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(1.中原工學院 能源與環(huán)境學院,河南 鄭州 450007;2.河南工程學院 土木工程學院，河南 鄭州 450007)

加入少量R290對R744熱泵熱水器性能變化的模擬分析

范曉偉1，張曉靜1，張仙平2，王方1

(1.中原工學院 能源與環(huán)境學院,河南 鄭州 450007;2.河南工程學院 土木工程學院，河南 鄭州 450007)

本文針對R744熱泵熱水器系統(tǒng)，考慮系統(tǒng)部件結構參數(shù)，建立了系統(tǒng)仿真模型。利用該模型分析了加入少量R290對R744熱泵熱水器系統(tǒng)性能變化的影響，發(fā)現(xiàn)當加入3%的R290時，相比純R744裝置，系統(tǒng)性能最優(yōu)，其系統(tǒng)制熱系數(shù)略有增加，最優(yōu)放熱側壓力稍有降低，并預測分析了該配比下，熱匯水出水溫度為45℃、50℃、55℃、60℃、65℃時系統(tǒng)主要循環(huán)性能。結果表明，在純質R744中加入少量R290組成混合工質既可以提高系統(tǒng)循環(huán)性能，又能降低系統(tǒng)放熱側壓力。

R744；R290;熱泵熱水器；仿真模型；系統(tǒng)循環(huán)性能

0 引言

二氧化碳(R744)與碳氫化合物(HCs)屬環(huán)境友好型天然工質，已逐步成為替代傳統(tǒng)鹵代烴HCFCs,HFCs類制冷劑的最有潛力的替代工質。但純R744工質跨臨界循環(huán)工作壓力過高，純HCs工質可燃性極強，這些限制了各自的應用。若將兩者混合使用，既可降低工作壓力，又可提高安全性能，實現(xiàn)揚長避短、優(yōu)勢互補。因此R744/HCs非共沸混合工質應用于熱泵系統(tǒng)引起一些學者的關注[1]。

Kim等人[2]對R744/R290二元混合物跨臨界制冷循環(huán)進行了若干工況試驗研究，結果發(fā)現(xiàn)當R744/R290二元混合物的質量配比為60/40、75/25和85/15時，相比純R744系統(tǒng)其性能系數(shù)COP分別提高了12.5%、12.8%和8%。Sarkar等[3]對分別采用R744、R290、R600a和R717四種工質的熱泵系統(tǒng)循環(huán)性能進行了模擬計算，結果發(fā)現(xiàn)，在跨臨界循環(huán)中，影響最優(yōu)排氣壓力的因素相同且變化規(guī)律相似，其主要影響因素由影響程度高低排列依次為氣冷器的出口溫度、蒸發(fā)溫度、過熱度，且蒸發(fā)溫度對最優(yōu)排氣壓力的影響隨著氣冷器的出口溫度的降低而減小，其中在將30℃空氣或冷水加熱到100℃的低溫熱泵方面,工質R290具有明顯的優(yōu)勢。范曉偉[4]等對R744混合工質(R744/R290、R744/R600、R744/R600a)制冷系統(tǒng)進行了熱力學分析,發(fā)現(xiàn)采用R744混合工質可以有效地改善純R744系統(tǒng)存在的不足，其中R744/R290的COP值較R744/R600高出33%～41%，較R744/R600a高出25%～32%。張仙平[5]圍繞R744混合工質第二組分的優(yōu)選與R744混合工質在熱泵工況下的系統(tǒng)性能進行了研究，并搭建了R744/R290混合工質熱泵試驗裝置，通過試驗表明：第二組分的加入降低了放熱側的壓力；當R290的配比為5%時，在熱匯出水溫度為65℃、55℃，系統(tǒng)的制熱COP相比純R744熱泵分別提高4.9%、4.3%。

到目前為止，有關R744/R290混合工質應用于普通熱泵的研究還較少，考慮結構參數(shù)的系統(tǒng)仿真研究尚未公開報道。本文考慮系統(tǒng)結構參數(shù)建立了R744熱泵熱水器系統(tǒng)模擬模型，利用該模型分析了加入0～10%的R290組成混合工質對系統(tǒng)性能變化的影響。

1 熱泵系統(tǒng)模型的建立

本文所研究的熱泵系統(tǒng)由氣體冷卻器(以下簡稱氣冷器)、蒸發(fā)器、壓縮機和節(jié)流裝置等部件組成，下面將對各部件的模型予以說明。

1.1 氣冷器模型

熱泵系統(tǒng)的氣冷器為套管式換熱器，其中制冷工質在氣冷器的內管內部流動，熱匯水在內管外管管間流動。采用分布參數(shù)模型來考慮沿程物性的變化，計算中設定氣冷器與外界之間絕熱，模型為一維分布參數(shù)模型。其微元段劃分如圖1所示，微元示意圖如圖2所示。

圖1 氣冷器微元段劃分示意圖

圖2 氣冷器i微元段示意圖

1.1.1 傳熱計算公式

對第i個微元段建立能量方程

KridAiΔti=

(1)

(2)

(3)

式中m——質量流量/kg·s-1；

K——總的傳熱系數(shù)/W·m-2·℃-1;

A——換熱面積/m2；

Δti——對數(shù)平均換熱溫差/℃;

Cp——定壓比熱容/J·kg-1·℃；

hr、hw——混合工質側、水側換熱系數(shù)/W·m-2·℃-1；

di、do——內管內徑、外徑/m；

λ——銅管的導熱系數(shù)/W·m-1·℃-1；

下標 i——第i個微元段;

gc——氣冷器;

w——水;

r——混合工質。

通過以上方程可求解出制冷工質和換熱流體的出口狀態(tài)參數(shù)及換熱器內的溫度分布。模型中的熱匯水側及制冷工質側(單相)的換熱系數(shù)均采用Dittus-Boelter模型[6]

Nu=0.023RemPrn

(4)

式中m=0.8；被加熱時n=0.3；被冷卻時n=0.4。

1.1.2 壓降計算公式

制冷工質側的壓降是由摩擦壓降及加速損失組成(Δp=Δpf+Δpm)，其中摩擦壓降Δpf為

(5)

加速損失Δpm為

(6)

式中,f為摩擦因子，采用應用廣泛的Blasius和Filonenko[7]模型。Re<2×104時f=0.316Re-1/4；Re≥2×104時f=0.184Re-1/5，Ggc,r為制冷工質的質量流量。

1.2 蒸發(fā)器模型

1.2.1 傳熱計算公式

張仙平[5]對蒸發(fā)器換熱計算進行了優(yōu)選，綜合比較分析幾個具有代表性的關聯(lián)式之后，發(fā)現(xiàn)Kandlikar[8]模型與試驗符合較好, 在此選用該換熱關聯(lián)式，具體如下

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

1.2.2 壓降計算公式

壓降關聯(lián)式采用丁國良提出的壓降模型[6]

(12)

式中p1、p2——微元進、出口壓力;

ρ1、ρ2——微元進、出口密度;

f——摩擦因子,f的計算用Churchill方程[9-11]。

1.3 其它部件模型

1.3.1 壓縮機模型

(1)質量流量

(13)

(2)功率

(14)

式中λ——容積效率;

νsuc——吸氣比容;

λcom——等熵效率;

psuc——吸氣壓力;

pd——排氣壓力；

Vh——理論輸氣量;

mk——制冷工質的絕熱指數(shù)。

1.3.2 節(jié)流閥模型

(1)能量方程

hin=hout

(15)

(2)流量方程

(16)

式中ρin——節(jié)流閥進口工質密度;

pin——冷凝進口壓力;

pout——蒸發(fā)出口壓力;

Cval——節(jié)流閥特性常數(shù)。

1.4 系統(tǒng)計算流程

該系統(tǒng)仿真模型遵循質量守恒和能量守恒的平衡條件，把各部件的進、出口狀態(tài)參數(shù)按照系統(tǒng)的流程順序，用制冷劑的溫度、壓力、質量流量、焓等作為傳遞參數(shù)把各部件模型聯(lián)合起來組成了一個系統(tǒng)計算模型，從而計算出整個熱泵系統(tǒng)的運行特性。由于蒸發(fā)溫度和泠凝壓力決定著系統(tǒng)的運行狀況，因此在模擬計算中將兩者作為迭代變量，迭代判據(jù)為制冷劑流量相等和合理的過熱度，迭代算法采用二分法。該模型程序的編寫采用EES軟件(Engineering Equation Solver)，其物性通過EES-REFPROP接口程序調用美國NIST軟件REFPROP得到。其程序流程圖如圖3所示。

圖3 R744熱泵熱水器系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)仿真算法流程圖

2 系統(tǒng)循環(huán)性能模擬分析

2.1 系統(tǒng)工況介紹

本文研究了設計工況下蒸發(fā)溫度為10℃，過熱度為5℃，熱匯水進口溫度為17℃，出口為45℃、50℃、55℃、60℃和65℃，熱源水進口溫度20℃，出口為15℃的R744熱泵熱水器系統(tǒng)，加入0～10%的R290組成混合工質。系統(tǒng)分為3個環(huán)路：混合工質環(huán)路、熱匯水環(huán)路和熱源水環(huán)路。其中壓縮機是單相定頻雙級旋轉式壓縮機，其運行壓力≤13.0 MPa，轉速為2 850 r/min，名義輸入功率是1.0HP(735 W)，容積效率為0.8。蒸發(fā)器和氣冷器均為套管式換熱器,內管材料均是紫銅，外管材料均為鋼管,具體規(guī)格如表1所示。

表1 換熱器的規(guī)格

2.2 系統(tǒng)性能模擬分析

利用以上模型優(yōu)選出熱匯水出水溫度為65℃時，能使R744熱泵熱水器系統(tǒng)性能達到最優(yōu)時的R290加入量，如圖4所示。系統(tǒng)制熱系數(shù)COPh隨著R290質量配比的增加先增加后減小，在3%處取得2.586最大值，相比純R744增加1.02%；最優(yōu)放熱側壓力隨著R290質量配比的增加而減少，在最優(yōu)配比3%工況下，最優(yōu)放熱側壓力為9.5 MPa，相比純R744降低0.6 MPa，對應的降低比率為5.94%。此系統(tǒng)性能隨R290質量配比增加的變化規(guī)律與張仙平實驗結果[5]趨勢一致。

圖4 制熱系數(shù)COPh、最優(yōu)放熱側壓力popt與R290質量配比的變化關系

圖5～圖8為往R744熱泵熱水器系統(tǒng)中加入3% R290工況下，熱匯水出水溫度分別為45℃、50℃、55℃、60℃、65℃，放熱側壓力為7.5～11.0 MPa時系統(tǒng)的主要循環(huán)性能。

圖5 制熱系數(shù)COPh與放熱側壓力pd的變化關系

圖6 單位質量制熱量Qm與放熱側壓力pd的變化關系

由圖5可知，在熱匯水出水溫度分別為45℃、50℃、55℃、60℃、65℃工況下，系統(tǒng)制熱系數(shù)COPh隨著放熱側壓力pd變化趨勢相似，均隨著放熱側壓力pd的增加而先增加后減小，均在最優(yōu)放熱側壓力處出現(xiàn)拐點，取值分別為4.376、3.9、3.301、2.800、2.586，其原因是在拐點左側，隨著放熱側壓力的升高，系統(tǒng)制熱量增加程度高于功耗增加程度，在拐點右側，熱匯水出水溫度分別為45℃、50℃、55℃時，隨著放熱側壓力的升高，制熱量降低，功耗增加，熱匯水出水溫度分別為60℃、65℃時，隨著放熱側壓力的升高，制熱量的增加程度低于功耗的增加程度；最優(yōu)放熱側壓力隨著熱匯水出水溫度的增加而增加，取值分別為8.4 MPa、8.5 MPa、8.7 MPa、9.2 MPa、9.5 MPa；熱匯水出水溫度對COPh變化影響程度均隨著熱匯水出水溫度的增加而逐漸減小。

由圖6可知，在熱匯水出水溫度分別為45℃、50℃、55℃工況下，單位質量制熱量Qm隨著放熱側壓力pd變化趨勢相似，均隨著放熱側壓力pd的增加而先增加后減小，均在最優(yōu)放熱側壓力處出現(xiàn)拐點；在熱匯水出水溫度分別為60℃、65℃工況下，單位質量制熱量Qm隨著放熱側壓力pd變化趨勢相似，均隨著放熱側壓力pd的增加而增加，增加斜率由大變小，均在最優(yōu)放熱側壓力處出現(xiàn)拐點；隨著熱匯水出水溫度的增加單位制熱量Qm整體減小。

圖7 功耗Wm與放熱側壓力pd的變化關系

圖8 排氣溫度td與放熱側壓力pd的變化關系

由圖7、圖8可知，在熱匯水出水溫度分別為45℃、50℃、55℃、60℃、65℃工況下，系統(tǒng)功耗Wm與壓縮機排氣溫度td隨著放熱側壓力pd變化趨勢相似，均隨著放熱側壓力的增加而增加；隨著熱匯水出水溫度的增加, 系統(tǒng)功耗Wm與壓縮機排氣溫度td均增加。

3 結論

考慮系統(tǒng)部件結構參數(shù)，建立了R744熱泵熱水器系統(tǒng)模擬模型，并對加入R290(質量配比0～10%)組成混合工質后對熱泵系統(tǒng)主要循環(huán)性能的影響進行了預測分析，主要結論有：

(1)當R744熱泵熱水器系統(tǒng)中加入少量R290時，熱泵系統(tǒng)制熱系數(shù)COPh隨著R290質量配比的增加先增加后減小，在R290占3% 時取得最大值2.586，相比純R744提高1.02%，最優(yōu)放熱側壓力隨著R290質量配比的增加逐漸減小，在3% 的工況下為9.5 MPa，相比純R744降低0.6 MPa，對應的降低比率為5.94%。

(2)在熱匯水出水溫度為45℃、50℃、55℃、60℃、65℃工況下，隨著放熱側壓力的增加，系統(tǒng)的制熱系數(shù)COPh均先增加后減小，功耗Wm與壓縮機排氣溫度td均增加。

(3)在熱匯水出水溫度為45℃、50℃、55℃工況下，單位質量制熱量Qm隨著放熱側壓力的增加先增加后減??；在熱匯水出水溫度為60℃、65℃工況下，單位質量制熱量Qm隨著放熱側壓力的增加而增加，斜率由大到小，在最優(yōu)放熱側壓力處出現(xiàn)拐點。

(4)隨著熱匯水出水溫度的增加，系統(tǒng)的制熱系數(shù)COPh與單位質量制熱量Qm均減小，功耗Wm與壓縮機排氣溫度td均增加。

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InfluenceofMixtureofR744andR290inSmallMassFractionontheSystemPerformanceofHeatPumpWaterHeater

FAN Xiao-wei1,ZHANG Xiao-jing1,ZHANG Xian-ping2,WANG Fang1

(1.School of Energy and Environment,Zhongyuan University of Technology,Zhengzhou 450007,China;2.School of Civil Engineering, Henan institute of Engineering, Zhengzhou 450007,China)

Based on the heat pump water heater system using R744 as a refrigerant, and with a consideration of the structural parameters of system components, a simulation model was established in this paper. Impact of changes in performance when a small amount of R290 is added into the system is analyzed by using the model. Compared with the pure R744 equipment, the system performance is optimal when adding 3% of R290, which the system heating COP (Coefficient Of Performance) increases slightly while the optimum heat rejection pressure reduces a little. The system performance is predicted for optimum mass fraction when the heat sink water temperature are set to 45,50,55,60 and 65℃. The results show that when adding a small amount of second component R290 into pure R744 to consist mixed refrigerants suitably, the system performance is improved while the system optimum heat rejection pressure is reduced.

R744;R290;heat pump water heater;simulation mode;system performance

2013-11-02修訂稿日期2014-12-19

國家自然科學基金資助項目(51176207)；鄭州市科技領軍人才支持項目(131PLJR(64))

范曉偉(1966～)，男，教授，博導，主要從事熱泵方面的研究工作。

TQ051.5;TP183

A

1002-6339 (2014) 05-0434-05