范曉偉 張仙平 王鳳坤 沈恒根 陳圣光

(1 中原工學院能源與環(huán)境學院 鄭州 450007；2 東華大學環(huán)境科學與工程學院 上海 201620；3 河南工程學院土木工程系 鄭州 450007)

隨著國際上對合成工質替代進程的不斷加快，以及發(fā)展節(jié)能減排新技術的迫切需要，天然混合工質在熱泵中的研究和應用備受關注。通過對純工質有目的的混合，可以得到熱力學性質優(yōu)良的混合工質。優(yōu)秀的混合工質一般比純工質組分能耗小、壓比低、排氣溫度低、標準蒸發(fā)溫度低。非共沸混合工質還可實現(xiàn)非等溫換熱，減少溫差傳熱引起的不可逆損失，表現(xiàn)出獨特的節(jié)能特點。熱泵作為一種高效節(jié)能技術，在能源與環(huán)境保護方面具有獨特的優(yōu)勢。我國的熱泵研究開始于上世紀八十年代，近些年，在有關政策引導及支持下，熱泵在建筑供熱空調和工業(yè)用熱領域應用日趨增多。然而，目前熱泵中采用的工質主要是R22、R134a、R410A和R407C，這些合成工質雖然對大氣臭氧層幾乎沒有破壞作用，但其溫室效應指數(shù)均很高。按照《京都議定書》對全球消減溫室氣體排放制定的嚴格目標，這些工質只能是過渡選擇，不可能被長期使用。在這種情況下，自然工質包括R744、R290、R600、R600a、NH3、空氣、水等又重新受到重視[1]。自然工質R744環(huán)保(ODP=0，GWP=1)、易獲取、安全、無毒、不可燃、具有優(yōu)良的熱物理性質，跨臨界循環(huán)變溫放熱可以與變溫熱源較好配合，實現(xiàn)常規(guī)熱泵難以達到的高溫供熱。但與傳統(tǒng)的氟利昂類工質相比，R744跨臨界循環(huán)系統(tǒng)的壓力較高，高壓側壓力將達到10MPa以上；且R744系統(tǒng)的能效比仍相對較低。自然工質中另一種很有潛力的替代工質是碳氫類工質HCs，如丙烷R290、丁烷R600和異丁烷R600a等。此類工質能量效率高、與原制冷系統(tǒng)兼容性好，但突出的缺點是易燃、易爆帶來的安全性問題。目前，它們多用于家用冰箱、汽車空調、冷柜等小型制冷器[2]。基于R744與HCs各自特點，一些學者嘗試將R744與HCs相混合組成非共沸混合工質，取長補短。一方面與純R744工質熱泵系統(tǒng)相比，混合工質不僅在冷凝器中，而且在蒸發(fā)器中也可以實現(xiàn)與載熱流體間溫度滑移的良好匹配，有效提高系統(tǒng)效率；而且高壓側壓力將隨著HCs濃度的增加而降低，可使系統(tǒng)運行更為安全，另一方面與純質HCs相比，混合工質中的R744可以有效抑制HCs的可燃可爆性，從而增強系統(tǒng)運行的安全性。

Kim和Kim[3]提出將R744/R290混合工質用于自復疊制冷系統(tǒng)的工質。Cho, Kim和 Kim[4]實驗研究了R744/R290在不同質量配比下水平和垂直流經光管和微肋管內沸騰換熱和阻力特性。Sarkar等人[5]理論研究了R744/R600和R744/R600a應用于放熱側出水溫度分別為73℃和100℃的中高溫熱泵的系統(tǒng)性能變化規(guī)律。牛寶聯(lián)、張于峰[6]將R744/R290按71/29摩爾成分配比以代替冰柜系統(tǒng)所用的工質R13。顏俊等[7]對R600a/R744和R290/R744(R744質量配比：0.2～0.5)自復疊制冷系統(tǒng)進行了模擬研究。沈永年等[8]研究了自復疊制冷系統(tǒng)中應用于230K溫區(qū)的碳氫類工質(R290、R600a、R170)和CO2相混合的種類、配比及變環(huán)境工況技術措施。彭勃和徐士鳴[9]采用數(shù)值模擬方法計算了R744/R290和R744/R600a(R744摩爾分數(shù)：0.1～0.8)兩種混合自然工質自復疊制冷系統(tǒng)的循環(huán)性能和影響因素。張仙平等[10-11]基于多年來對R744熱泵系統(tǒng)研究的擴展，依據(jù)熱泵方面的國家標準，設定工況條件，探討R744/R600及R744/R600a熱泵系統(tǒng)中不同配比的循環(huán)性能狀況，為R744天然混合工質熱泵系統(tǒng)的設計與應用提供理論指導。

1 熱力學分析模型

1.1 模型建立

圖1表示了用R744/R600和R744/R600a做制冷劑的熱泵系統(tǒng)流程圖，相應的溫熵圖如圖2所示。熱泵循環(huán)由1-2壓縮過程、2-3-4等壓冷凝過程、4-5等焓節(jié)流過程、5-6-1等壓蒸發(fā)過程等組成，其中6-1為過熱過程，7點為蒸發(fā)壓力下的泡點溫度，蒸發(fā)過程5-6-1和冷凝過程2-3-4均為變溫過程。上部虛線a-b為熱匯變化曲線，下部虛線g-h為熱源變化曲線。

在熱力循環(huán)計算過程中，考慮蒸發(fā)器和冷凝器中的換熱過程中傳熱窄點溫差的作用。以冷凝器為例，已知熱匯進口溫度，則工質出口溫度等于熱匯進口溫度與最小換熱溫差之和，經過循環(huán)計算和迭代計算，最終確定工質進口溫度。冷凝器中每一處熱匯和工質的溫差均滿足下式：

圖2 亞臨界非共沸混合制冷劑熱泵系統(tǒng)T-s圖Fig.2 T-s diagram of a subcritical heating system using zeotropic mixture as a refrigerant

混合工質亞臨界循環(huán)的各性能指標計算公式如下：

單位質量制熱量

單位容積制熱量

單位功耗

制熱系數(shù)

1.2 模型計算假設

為簡化熱力計算，作出以下假設：

1)假設冷凝器出口工質為飽和液體狀態(tài)；2)忽略制冷劑在各換熱設備、連接管路中的壓降；3)忽略系統(tǒng)和周圍環(huán)境間的散熱損失；4)壓縮過程絕熱但不等熵，等熵效率取0.7；5)各組分工質為純工質，忽略潤滑油對工質或混合工質熱物性的影響；6)蒸發(fā)器和冷凝器中的最小傳熱溫差取7℃；7)壓縮機的吸氣過熱度取10℃。

基于以上假設和分析，利用EES開發(fā)程序[12]，其中混合工質的熱力參數(shù)利用接口程序調用美國NIST開發(fā)的工質及混合物物性軟件(NIST REFPROP VERSION 8.0)得到[13-14]。

1.3 計算工況選擇

根據(jù)國家標準《家用和類似用途熱泵熱水器》的要求[15]，設定熱匯進口和出口溫度分別為17℃和65℃，熱源進口溫度為20℃，出口溫度為4℃。

當混合制冷劑中R744的質量配比大于90%時，此時R744/R600和R744/R600a的臨界溫度分別低于40.95℃和39.63℃，要獲得65℃的熱水出水溫度，并保證最小傳熱溫差，只能采用跨臨界循環(huán)，因此混合制冷劑中R744的配比范圍取為0～90%。

2 結果與討論

2.1 純R22、R600、R600a和R744計算結果

為了便于比較，在相同的工況范圍和計算條件下，計算了純R22、R600、R600a和R744制冷劑的循環(huán)特性，如表1所示。其中純R744熱泵系統(tǒng)采用跨臨界循環(huán)，表中所列R744各性能參數(shù)為最優(yōu)高壓側壓力下的結果。

表1 純工質R22、R600、R600a和R744的系統(tǒng)性能參數(shù)比較Tab.1 Performance comparison for pure refrigerants R22,R600, R600a and R744

2.2 混合工質配比對COPh的影響

圖3 混合工質配比與制熱COPh的關系Fig.3 Variation of COPh with mass fraction of R744

圖3表示了混合工質不同質量配比下熱泵系統(tǒng)制熱性能系數(shù)的變化狀況?？梢钥闯?，隨著混合工質中R744質量配比的增加，COPh先快速增加，達到峰值后再逐漸降低，并在高于60%后略有波動的趨勢。當R744/R600配比為6/94時，系統(tǒng)的COPh取得最大值為3.955；而R744/R600a系統(tǒng)的COPh最大值為3.823，工質配比為9/91。混合工質R744/R600和R744/R600a系統(tǒng)的最大COPh分別比純工質R600和R600a增加36.43%和36.24%，比R22系統(tǒng)分別增大11.98%和8.24%，比跨臨界R744系統(tǒng)分別增大7.07%和4.71%。

圖4 混合工質配比與單位質量制熱量和功耗的關系Fig.4 Variation of unit mass heating capacity and compressor power with mass fraction of R744

在COPh增加階段，制熱量呈增加而壓縮機功耗呈減小的趨勢，如圖4所示；隨后，COPh又開始下降，因為制熱量的增加變得緩慢，而壓縮機功耗線性增加，此階段R744/R600a的COPh稍大；R744的配比增加到50%時，COPh基本保持不變；R744的配比在80%～90%范圍內變化時，COPh呈先小幅減小又小幅上升的變化趨勢。

考慮到混合制冷劑系統(tǒng)的COPh要與R22系統(tǒng)的COPh相當，余下各圖中混合制冷劑的R744配比范圍僅考慮在0～40%范圍。

2.3 工質配比對冷凝和蒸發(fā)壓力的影響

圖5 混合工質配比與冷凝壓力、蒸發(fā)壓力和壓比的關系Fig.5 Variation of condensation, evaporation pressure and pressure ratio with mass fraction of R744

圖5表示了混合工質中R744的質量配比與冷凝壓力、蒸發(fā)壓力和壓比的關系，可以看出，隨著混合工質中R744配比的增加，冷凝壓力逐漸升高，R744/R600和R744/R600a的冷凝壓力差別不大。在最優(yōu)配比下，即在壓比r的下拐點處，系統(tǒng)COPh最大，此時，R744/R600的冷凝壓力為0.8371MPa，R744/R600a的冷凝壓力為1.175MPa，低于R22的冷凝壓力，遠低于純質跨臨界R744系統(tǒng)的最優(yōu)壓力，但比純質R600和R600a的冷凝壓力稍大，如前表1所示。R744的配比較小時，兩種混合工質的蒸發(fā)壓力差別不大，隨著R744配比的增大，R744/R600a的蒸發(fā)壓力略大于R744/R600的蒸發(fā)壓力。壓比r的變化趨勢如圖中所示，隨著R744配比的增加，有一個極小值，在R744配比為30%左右時，r出現(xiàn)極大值。在制熱COPh最大的配比區(qū)間內，壓比的值相對較低。

2.4 工質配比對容積制熱量和排氣溫度的影響

圖6 混合工質配比與單位容積制熱量和排氣溫度的關系Fig.6 Variation of volumetric heating capacity and discharge temperature with mass fraction of R744

混合工質配比和容積制熱量及排氣溫度的關系如圖6所示，隨著R744配比的增加，容積制熱量呈線性增加趨勢，這意味著同樣工況條件下，壓縮機的體積越來越緊湊。壓縮機排氣溫度隨著R744配比的增加，出現(xiàn)先增加后減小的趨勢。在最優(yōu)制熱COPh范圍內，兩種混合工質的排氣溫度均在90℃以下，低于R22的排氣溫度，利于系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。

2.5 吸氣過熱度對最佳配比及系統(tǒng)性能的影響

圖7 吸氣過熱度tdsh對R744/R600熱泵系統(tǒng)性能的影響Fig.7 Variation of suction degree of superheat with COPh for R744/R600

圖8 吸氣過熱度tdsh對R744/R600a熱泵系統(tǒng)性能的影響Fig.8 Variation of suction degree of superheat with COPh for R744/R600a

壓縮機入口工質一般要保持適當?shù)倪^熱度，以免壓縮機內出現(xiàn)液體，造成液擊現(xiàn)象。不同工質和不同的工況條件下，吸氣過熱度對系統(tǒng)性能的影響不盡相同，有的工質過熱度增加有利于提高系統(tǒng)COPh，有的工質則相反。因此，有必要探討吸氣過熱度對R744/R600和R744/R600a兩種工質系統(tǒng)性能的影響。在常用過熱度附近選取5組不同過熱度進行計算，計算結果分別如圖7、圖8所示。隨著過熱度的增加，兩種工質的制熱COPh均呈下降趨勢。原因在于，為了在蒸發(fā)器和冷凝器中保持設定的最小傳熱溫差，混合工質的平均蒸發(fā)溫度隨著過熱度的增加而下降，因而導致制熱COPh下降。過熱度從0變化到20℃，R744/R600和R744/R600a的COPh分別下降了16%和18%。因此，在設定工況下，過熱度不宜過大，建議在5～10℃范圍內。從圖中還可以看出，過熱度越大，最優(yōu)配比越小。在所研究過熱度范圍內，高于R22熱泵系統(tǒng)COPh的R744/R600的最優(yōu)配比范圍在5%～8%，R744/R600a的最優(yōu)配比范圍為8%～10%。

3 結論

對R744/R600和R744/R600a非共沸混合工質應用于中高溫熱泵的亞臨界循環(huán)特性進行了分析，在設定工況下，得出以下結論：

1)R744/R600及R744/R600a的最佳制熱性能系數(shù)比工質R22分別提高11.98%和8.24%，比純質R600和R600a大36.43%和36.24%，比跨臨界循環(huán)R744系統(tǒng)增大7.07%和4.71%。

2)最優(yōu)配比下R744/R600和R744/R600a系統(tǒng)的冷凝壓力分別為0.84MPa和1.18MPa，低于R22系統(tǒng)的冷凝壓力，排氣溫度均在90℃以下，低于R22系統(tǒng)，壓比略高于R22系統(tǒng)。

3)過熱度對混合工質的最優(yōu)配比和COPh均有影響。隨著過熱度的增加，兩種混合工質COPh均呈下降趨勢。建議R744/R600和R744/R600a系統(tǒng)的過熱度限制在5～10℃范圍內。

本文受河南省重點科技攻關項目資助(1021022102 53)。(The project was supported by Henan Province Key Scienti fi c and Technological Project (No.102102210253).)

符號說明

COP 性能系數(shù)，無量綱 希臘字母h 焓，kkJJ//kkgg P 壓力，PPaa PP 最小溫差，℃q 制熱量，kkJJ//kkgg 1-7 制冷劑狀態(tài)點s 熵，kkJJ// (kg. K) a,b,g,h 換熱介質狀態(tài)點r 壓比，無量綱 c 冷凝器T 溫度， KK dsh 過熱度t 溫度，℃ h 加熱w 壓縮機功耗，kkJJ//kkgg s 等熵υ 比容， mm3/kg η 等熵效率, 無量綱下角標

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