二元混合工質(zhì)MB85中高溫?zé)岜玫男阅?/h1>
2011-08-01 09:08:08王懷信陳清瑩潘利生
關(guān)鍵詞：實(shí)驗(yàn)研究
王懷信，陳清瑩，潘利生
(天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300072)
近年來(lái)隨著我國(guó)工業(yè)的發(fā)展，能源緊張、環(huán)境污染問(wèn)題已經(jīng)成為人類(lèi)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的一項(xiàng)難題．中高溫?zé)岜眉夹g(shù)可以提高能源利用率，節(jié)約能源．現(xiàn)階段，中高溫?zé)岜眉夹g(shù)的研究集中在尋找適合中高溫?zé)岜霉r的環(huán)境友好型工質(zhì)．早期的研究中曾以CFC11、CFC114為工質(zhì)，隨著環(huán)境保護(hù)受到重視，近期研究中涉及的工質(zhì)則以 HCFCs非共沸混合工質(zhì)為主，Nakatani等[1]對(duì)使用 HCFC-22/HFC-134,a，HCFC-22/HFC-152a，HCFC-22/HCFC-142b 和HCFC-22/HCFC-123作為工質(zhì)的熱泵系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試；Liebenberg等[2]和 Smit等[3]均對(duì) HCFC-22/HCFC-142b混合工質(zhì)進(jìn)行了理論研究；日本新能源工業(yè)技術(shù)開(kāi)發(fā)組織(New Energy and Industrial Technology Development Organization，NEDO)開(kāi)發(fā)的超級(jí)熱泵使用HCFC-123/HFC-134a作為工質(zhì)[4]．在國(guó)內(nèi)，清華大學(xué)、天津大學(xué)、上海交通大學(xué)和中科院廣州能源研究所在中高溫?zé)岜妙I(lǐng)域開(kāi)展過(guò)研究：李廷勛等[5]利用非共沸混合工質(zhì) HCFC-22/HCFC-142b進(jìn)行中高溫?zé)岜脤?shí)驗(yàn)研究，獲得 80,℃的出水溫度；王懷信[6-9]、趙力[10]、史琳[11]等研究了多種混合工質(zhì)的理論計(jì)算，進(jìn)行了部分實(shí)驗(yàn)研究．
目前，蒸汽壓縮式熱泵技術(shù)高溫化研究在熱輸出溫度水平方面受到系統(tǒng)硬件的制約．現(xiàn)階段研究的主要目標(biāo)為，立足于現(xiàn)有常溫?zé)岜孟到y(tǒng)硬件，尋求環(huán)境特性、循環(huán)性能俱優(yōu)的適宜工質(zhì)．
本文以理論篩選出的循環(huán)性能優(yōu)良、樣品可得的混合工質(zhì)MB85為研究對(duì)象，以純質(zhì)HFC245fa(前期研究[12-13]中得出的優(yōu)良工質(zhì))為比較對(duì)象，采用指定工質(zhì)側(cè)參數(shù)的循環(huán)性能對(duì)比實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)研究方法[14]進(jìn)行循環(huán)性能對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究，考察的溫度范圍為冷凝溫度 70～100,℃．
1 新型混合工質(zhì)的提出
根據(jù)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)原則對(duì)由臭氧破壞潛能(ozone depletion potential，ODP)為 0 的 HFCs、HCs物質(zhì)組成的多種混合物，在冷凝溫度 70～100,℃范圍內(nèi)，采用改進(jìn)性能研究方法，進(jìn)行了理論循環(huán)分析，篩選得到了一種由HFCs與HCs組成的二元近共沸混合工質(zhì)MB85(HC600/HFC245fa)．MB85的 ODP為 0，全球變暖潛能(global warming potential，GWP)為 963．蒸發(fā)溫度 tevap＝50,℃、冷凝溫度 tcond＝95,℃、過(guò)熱度 5,℃、過(guò)冷度5,℃的中高溫?zé)岜霉r下的理論循環(huán)性能如表 1所示(指定壓縮機(jī)的氣缸余隙容積系數(shù)取為0.03，電機(jī)效率、機(jī)械效率取為0.85)．
表1 MB85的循環(huán)性能參數(shù)Tab.1 Cycle performance parameters of MB85
表 1中：pcond為冷凝壓力；Pr為壓比；tdis為壓縮機(jī)排氣溫度；Qm為單位質(zhì)量制熱量；Qv為單位容積制熱量；COP為性能系數(shù)；Δtevap為蒸發(fā)器溫度滑移；Δtcond為冷凝器溫度滑移．
由表 1可見(jiàn)，從壓力水平看，MB85的壓力較HFC245fa略高，但遠(yuǎn)低于常規(guī)空調(diào)、熱泵系統(tǒng)設(shè)備可承受的壓力上限；從循環(huán)性能方面看，MB85的COP較 HFC245fa略高，在節(jié)能方面有一定的潛力；單位質(zhì)量工質(zhì)制熱量 Qm大于 HFC245fa；Qv大于HFC245fa，有利于壓縮機(jī)小型化；壓比較 HFC245fa略小，有利于提高壓縮機(jī)的性能；排氣溫度也比HFC245fa略高．蒸發(fā)器和冷凝器中的相變溫度滑移分別為 0.76,℃和 0.13,℃．由以上分析可以看出，有必要對(duì)新工質(zhì)MB85進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究．
2 循環(huán)性能實(shí)驗(yàn)研究
在水-水熱泵實(shí)驗(yàn)臺(tái)上對(duì)新混合工質(zhì) MB85，采用指定工質(zhì)側(cè)參數(shù)的循環(huán)性能對(duì)比實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)研究方法[13]進(jìn)行循環(huán)性能對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究．
2.1 實(shí)驗(yàn)裝置
圖1為實(shí)驗(yàn)裝置示意．圖中虛線(xiàn)表示工質(zhì)回路，實(shí)線(xiàn)表示載熱流體回路；冷凝器與蒸發(fā)器的載熱流體均為水．、分別為溫度、壓力測(cè)點(diǎn)．壓縮機(jī)為HFC134a全封閉活塞式壓縮機(jī)(丹佛斯美優(yōu)樂(lè)，MTZ22JC4AVE)，除載熱流體進(jìn)出口溫度由玻璃溫度計(jì)測(cè)量外，其余各處工質(zhì)和載熱流體的溫度，均由銅-康銅熱電偶測(cè)量并由 FLUKE公司的 NetDAQ數(shù)據(jù)采集器連接計(jì)算機(jī)采集(經(jīng)標(biāo)定，測(cè)量誤差小于0.2,℃)．蒸發(fā)器和冷凝器載熱流體流量由渦輪流量計(jì)(1級(jí))測(cè)得．三相功率表(0.2級(jí))測(cè)量壓縮機(jī)的電機(jī)輸入功率．工質(zhì)側(cè)流量由科里奧利質(zhì)量流量計(jì)(DMF-1-3)測(cè)得．關(guān)于系統(tǒng)和測(cè)量?jī)x表的詳細(xì)說(shuō)明見(jiàn)文獻(xiàn)[15]．
2.2 實(shí)驗(yàn)方法
為提高以同一實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行不同工質(zhì)對(duì)比實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)的客觀性[12]，采用指定工質(zhì)側(cè)參數(shù)(蒸發(fā)溫度、冷凝溫度、過(guò)熱度、過(guò)冷度)與蒸發(fā)器和冷凝器載熱流體流量的實(shí)驗(yàn)方式．通過(guò)調(diào)整蒸發(fā)器和冷凝器載熱流體進(jìn)口溫度來(lái)控制、調(diào)節(jié)工質(zhì)的蒸發(fā)溫度和冷凝溫度，通過(guò)熱力膨脹閥設(shè)定過(guò)熱度，過(guò)冷度為5,℃左右．
考慮冷凝器與蒸發(fā)器中工質(zhì)流動(dòng)壓降和非共沸混合工質(zhì)相變溫度滑移的影響，實(shí)驗(yàn)中取蒸發(fā)溫度為工質(zhì)在蒸發(fā)器進(jìn)口處的溫度與露點(diǎn)的平均值，冷凝溫度取為工質(zhì)在冷凝器中的露點(diǎn)與泡點(diǎn)的平均值．
2.3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容
通過(guò)調(diào)節(jié)水側(cè)參數(shù)，對(duì)混合工質(zhì) MB85，控制蒸發(fā)溫度在 40～55,℃范圍內(nèi)變化，相應(yīng)的冷凝溫度從70,℃變化至 100,℃，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究；對(duì)于工質(zhì)HFC245fa，保證循環(huán)溫升在 45,℃左右，冷凝溫度以5,℃左右的間隔從 85,℃改變到 100,℃，進(jìn)行對(duì)照實(shí)驗(yàn)研究．
圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意Fig.1 Experimental setup
3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論
循環(huán)性能對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果見(jiàn)圖 2，其中 COP由制熱量/壓縮機(jī)輸入功率(P)得到，前者由冷凝器水流量、進(jìn)出口水溫差得出，也可以通過(guò)工質(zhì)進(jìn)出口焓差及工質(zhì)質(zhì)量流量得出；后者由功率表直接讀?。?/p>
如圖 2(a)所示，當(dāng)冷凝溫度大于 90,℃時(shí)，在相同的冷凝溫度和 45,℃左右的循環(huán)溫升下，混合工質(zhì)MB85的制熱系數(shù)COP高于HFC245fa，當(dāng)冷凝溫度小于 90,℃時(shí)，由于缺乏數(shù)據(jù)不能準(zhǔn)確說(shuō)明 2種工質(zhì)制熱系數(shù) COP的大小，但從已有的數(shù)據(jù)可以看出，2種工質(zhì)制熱系數(shù)COP相差不大．相同的蒸發(fā)溫度下，混合工質(zhì)MB85的制熱系數(shù)COP隨著冷凝溫度的升高而減?。诶淠郎囟葹?00,℃，循環(huán)溫升45,℃時(shí)COP為3.83．
實(shí)測(cè)COP遠(yuǎn)小于理論COP值．這主要是由于硬件方面的原因及存在各種損失．一是理論計(jì)算采用指定壓縮機(jī)效率的方法，實(shí)驗(yàn)中由于各種損失，所用壓縮機(jī)效率低于指定的效率；二是冷凝器中環(huán)路截面積過(guò)小導(dǎo)致工質(zhì)壓降過(guò)大．這一缺陷雖影響各工質(zhì)COP的絕對(duì)值，卻不妨礙不同工質(zhì)的對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究，可以理解為系統(tǒng)偏差．損失因素主要是熱量的散失，實(shí)驗(yàn)是在高溫工況下進(jìn)行的，冷凝器、壓縮機(jī)與環(huán)境間的溫差較大，由于保溫不夠造成的蒸發(fā)器、冷凝器、壓縮機(jī)的熱量散失較大．
從圖 2(b)可以看出，當(dāng)循環(huán)溫升不變時(shí)，2種工質(zhì)的制熱量都隨著冷凝溫度的升高而增大．冷凝溫度在 90,℃以上時(shí)，混合工質(zhì) MB85的制熱量明顯高于HFC245fa，高出約353～653,W左右，而壓縮機(jī)耗功比 HFC245fa僅高出 89～132,W．說(shuō)明混合工質(zhì)MB85具有更強(qiáng)的制熱能力．
如圖 2(c)所示，在相同的冷凝溫度和循環(huán)溫升下，混合工質(zhì) MB85的耗功高于 HFC245fa．在同一蒸發(fā)溫度下，隨著冷凝溫度的增大混合工質(zhì) MB85的壓縮機(jī)耗功逐漸增大．而同一冷凝溫度下，混合工質(zhì) MB85的壓縮機(jī)耗功隨著蒸發(fā)溫度的增大先減小而后增大．這是因?yàn)橄嗤淠郎囟?，隨著蒸發(fā)溫度升高，壓縮機(jī)吸氣比容減小，工質(zhì)的質(zhì)量流量增加；而單位質(zhì)量壓縮功減??；工質(zhì)的質(zhì)量流量增加與單位質(zhì)量壓縮功減小，二者綜合作用的結(jié)果使得壓縮機(jī)耗功隨著蒸發(fā)溫度升高，先減小后增大．
從圖 2(d)可以看出混合制冷劑MB85的壓比略低于 HFC245fa．2種工質(zhì)的壓比都隨著冷凝溫度的升高而降低，這樣，在較高冷凝溫度下的壓縮機(jī)效率比較低冷凝溫度下的效率高些．由于混合工質(zhì)MB85的低壓比性能使其更利于壓縮機(jī)運(yùn)行．
從圖 2(e)可以看出，循環(huán)溫升 45,℃混合工質(zhì)MB85的壓縮機(jī)排氣溫度比HFC245fa略高2～3,℃，且隨著冷凝溫度的升高而增加．但是當(dāng)冷凝溫度達(dá)到 100,℃時(shí)，壓縮機(jī)排氣溫度才 103.2,℃，完全處于壓縮機(jī)安全運(yùn)行范圍內(nèi)．
經(jīng)實(shí)驗(yàn)研究可以看出，與課題組前期研究提出的優(yōu)良工質(zhì)HFC245fa相比，混合工質(zhì)MB85雖然存在排溫略高于 HFC245fa的不足，但綜合實(shí)驗(yàn)循環(huán)性能優(yōu)于HFC245fa．
圖2 循環(huán)性能參數(shù)隨冷凝溫度的變化Fig.2 Change of the cycle performance parameters with condensing temperature
4 結(jié) 論
(1) 采用指定工質(zhì)側(cè)溫度的循環(huán)性能對(duì)比實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)研究方法，對(duì)混合工質(zhì)MB85在70～100,℃的冷凝溫度工況范圍內(nèi)進(jìn)行了循環(huán)性能對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究．實(shí)驗(yàn)中，在正常水流量下取得了高于 97,℃的冷凝器出口水溫；在冷凝溫度為 100,℃，循環(huán)溫升為45,℃時(shí)COP為3.83．混合工質(zhì)MB85完全滿(mǎn)足中高溫?zé)岜孟到y(tǒng)的要求．
(2) 新型混合工質(zhì) MB85的實(shí)驗(yàn)循環(huán)性能優(yōu)于HFC245fa，除壓縮機(jī)排氣溫度比 HFC245fa高 2～3,℃外，冷凝溫度在90,℃以上時(shí)，制熱系數(shù)COP、制熱量都高于HFC245fa；壓比比HFC245fa低，綜合循環(huán)性能優(yōu)于HFC245fa．
(3) 新型混合制冷劑 MB85在中高溫?zé)岜霉r下壓力適中，壓縮機(jī)排氣溫度不高，有相對(duì)較高的COP及制熱量，還有在更高溫度空間應(yīng)用的潛力．
［1］ Nakatani K，Ikoma M，Arita K，et al. Development of high-temperature heat pump using alternative mixtures[J]. Natl Tech Rep，1989，35(6)：12-16．
［2］ Liebenberg L，Meyer J P. Potential of the zeotropic mixtures R-22/R-142b in high-temperature heat pump water heaters with capacity modulation[J]. ASHRAE T，1998，104(1)：418-429．
［3］ Smit F J，Meyer J P. Investigation of the potential effect of zeotropic refrigerant mixture on performance of a hot water heat pump[J]. ASHRAE T，1998，104(1)：387-394．
［4］ Honda H，Takamatsu H，Tadata N. Experimental measurements for condensation of downward-flowing R123/R134a in a staggered bundle of horizontal lowfinned tubes with four fin geometries[J]. Int J Refrig，1999，22(8)：615-624．
［5］ 李廷勛，郭開(kāi)華，王如竹，等. 非共沸混合工質(zhì)R22/R141b高溫?zé)岜脤?shí)驗(yàn)研究[J]. 化工學(xué)報(bào)，2002，53(5)：542-545．Li Tingxun，Guo Kaihua，Wang Ruzhu，et al. High temperature heat pump with non-azeotropic refrigerant mixtures[J]. Journal of Chemical Industry and Engineering，2002，53(5)：542-545(in Chinese)．
［6］ 張 宇，王懷信，馬利敏. 一種新型中高溫?zé)岜没旌瞎べ|(zhì)的循環(huán)性能[J]. 制冷學(xué)報(bào)，2005，26(4)：35-39．Zhang Yu，Wang Huaixin，Ma Limin. Cycle performances of a new mixture for moderate and high temperature heat pump[J]. Journal of Refrigeration，2005，26(4)：35-39(in Chinese)．
［7］ 張 宇，王懷信，馬利敏. 一種中高溫?zé)岜没旌瞎べ|(zhì)的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 工程熱物理學(xué)報(bào)，2005，26(6)：924-926．Zhang Yu，Wang Huaixin，Ma Limin. Cycle performances of a mixture for moderate and high temperature heat pump[J]. Journal of Engineering Thermophysics，2005，26(6)：924-926(in Chinese)．
［8］ 王懷信，郭 濤，王繼霄. 幾種中高溫?zé)岜霉べ|(zhì)理論性能研究[J]. 太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，2010，31(5)：592-597．Wang Huaixin，Guo Tao，Wang Jixiao. The theoretical cycle performance of some working fluids for moderate/high temperature heat pump[J]. Acta Energiae Simaris Sinica，2010，31(5)：592-597(in Chinese)．
［9］ Zhang Shengjun，Wang Huaixin，Guo Tao. Evaluation of non-azeotropic mixtures containing HFOs as potential refrigerants in refrigeration and high-temperature heat pump systems[J]. Science China Technological Sciences，2010，53(7)：1855-1861．
［10］ 高 攀，趙 力. 中高溫?zé)岜孟到y(tǒng)循環(huán)工質(zhì)的研究[J]. 暖通空調(diào)，2006，36(1)：24-27．Gao Pan，Zhao Li. Research on cycle working fluids for moderate and high temperature heat pump systems[J].HV&AC，2006，36(1)：24-27(in Chinese)．
［11］ 朱秋蘭，史 琳，韓禮鐘，等. 中高溫?zé)岜眯鹿べ|(zhì)HTR02實(shí)驗(yàn)研究[J]. 工程熱物理學(xué)報(bào)，2005，26(2)：208-210．Zhu Qiulan，Shi Lin，Han Lizhong，et al. Study on new medium-high temperature refrigerant HTR02[J].Journal of Engineering Thermophysics，2005，26(2)：208-210(in Chinese)．
［12］ 馬利敏. 中高溫?zé)岜霉べ|(zhì)的理論與實(shí)驗(yàn)研究[D]. 天津：天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，2006．Ma Limin. Theoretical and Experimental Investigation on Working Fluids for Moderate/High Temperature Heat Pump[D]. Tianjin：School of Mechanical Engineering，Tianjin University，2006(in Chinese).
［13］ 王繼霄. 中高溫?zé)岜霉べ|(zhì)及系統(tǒng)優(yōu)化方法的研究[D].天津：天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，2007．Wang Jixiao. Working Fluids and System Optimization of Moderate/High Temperature Heat Pump [D]. Tianjin：School of Mechanical Engineering，Tianjin University，2007(in Chinese)．
［14］ 王懷信，馬利敏，王繼霄. 工質(zhì)循環(huán)性能對(duì)比實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)方法的改進(jìn)探討[C]//中國(guó)工程熱物理學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)會(huì)議工程熱力學(xué)與能源利用學(xué)術(shù)會(huì)議論文集. 重慶，中國(guó)2006：822-829．Wang Huaixin，Ma Limin，Wang Jixiao. Improved approach for comparatively experimental assessing performances of working fluids[C]// Proceedings of Chinese Society of Engineering Thermophysics on Engineering Thermodynamics and Energy Utilization. Chongqing，China，2006：822-829(in Chinese)．
［15］ 張圣君. 基于 R134a常溫?zé)岜孟到y(tǒng)的中高溫?zé)岜霉べ|(zhì)的研究[D]. 天津：天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，2009．Zhang Shengjun. Working Fluids for the Moderate and High Temperature Heat Pump Based on Conventional R134a Heat Pump System [D]. Tianjin：School of Mechanical Engineering，Tianjin University，2009(in Chinese)．
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王懷信，陳清瑩，潘利生
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近年來(lái)隨著我國(guó)工業(yè)的發(fā)展，能源緊張、環(huán)境污染問(wèn)題已經(jīng)成為人類(lèi)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的一項(xiàng)難題．中高溫?zé)岜眉夹g(shù)可以提高能源利用率，節(jié)約能源．現(xiàn)階段，中高溫?zé)岜眉夹g(shù)的研究集中在尋找適合中高溫?zé)岜霉r的環(huán)境友好型工質(zhì)．早期的研究中曾以CFC11、CFC114為工質(zhì)，隨著環(huán)境保護(hù)受到重視，近期研究中涉及的工質(zhì)則以 HCFCs非共沸混合工質(zhì)為主，Nakatani等[1]對(duì)使用 HCFC-22/HFC-134,a，HCFC-22/HFC-152a，HCFC-22/HCFC-142b 和HCFC-22/HCFC-123作為工質(zhì)的熱泵系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試；Liebenberg等[2]和 Smit等[3]均對(duì) HCFC-22/HCFC-142b混合工質(zhì)進(jìn)行了理論研究；日本新能源工業(yè)技術(shù)開(kāi)發(fā)組織(New Energy and Industrial Technology Development Organization，NEDO)開(kāi)發(fā)的超級(jí)熱泵使用HCFC-123/HFC-134a作為工質(zhì)[4]．在國(guó)內(nèi)，清華大學(xué)、天津大學(xué)、上海交通大學(xué)和中科院廣州能源研究所在中高溫?zé)岜妙I(lǐng)域開(kāi)展過(guò)研究：李廷勛等[5]利用非共沸混合工質(zhì) HCFC-22/HCFC-142b進(jìn)行中高溫?zé)岜脤?shí)驗(yàn)研究，獲得 80,℃的出水溫度；王懷信[6-9]、趙力[10]、史琳[11]等研究了多種混合工質(zhì)的理論計(jì)算，進(jìn)行了部分實(shí)驗(yàn)研究．
目前，蒸汽壓縮式熱泵技術(shù)高溫化研究在熱輸出溫度水平方面受到系統(tǒng)硬件的制約．現(xiàn)階段研究的主要目標(biāo)為，立足于現(xiàn)有常溫?zé)岜孟到y(tǒng)硬件，尋求環(huán)境特性、循環(huán)性能俱優(yōu)的適宜工質(zhì)．
本文以理論篩選出的循環(huán)性能優(yōu)良、樣品可得的混合工質(zhì)MB85為研究對(duì)象，以純質(zhì)HFC245fa(前期研究[12-13]中得出的優(yōu)良工質(zhì))為比較對(duì)象，采用指定工質(zhì)側(cè)參數(shù)的循環(huán)性能對(duì)比實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)研究方法[14]進(jìn)行循環(huán)性能對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究，考察的溫度范圍為冷凝溫度 70～100,℃．
1 新型混合工質(zhì)的提出
根據(jù)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)原則對(duì)由臭氧破壞潛能(ozone depletion potential，ODP)為 0 的 HFCs、HCs物質(zhì)組成的多種混合物，在冷凝溫度 70～100,℃范圍內(nèi)，采用改進(jìn)性能研究方法，進(jìn)行了理論循環(huán)分析，篩選得到了一種由HFCs與HCs組成的二元近共沸混合工質(zhì)MB85(HC600/HFC245fa)．MB85的 ODP為 0，全球變暖潛能(global warming potential，GWP)為 963．蒸發(fā)溫度 tevap＝50,℃、冷凝溫度 tcond＝95,℃、過(guò)熱度 5,℃、過(guò)冷度5,℃的中高溫?zé)岜霉r下的理論循環(huán)性能如表 1所示(指定壓縮機(jī)的氣缸余隙容積系數(shù)取為0.03，電機(jī)效率、機(jī)械效率取為0.85)．
表1 MB85的循環(huán)性能參數(shù)Tab.1 Cycle performance parameters of MB85
表 1中：pcond為冷凝壓力；Pr為壓比；tdis為壓縮機(jī)排氣溫度；Qm為單位質(zhì)量制熱量；Qv為單位容積制熱量；COP為性能系數(shù)；Δtevap為蒸發(fā)器溫度滑移；Δtcond為冷凝器溫度滑移．
由表 1可見(jiàn)，從壓力水平看，MB85的壓力較HFC245fa略高，但遠(yuǎn)低于常規(guī)空調(diào)、熱泵系統(tǒng)設(shè)備可承受的壓力上限；從循環(huán)性能方面看，MB85的COP較 HFC245fa略高，在節(jié)能方面有一定的潛力；單位質(zhì)量工質(zhì)制熱量 Qm大于 HFC245fa；Qv大于HFC245fa，有利于壓縮機(jī)小型化；壓比較 HFC245fa略小，有利于提高壓縮機(jī)的性能；排氣溫度也比HFC245fa略高．蒸發(fā)器和冷凝器中的相變溫度滑移分別為 0.76,℃和 0.13,℃．由以上分析可以看出，有必要對(duì)新工質(zhì)MB85進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究．
2 循環(huán)性能實(shí)驗(yàn)研究
在水-水熱泵實(shí)驗(yàn)臺(tái)上對(duì)新混合工質(zhì) MB85，采用指定工質(zhì)側(cè)參數(shù)的循環(huán)性能對(duì)比實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)研究方法[13]進(jìn)行循環(huán)性能對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究．
2.1 實(shí)驗(yàn)裝置
圖1為實(shí)驗(yàn)裝置示意．圖中虛線(xiàn)表示工質(zhì)回路，實(shí)線(xiàn)表示載熱流體回路；冷凝器與蒸發(fā)器的載熱流體均為水．、分別為溫度、壓力測(cè)點(diǎn)．壓縮機(jī)為HFC134a全封閉活塞式壓縮機(jī)(丹佛斯美優(yōu)樂(lè)，MTZ22JC4AVE)，除載熱流體進(jìn)出口溫度由玻璃溫度計(jì)測(cè)量外，其余各處工質(zhì)和載熱流體的溫度，均由銅-康銅熱電偶測(cè)量并由 FLUKE公司的 NetDAQ數(shù)據(jù)采集器連接計(jì)算機(jī)采集(經(jīng)標(biāo)定，測(cè)量誤差小于0.2,℃)．蒸發(fā)器和冷凝器載熱流體流量由渦輪流量計(jì)(1級(jí))測(cè)得．三相功率表(0.2級(jí))測(cè)量壓縮機(jī)的電機(jī)輸入功率．工質(zhì)側(cè)流量由科里奧利質(zhì)量流量計(jì)(DMF-1-3)測(cè)得．關(guān)于系統(tǒng)和測(cè)量?jī)x表的詳細(xì)說(shuō)明見(jiàn)文獻(xiàn)[15]．
2.2 實(shí)驗(yàn)方法
為提高以同一實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行不同工質(zhì)對(duì)比實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)的客觀性[12]，采用指定工質(zhì)側(cè)參數(shù)(蒸發(fā)溫度、冷凝溫度、過(guò)熱度、過(guò)冷度)與蒸發(fā)器和冷凝器載熱流體流量的實(shí)驗(yàn)方式．通過(guò)調(diào)整蒸發(fā)器和冷凝器載熱流體進(jìn)口溫度來(lái)控制、調(diào)節(jié)工質(zhì)的蒸發(fā)溫度和冷凝溫度，通過(guò)熱力膨脹閥設(shè)定過(guò)熱度，過(guò)冷度為5,℃左右．
考慮冷凝器與蒸發(fā)器中工質(zhì)流動(dòng)壓降和非共沸混合工質(zhì)相變溫度滑移的影響，實(shí)驗(yàn)中取蒸發(fā)溫度為工質(zhì)在蒸發(fā)器進(jìn)口處的溫度與露點(diǎn)的平均值，冷凝溫度取為工質(zhì)在冷凝器中的露點(diǎn)與泡點(diǎn)的平均值．
2.3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容
通過(guò)調(diào)節(jié)水側(cè)參數(shù)，對(duì)混合工質(zhì) MB85，控制蒸發(fā)溫度在 40～55,℃范圍內(nèi)變化，相應(yīng)的冷凝溫度從70,℃變化至 100,℃，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究；對(duì)于工質(zhì)HFC245fa，保證循環(huán)溫升在 45,℃左右，冷凝溫度以5,℃左右的間隔從 85,℃改變到 100,℃，進(jìn)行對(duì)照實(shí)驗(yàn)研究．
圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意Fig.1 Experimental setup
3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論
循環(huán)性能對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果見(jiàn)圖 2，其中 COP由制熱量/壓縮機(jī)輸入功率(P)得到，前者由冷凝器水流量、進(jìn)出口水溫差得出，也可以通過(guò)工質(zhì)進(jìn)出口焓差及工質(zhì)質(zhì)量流量得出；后者由功率表直接讀?。?/p>
如圖 2(a)所示，當(dāng)冷凝溫度大于 90,℃時(shí)，在相同的冷凝溫度和 45,℃左右的循環(huán)溫升下，混合工質(zhì)MB85的制熱系數(shù)COP高于HFC245fa，當(dāng)冷凝溫度小于 90,℃時(shí)，由于缺乏數(shù)據(jù)不能準(zhǔn)確說(shuō)明 2種工質(zhì)制熱系數(shù) COP的大小，但從已有的數(shù)據(jù)可以看出，2種工質(zhì)制熱系數(shù)COP相差不大．相同的蒸發(fā)溫度下，混合工質(zhì)MB85的制熱系數(shù)COP隨著冷凝溫度的升高而減?。诶淠郎囟葹?00,℃，循環(huán)溫升45,℃時(shí)COP為3.83．
實(shí)測(cè)COP遠(yuǎn)小于理論COP值．這主要是由于硬件方面的原因及存在各種損失．一是理論計(jì)算采用指定壓縮機(jī)效率的方法，實(shí)驗(yàn)中由于各種損失，所用壓縮機(jī)效率低于指定的效率；二是冷凝器中環(huán)路截面積過(guò)小導(dǎo)致工質(zhì)壓降過(guò)大．這一缺陷雖影響各工質(zhì)COP的絕對(duì)值，卻不妨礙不同工質(zhì)的對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究，可以理解為系統(tǒng)偏差．損失因素主要是熱量的散失，實(shí)驗(yàn)是在高溫工況下進(jìn)行的，冷凝器、壓縮機(jī)與環(huán)境間的溫差較大，由于保溫不夠造成的蒸發(fā)器、冷凝器、壓縮機(jī)的熱量散失較大．
從圖 2(b)可以看出，當(dāng)循環(huán)溫升不變時(shí)，2種工質(zhì)的制熱量都隨著冷凝溫度的升高而增大．冷凝溫度在 90,℃以上時(shí)，混合工質(zhì) MB85的制熱量明顯高于HFC245fa，高出約353～653,W左右，而壓縮機(jī)耗功比 HFC245fa僅高出 89～132,W．說(shuō)明混合工質(zhì)MB85具有更強(qiáng)的制熱能力．
如圖 2(c)所示，在相同的冷凝溫度和循環(huán)溫升下，混合工質(zhì) MB85的耗功高于 HFC245fa．在同一蒸發(fā)溫度下，隨著冷凝溫度的增大混合工質(zhì) MB85的壓縮機(jī)耗功逐漸增大．而同一冷凝溫度下，混合工質(zhì) MB85的壓縮機(jī)耗功隨著蒸發(fā)溫度的增大先減小而后增大．這是因?yàn)橄嗤淠郎囟?，隨著蒸發(fā)溫度升高，壓縮機(jī)吸氣比容減小，工質(zhì)的質(zhì)量流量增加；而單位質(zhì)量壓縮功減??；工質(zhì)的質(zhì)量流量增加與單位質(zhì)量壓縮功減小，二者綜合作用的結(jié)果使得壓縮機(jī)耗功隨著蒸發(fā)溫度升高，先減小后增大．
從圖 2(d)可以看出混合制冷劑MB85的壓比略低于 HFC245fa．2種工質(zhì)的壓比都隨著冷凝溫度的升高而降低，這樣，在較高冷凝溫度下的壓縮機(jī)效率比較低冷凝溫度下的效率高些．由于混合工質(zhì)MB85的低壓比性能使其更利于壓縮機(jī)運(yùn)行．
從圖 2(e)可以看出，循環(huán)溫升 45,℃混合工質(zhì)MB85的壓縮機(jī)排氣溫度比HFC245fa略高2～3,℃，且隨著冷凝溫度的升高而增加．但是當(dāng)冷凝溫度達(dá)到 100,℃時(shí)，壓縮機(jī)排氣溫度才 103.2,℃，完全處于壓縮機(jī)安全運(yùn)行范圍內(nèi)．
經(jīng)實(shí)驗(yàn)研究可以看出，與課題組前期研究提出的優(yōu)良工質(zhì)HFC245fa相比，混合工質(zhì)MB85雖然存在排溫略高于 HFC245fa的不足，但綜合實(shí)驗(yàn)循環(huán)性能優(yōu)于HFC245fa．
圖2 循環(huán)性能參數(shù)隨冷凝溫度的變化Fig.2 Change of the cycle performance parameters with condensing temperature
4 結(jié) 論
(1) 采用指定工質(zhì)側(cè)溫度的循環(huán)性能對(duì)比實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)研究方法，對(duì)混合工質(zhì)MB85在70～100,℃的冷凝溫度工況范圍內(nèi)進(jìn)行了循環(huán)性能對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究．實(shí)驗(yàn)中，在正常水流量下取得了高于 97,℃的冷凝器出口水溫；在冷凝溫度為 100,℃，循環(huán)溫升為45,℃時(shí)COP為3.83．混合工質(zhì)MB85完全滿(mǎn)足中高溫?zé)岜孟到y(tǒng)的要求．
(2) 新型混合工質(zhì) MB85的實(shí)驗(yàn)循環(huán)性能優(yōu)于HFC245fa，除壓縮機(jī)排氣溫度比 HFC245fa高 2～3,℃外，冷凝溫度在90,℃以上時(shí)，制熱系數(shù)COP、制熱量都高于HFC245fa；壓比比HFC245fa低，綜合循環(huán)性能優(yōu)于HFC245fa．
(3) 新型混合制冷劑 MB85在中高溫?zé)岜霉r下壓力適中，壓縮機(jī)排氣溫度不高，有相對(duì)較高的COP及制熱量，還有在更高溫度空間應(yīng)用的潛力．
［1］ Nakatani K，Ikoma M，Arita K，et al. Development of high-temperature heat pump using alternative mixtures[J]. Natl Tech Rep，1989，35(6)：12-16．
［2］ Liebenberg L，Meyer J P. Potential of the zeotropic mixtures R-22/R-142b in high-temperature heat pump water heaters with capacity modulation[J]. ASHRAE T，1998，104(1)：418-429．
［3］ Smit F J，Meyer J P. Investigation of the potential effect of zeotropic refrigerant mixture on performance of a hot water heat pump[J]. ASHRAE T，1998，104(1)：387-394．
［4］ Honda H，Takamatsu H，Tadata N. Experimental measurements for condensation of downward-flowing R123/R134a in a staggered bundle of horizontal lowfinned tubes with four fin geometries[J]. Int J Refrig，1999，22(8)：615-624．
［5］ 李廷勛，郭開(kāi)華，王如竹，等. 非共沸混合工質(zhì)R22/R141b高溫?zé)岜脤?shí)驗(yàn)研究[J]. 化工學(xué)報(bào)，2002，53(5)：542-545．Li Tingxun，Guo Kaihua，Wang Ruzhu，et al. High temperature heat pump with non-azeotropic refrigerant mixtures[J]. Journal of Chemical Industry and Engineering，2002，53(5)：542-545(in Chinese)．
［6］ 張 宇，王懷信，馬利敏. 一種新型中高溫?zé)岜没旌瞎べ|(zhì)的循環(huán)性能[J]. 制冷學(xué)報(bào)，2005，26(4)：35-39．Zhang Yu，Wang Huaixin，Ma Limin. Cycle performances of a new mixture for moderate and high temperature heat pump[J]. Journal of Refrigeration，2005，26(4)：35-39(in Chinese)．
［7］ 張 宇，王懷信，馬利敏. 一種中高溫?zé)岜没旌瞎べ|(zhì)的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 工程熱物理學(xué)報(bào)，2005，26(6)：924-926．Zhang Yu，Wang Huaixin，Ma Limin. Cycle performances of a mixture for moderate and high temperature heat pump[J]. Journal of Engineering Thermophysics，2005，26(6)：924-926(in Chinese)．
［8］ 王懷信，郭 濤，王繼霄. 幾種中高溫?zé)岜霉べ|(zhì)理論性能研究[J]. 太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，2010，31(5)：592-597．Wang Huaixin，Guo Tao，Wang Jixiao. The theoretical cycle performance of some working fluids for moderate/high temperature heat pump[J]. Acta Energiae Simaris Sinica，2010，31(5)：592-597(in Chinese)．
［9］ Zhang Shengjun，Wang Huaixin，Guo Tao. Evaluation of non-azeotropic mixtures containing HFOs as potential refrigerants in refrigeration and high-temperature heat pump systems[J]. Science China Technological Sciences，2010，53(7)：1855-1861．
［10］ 高 攀，趙 力. 中高溫?zé)岜孟到y(tǒng)循環(huán)工質(zhì)的研究[J]. 暖通空調(diào)，2006，36(1)：24-27．Gao Pan，Zhao Li. Research on cycle working fluids for moderate and high temperature heat pump systems[J].HV&AC，2006，36(1)：24-27(in Chinese)．
［11］ 朱秋蘭，史 琳，韓禮鐘，等. 中高溫?zé)岜眯鹿べ|(zhì)HTR02實(shí)驗(yàn)研究[J]. 工程熱物理學(xué)報(bào)，2005，26(2)：208-210．Zhu Qiulan，Shi Lin，Han Lizhong，et al. Study on new medium-high temperature refrigerant HTR02[J].Journal of Engineering Thermophysics，2005，26(2)：208-210(in Chinese)．
［12］ 馬利敏. 中高溫?zé)岜霉べ|(zhì)的理論與實(shí)驗(yàn)研究[D]. 天津：天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，2006．Ma Limin. Theoretical and Experimental Investigation on Working Fluids for Moderate/High Temperature Heat Pump[D]. Tianjin：School of Mechanical Engineering，Tianjin University，2006(in Chinese).
［13］ 王繼霄. 中高溫?zé)岜霉べ|(zhì)及系統(tǒng)優(yōu)化方法的研究[D].天津：天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，2007．Wang Jixiao. Working Fluids and System Optimization of Moderate/High Temperature Heat Pump [D]. Tianjin：School of Mechanical Engineering，Tianjin University，2007(in Chinese)．
［14］ 王懷信，馬利敏，王繼霄. 工質(zhì)循環(huán)性能對(duì)比實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)方法的改進(jìn)探討[C]//中國(guó)工程熱物理學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)會(huì)議工程熱力學(xué)與能源利用學(xué)術(shù)會(huì)議論文集. 重慶，中國(guó)2006：822-829．Wang Huaixin，Ma Limin，Wang Jixiao. Improved approach for comparatively experimental assessing performances of working fluids[C]// Proceedings of Chinese Society of Engineering Thermophysics on Engineering Thermodynamics and Energy Utilization. Chongqing，China，2006：822-829(in Chinese)．
［15］ 張圣君. 基于 R134a常溫?zé)岜孟到y(tǒng)的中高溫?zé)岜霉べ|(zhì)的研究[D]. 天津：天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，2009．Zhang Shengjun. Working Fluids for the Moderate and High Temperature Heat Pump Based on Conventional R134a Heat Pump System [D]. Tianjin：School of Mechanical Engineering，Tianjin University，2009(in Chinese)．
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