混合制冷劑R12,R134a和實驗設(shè)計所用的混合工質(zhì)R290／R600的性能預測統(tǒng)計模型開發(fā)摘要:在本文中，作為R12和R134a替代品的油氣混合制冷劑R290／R600（79/21重量%），對其性能進行了分析。R12，R134a，制冷劑混合物R290／R600在不同的冷凝和蒸發(fā)溫度以及在不同壓縮機轉(zhuǎn)速環(huán)境下進行了實驗。此外，統(tǒng)計模型采用了實驗技術(shù)的設(shè)計，用來對制冷系統(tǒng)的參數(shù)的預測，如預測制冷量和性能系數(shù)，功率消耗。開發(fā)的模型利用F-測試對上述這些參數(shù)是否足夠進行檢查。蒸汽壓縮制冷系統(tǒng)的各種制冷劑R12，R134a和R290/R600的性能進行了比較。結(jié)果顯示，制冷劑混合物R290／R600的性能系數(shù)高于R12和R134a19.3-27.9%，并且發(fā)現(xiàn)，由79%的丙烷于21%丁烷進行混合的烴類混合物可作為R12和R134a的替代品。關(guān)鍵詞：設(shè)計；建模；碳氫化合物；能量消耗；HFC；制冷劑。引言由于熱泵和空調(diào)系統(tǒng)對臭氧層的消耗和全球變暖等環(huán)境問題,氯氟烴（CFC）和氫氟烴（HFC）和它們的混合制冷劑，因其高臭氧消耗潛能值（ODP）和全球變暖潛能值（GWP）含氯氟烴已經(jīng)在大多數(shù)國家于1996年被禁止。R134a已經(jīng)發(fā)展成為一個替代R12的制冷劑。制冷劑R134a的使用導致氣候變化，因為其較高的全球變暖潛能，蒙特利爾議定書和京都議定書已訂閱要求完全取消對氟氯化碳和氫氟碳化合物的使用。Granryd在2001年關(guān)于在制冷系統(tǒng)和熱泵設(shè)備中使用碳氫化合物作為工作流體所產(chǎn)生的問題做過研究。發(fā)現(xiàn)碳氫化合物（HC）是環(huán)保的天然制冷劑，它們具有零ODP和GWP。大量研究和出版物表示碳氫化合物可作為替代R12的制冷劑，碳氫化合物（HC）的制冷劑有一些積極的特點，比如ODP值為零的特點，GWP很小，無毒性，與礦物油，通常在制冷系統(tǒng)采用的材料都具有良好的相容性等優(yōu)勢。使用碳氫化合物作為制冷劑主要缺點是極易引燃，如果采取安全措施以防止這種易燃制冷劑泄漏，那么碳氫化合物仍可以像其他安全的制冷劑進行使用。R134a，R12，丙烷，正丁烷和異丁烷的熱力學性質(zhì)，如表1所示。從表中可以明顯看出純碳氫化合物的熱力學性質(zhì)與R12和R134a的不相符。圖1表示R134a，R12，丙烷，丁烷以及丙烷丁烷混合物的飽和蒸氣壓的變化情況與溫度的關(guān)系。從圖中很明顯的看出R290／R600（79/21重量%）的混合物的蒸氣壓力曲線與R12和R134a的蒸氣壓力曲線很接近，從而可以代替R12和R134a。制冷劑的熱力學性質(zhì)是由NISTREFPROP數(shù)據(jù)庫（2002）提供。表1.制冷劑熱力性質(zhì)圖1.制冷劑蒸氣壓力曲線R290/R600（79/21％重量）是一種非共沸混合制冷劑，由不同的蒸氣，液體按比例組合而成。在給定的壓力下，非共沸制冷劑需要一個溫度范圍來冷凝或蒸發(fā)，并且它的露點溫度總是比相應的泡點溫度高，這將導致混合物的相變。R290／R600（79/21重量%）混合物的溫度滑移發(fā)生在10.43°C，101kPa.R290/R600（79/21重量%）混合制冷劑被控制在液體狀態(tài)，以確保它的有效。烴類混合物的比容超過氟氯化碳和氫氟碳化合物。HC制冷劑帶電量大約是2.文獻綜述許多研究已集中在CFC12的替代品的研究。這種由79%丙烷和21%正丁烷按照質(zhì)量比例混合組成的新制冷劑，表現(xiàn)出比其他丙烷/丁烷混合物更好的性能。以下是最近的一些研究評論。理查德森和巴特（1995）在蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)研究290／HCHC600A混合物性能。在這項研究中，它表明，丙烷和丙烷/異丁烷混合物可以在未修飾的R12系統(tǒng)中使用，并且在同一操作條件下給出比R12的較好的COP。另據(jù)報道，在50%和50%的混合物丙烷丁烷與R12有非常相似的飽和特性，但cop似乎提高之后丙烷的比例也會增加。榮格等人.（1996）測試了混合物R290/R600a中R290的成分為0.2?0.6質(zhì)量份的性能，并與R12進行了比較。據(jù)悉，該混合物的cop分別從從1.7%增加到2.4%。R290/R600a混合物中R290的質(zhì)量分數(shù)為0.6時，與R-12相比，顯示一個3%向4%提高能源效率和更快的冷卻速度比。巴斯（1998）研究了冰箱/冰柜里不同混合物HC600a／HC290的性能。60/40%和70/30%（異丁烷和丙烷）是最好的整體混合物。kuijpers等人.（1988）從理論上表明，21/79重量%的丙烷/丁烷混合物，可以用來替代CFC-12。該組合物的蒸發(fā)壓力和容積制冷量堪比CFC-12。哈馬德＆Alsaad（1999）在原版的R12家用冰箱進行了進行了四比丙烷，正丁烷和異丁烷的實驗研究。調(diào)查顯示，由50%的丙烷，38.3%的丙烷和11.7%的異丁烷組成的烴類混合物表現(xiàn)出比其他烴類混合物更好的性能。榮格等人的實驗結(jié)果.（2000）表明，60%質(zhì)量分數(shù)的丙烷和異丁烷組成的混合物，比起R12，具有更高的COP，更快的冷卻速度，更短的壓縮時間，更低的壓縮圓頂溫度。Akash公司對液化石油氣（質(zhì)量分數(shù)分別為30%丙烷，55%的丁烷，15%的異丁烷）進行了性能測試，結(jié)果顯示該系統(tǒng)的制冷量和COP堪比R12。Fatouh和kafafy（2006）在一個單一的蒸發(fā)器家用冰箱使用60%的丙烷和40%商業(yè)丁烷混合成的液化石油氣進行了實驗。冰箱實驗結(jié)果顯示，長度5米，60g的毛細管使用液化石油氣和長度4米，100g的毛細管使用R134a的制冷效果相當。液化石油氣的冰箱的實際COP高于R134a冰箱約7.6%。boumaza（2010）對天然工質(zhì)進行了評估作為替代CFC和HCFC的空調(diào)制冷劑。bolaji（2010）進行了使用R152a、R32在家用冰箱中替代R在這項工作中，這種R290／R600（79／21重量%）新制冷劑的良好的環(huán)保性能被提出，為證明它是一個很有前途的替代品，在與R12，R134a的對比實驗中進行了使用設(shè)計的實驗技術(shù)。實驗設(shè)計（DOE）是用來識別那些對系統(tǒng)性能的最高和最低的影響水平和因素的標準統(tǒng)計技術(shù)。對結(jié)果的統(tǒng)計分析允許測定結(jié)果的意義，從而獲得涉及變量和結(jié)果的數(shù)學方程。DOE技術(shù)被用在許多領(lǐng)域如焊接，研磨，加工等。在這項工作中，已嘗試開發(fā)預測和比較與制冷劑R12R，134a、R290／R600制冷系統(tǒng)性能的一個統(tǒng)計模型。3.實驗裝置和程序建立一個蒸汽壓縮制冷系統(tǒng)的實驗裝置，來研究R12，R134a，以及R290/R600(79/21重量%)的混合物的性能，實驗裝置的示意圖如圖2所示，它由兩個回路組成，一個主回路和一個次級回路。主回路主要由壓縮機，冷凝器，干燥過濾器，制冷劑流量的流量計，視鏡，膨脹閥和蒸發(fā)器組成。壓縮機是一個開放的，往復式。壓縮機的轉(zhuǎn)速，可以由一個可變直徑的皮帶輪電機改變。冷凝器和蒸發(fā)器是由雙層銅管組成。在雙層管冷凝器，制冷劑流經(jīng)內(nèi)管，冷卻水流經(jīng)內(nèi)管和外管之間的環(huán)形空間。在雙層管蒸發(fā)器，鹽水溶液（氯化鈣水溶液）流經(jīng)內(nèi)管，制冷劑流經(jīng)它們之間的環(huán)形空間。為最大限度地減少熱損失，外管是良好的隔熱材料。兩個視鏡被并入到系統(tǒng)中，一個在冷凝器出口的液體管線與另一個在蒸發(fā)器出口處的蒸汽管線，以便給出制冷劑的循環(huán)情況。次級回路是由絕緣箱里的泵，流量計，電加熱裝置組成。一個槽被充滿了的冷卻水，并通過冷凝器管循環(huán)，而另一罐充滿鹽溶液，并通過蒸發(fā)器管循環(huán)。熱水從冷凝器管流到冷卻塔，然后冷卻。冷卻下來的水通過一個單獨的泵送到冷卻水箱。圖2.實驗裝置示意圖轉(zhuǎn)子流量計是用于測量冷卻水和鹽水溶液的流量，測量精度可達±0.05LPM。制冷劑流量計是用來測量制冷劑流量，測量精度±0.0125kg/min。RTD型熱電偶用于測量溫度,測量精度為±0.1°C，壓力是用校準壓力表測量的，壓力精度的精度±為1磅。制冷劑的溫度和二次流體的溫度和壓力測量的實驗裝置中不同的位置，如圖2所示。壓縮機功率消耗是用瓦特計測定。瓦特計盤的轉(zhuǎn)動準確度為±1秒，10轉(zhuǎn)。膨脹裝置是用來調(diào)節(jié)制冷劑的質(zhì)量流量和定壓差。當系統(tǒng)排空后制冷劑就開始激活了。在不做任何修改的實驗裝置的條件下進行沉降實驗。實驗由R12開始，然后作為其他兩個制冷劑進一步比較的基準參考。通過調(diào)節(jié)系統(tǒng)如冷卻水流量和溫度的所有其他參數(shù)，比如制冷劑流量和鹽水溶液流量和溫度，來獲得所需的蒸發(fā)和冷凝溫度。當系統(tǒng)達到穩(wěn)定狀態(tài)條件和所有的觀測值被記錄下來后，這些讀數(shù)就被拍攝下來。表2顯示了從實驗裝置參數(shù)電平=0，Te=8oC，TC=40°C和N=855轉(zhuǎn)所觀察到的值。圖3顯示了蒸汽壓縮式制冷循環(huán)的制冷劑R12，R134a，R290／R600的pH表2.實驗裝置參數(shù)電平=0，Te=8oC，TC=40°C和N圖3.在蒸氣壓縮制冷循環(huán)P-H和T-S圖：（a）R12，R134a，和R290/R600的P-H圖（b）R12和R134a的T-S圖（c）R290／R600的T-S圖4.統(tǒng)計模型的開發(fā)獨立可控參數(shù)，如蒸發(fā)溫度（TC），冷凝溫度（Te）和壓縮機的轉(zhuǎn)速（N）的確定進行實驗工作。一個參數(shù)的上限被編碼為1.682，下限為-1.682。編碼值為水平的中間值計算從方程（1）計算（科蘭&Cox，1992）。其中Xi是需要編碼的變量X的值。X是可變量Xmin到Xmax中的任意值，Xmin和Xmax分別是可變量X的下限和上限。制冷系統(tǒng)的參數(shù)和單位，符號的選取在表3中給出。表3.控制參數(shù)和水平設(shè)計矩陣由三因素五水平的中心復合旋轉(zhuǎn)設(shè)計組成（科蘭&Cox，1992）。它是由23=8的階乘設(shè)計加6分中心和6個星點完全復制的。所選擇的設(shè)計矩陣示于表4中。表4.設(shè)計矩陣和制冷系統(tǒng)的響應計算本實驗是根據(jù)設(shè)計矩陣中隨機進行，以避免系統(tǒng)錯誤潛行到系統(tǒng)。從這些實驗中獲得的數(shù)據(jù)被用于開發(fā)的統(tǒng)計模型，并分析制冷劑R12，R134a和R290/R600混合物的性能。任何制冷系統(tǒng)輸出的響應函數(shù)可以表式為等式（2）。二階多項式用來表示響應函數(shù)的三個因素，由（3）式給出多項式的系數(shù)由統(tǒng)計學計算得出（科蘭&Cox，1992），由公式(4)-(7).給出其中，Xi，Xii,Xij分別是一階值，二階值的平方和制冷系統(tǒng)變量的相互作用項。SYSTAT軟件包是用來計算的直接反饋回來的這些系數(shù)的值。該模型充分利用方差分析（ANOVA）測試技術(shù)。按照這種技術(shù)，如果開發(fā)的模型的F比率的計算值超過了F比率標準表置信度（95％），則該模型被認為是在可信限內(nèi)。表5中的所有模型都是足夠的。表5.對R12R134a、R290／R600模型測試充分性的方差分析F比率的計算由下式給出：F比率=均值回歸平方和/均方的誤差總和平方的多重R值，調(diào)整多方R值和所有開發(fā)的統(tǒng)計模型的估計標準誤差在表6中給出。一個回歸模型的平均總平方和的總和之比解釋了多重R平方的平方和。調(diào)整后的多個平方R是調(diào)整收縮后的復相關(guān)系數(shù)，和估計值的標準誤差殘差的標準偏差。對于R12，R134a、R290／R600的混合物的編碼形式參數(shù)的統(tǒng)計模型，通過以上的分析提出如下方程表示。(9)-(17)對于制冷劑R12對于R134a對于混合物R290/R600表6.多重平方R，調(diào)整多重平方R與建立的模型估計的標準誤差的比較5.總結(jié)實驗進行了使用R12，R134a、R290／R600的混合制冷劑。在這項工作中得出如下結(jié)論。*五水平因子實驗技術(shù)用于開發(fā)的統(tǒng)計模型和R12，R134a和R290/R600（79/21％重量）混合物的性能進行了比較。*R290/R600的（79/21％重量）的制冷能力高于較低Te溫度的R12和R134a49%，高于較高Te溫度的R12和R134a30%。*R290/R600混合制冷劑消耗的能量要高于R12和R134a在所有操作條件下消耗的能量21.3%-22.2%。*R290／R600（79/21重量%）混合物的COP（79/21重量%）高于R12和R134a的COP19.3%-27.9%。*研究油氣混合工質(zhì)R290／R600（79/21重量%）可以作為一個可能的替代R12和R134a的制冷劑。參考文獻[1]Baskin,E.(1998).TECHNICALPAPERS-4206-SynopsisofResidentialRefrigerator/FreezerAlternativeRefrigerantsEvaluation.ASHRAETransactionsAmericanSocietyofHeatingRefrigeratingAirConditioningEngin,104(2),266-273.[2]BilalA.Akash.,&SalemA.Said.(2003).AssessmentofLPGasaPossibleAlternativetoR12inDomesticRefrigerators.EnergyconversionandManagement,44,381-388.[3]Bolaji,B.O.(2010).ExperimentalStudyofR152aandR32toReplaceR134ainaDomesticRefrigerator.Energy,35,3793-3798.[4]Bolaji,B.O.(2010).ExperimentalAnalysisofReciprocatingCompressorPerformancewithEcofriendlyRefrigerants.ProceedingsoftheInstitutionofMechanicalEngineers,PartA:JournalofPowerandEnergy,224,781-786.[5]Boumaza,M.(2010).PerformanceAssessmentofNaturalRefrigerantsasSubstitutestoCFCandHCFCinHotClimate.Int.J.ofThermal&EnvironmentalEngineering,1,125-130.[6]Butler,D.(2001).LifeAfterCFCsandHCFCs,CIBSENationalConference,RegentsCollege,London,1-3.[7]Carpenter,N.E.(1992).RetrofittingHFC-134aintoExistingCFC12systems.Int.J.ofRefrigeration,15,332-339.[8]Chen,J.(2005).ZeotropicRefrigerantsandtheSpecialCharacteristics.ProceedingsoftheIMechEpartE,JournalofProcessMechanicalEngineering,219,183-186.[9]Cochran,W.G.&Cox,G.M.(1992).ExperimentalDesigns,(2nded.).NewYork,JohnWileyandSons.[10]Fatouh,M.,&Kafafy,[11]Granryd,E.(2001).HydrocarbonsasRefrigerants–anOverview.Int.J.ofRefrigeration,24,15-24.[12]Hammad,M.A.,&Alsaad,M.A.(1999).TheuseofHydrocarbonMixtureasRefrigerantsinDomesticRefrigerators.AppliedThermalEngineering,19,1181-1189[13]Jung,D.,Kim,C.B.,Lim,B.H.,&Lee,H.W.(1996).Testingofahydrocarbonmixtureindomesticrefrigerators.ASHRAETransactions,102(1),1077-1084.[14]Jung,D.,Kim,C.,Song,K.,&Park,B.(2000).TestingofPropane/IsobuteneMixtureinDomesticRefrigerators.InternationalJournalofRefrigeration,23,517-527.[15]Kuijpers,L.J.M.,DeWit,J.A.,&Janssen,M.J.P.(1988).PossibilitiesfortheReplacementofCFC12inDomesticEquipment.Int.J.ofRefrigeration,11(4),284-291.[16]Rajapaksha,L.(2007).Influenceofspecialattributesofzeotropicrefrigerantmixturesondesignandoperationofvapourcompressionrefrigerat