度小于0.15的混合物。
6、制冷剂GM5，由R600/R22/R152a/R23组成的混合物，其浓度是：R600为0.08至0.42，R22为0.21至0.69，R152a为0.08至0.52，R23为0.0至0.2，以及其最大杂质浓度小于0.15的混合物。
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