王 方， 朱飛宇， 楊理想， 袁秋艷， 王帥琪(中原工學(xué)院 能源與環(huán)境學(xué)院， 鄭州 450007)

0 引 言

經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展導(dǎo)致的能源短缺、臭氧層破壞以及溫室效應(yīng)等問題日益凸顯，熱泵[1]正是因其具有節(jié)能減排、環(huán)保高效等獨(dú)特優(yōu)勢受到業(yè)內(nèi)研究人員青睞。目前常用制冷工質(zhì)主要是R22、R134a、R410a和R407c等[2]，這些制冷工質(zhì)的ODP指數(shù)相對較低或?yàn)榱?，但GWP值均較高，研制開發(fā)ODP為零、GWP較低的制冷工質(zhì)是保證熱泵技術(shù)快速高效發(fā)展的前提。HFO1234ze[3]的ODP為零，GWP較低，大氣壽命極短，蒸發(fā)壓力偏低，但氣化潛熱較低、輕微易燃，其COP與體積制冷量均低于目前常用工質(zhì)R134a[4]；氫氟烴(HFCs)雖然其ODP為零，但GWP較高，大氣停留時(shí)間較長，大量使用會(huì)引起全球氣候變暖，但具有較好的熱力學(xué)性能?；贖FO1234ze、HFCs的各自特性，將HFO1234ze和HFCs按不同比例混合以期實(shí)現(xiàn)兩者優(yōu)勢互補(bǔ)，通過添加適量HFCs以改善HFO1234ze熱力學(xué)特性與傳輸特性成為了研究者的關(guān)注焦點(diǎn)。

楊英英等[5]用R32、R1234ze兩種制冷劑在直徑2 mm的水平細(xì)圓管內(nèi)進(jìn)行了冷凝換熱實(shí)驗(yàn)，測試了R32、R1234ze在不同工況條件下的冷凝換熱系數(shù)和壓降，得出R32的冷凝換熱系數(shù)較高，對小通道內(nèi)換熱機(jī)理的研究提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)與理論支持；陳紅群等[6]在非熱泵熱水器名義工況下(設(shè)定熱匯進(jìn)出口溫度分別為為15 ℃、42 ℃，環(huán)境干濕球溫度分別為20 ℃、15 ℃)應(yīng)用優(yōu)化的KW2模型參數(shù)計(jì)算程序，對比分析了R1234ze/R32混合制冷劑與R410a的熱物理性質(zhì)，得出R1234ze/R32混合制冷劑配比為0.3/0.7時(shí)，單位容積制熱量與 R410a最為接近，且冷凝壓力更低，制熱系數(shù)更高，為熱泵熱水器的制冷劑替代提供了可行性參考；Mota-Babiloni等[7]通過實(shí)驗(yàn)得出R1234ze/R134a系統(tǒng)相比于R134a系統(tǒng)，COP平均高出1%，排氣溫度、壓縮機(jī)功耗均低于R134a系統(tǒng)，分析了R1234ze/R134a作為R134a的替代趨勢；Han等[8]通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了新型三元非共沸混合工質(zhì)HFC-161/125/143a (0.15/0.45/0.40)與R404a相比，其系統(tǒng)COP增加了6.3% ～12.1%，壓比降低了1.8%～6.6%，但其排氣溫度略高于R404a；WANG等[9]對制冷劑作為工質(zhì)的脈動(dòng)熱管的傳熱性能進(jìn)行了試驗(yàn)，結(jié)果表明，使用R134a作為工質(zhì)的脈動(dòng)熱管的傳熱熱阻要比使用R404a或者R600a的要小得多，指出R134a具有更好的熱傳導(dǎo)能力。文獻(xiàn)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，對于各種工況下的二元混合工質(zhì)熱泵系統(tǒng)循環(huán)性能研究尚不完善，且針對熱泵熱水器名義工況下的HFO1234ze/HFCs混合工質(zhì)熱泵系統(tǒng)性能研究更是鮮有報(bào)道。本文對3組HFO1234ze/HFCs混合工質(zhì)熱泵系統(tǒng)循環(huán)的熱力學(xué)特性進(jìn)行系統(tǒng)分析，并與常用的純工質(zhì)熱泵系統(tǒng)進(jìn)行對比，以期對新型替代工質(zhì)研究提供理論基礎(chǔ)。

1 熱泵系統(tǒng)循環(huán)熱力學(xué)模型

1.1 熱泵系統(tǒng)模型建立

圖1為HFO1234ze/HFCs熱泵系統(tǒng)循環(huán)流程圖，該系統(tǒng)主要由壓縮機(jī)、冷凝器、膨脹閥、蒸發(fā)器組成。為簡化分析熱力計(jì)算，先做出如下假設(shè)[10]：① 工質(zhì)在換熱器出口處均為飽和狀態(tài)；② 系統(tǒng)與外界之間無熱量損失；③ 忽略潤滑油對工質(zhì)或混合工質(zhì)的影響；④ 忽略工質(zhì)在換熱器、連接管路中的壓降；⑤ 壓縮過程為絕熱非等熵過程，等熵效率為0.7；⑥ 蒸發(fā)器和冷凝器中最小傳熱溫差取7 ℃；⑦ 節(jié)流過程為絕熱節(jié)流。

圖1 混合工質(zhì)熱泵系統(tǒng)循環(huán)流程圖

混合工質(zhì)亞臨界理論循環(huán)主要計(jì)算公式如下：

制熱性能系數(shù)

COPh=(h2-h3)/(h2-h1)

(1)

單位質(zhì)量制熱量

qh=h2-h3

(2)

單位功耗

w=h2-h1

(3)

壓縮機(jī)壓比

r=pc/pe

(4)

非共沸混合工質(zhì)在換熱器中定壓相變時(shí)溫度呈非線性變化，在熱力循環(huán)計(jì)算中，考慮到傳熱窄點(diǎn)溫差的作用，冷凝器中每處熱匯和工質(zhì)的溫差均滿足[12]：

(5)

蒸發(fā)器中每處熱源和工質(zhì)溫差滿足[12]：

tppe=min[(tsoi-t1),(tsoo-t4)]

(6)

式中：h為工質(zhì)比焓(J/g)；tsio、tsii分別為熱匯出口、入口溫度( ℃)；tsoo、tsoi分別為熱源出口、入口溫度( ℃)；tppc、tppe分別為熱匯、熱源與工質(zhì)的溫差( ℃)；tv為工質(zhì)在冷凝壓力下的飽和蒸氣溫度( ℃)；下角標(biāo)1、2、3、4分別對應(yīng)圖2中各狀態(tài)點(diǎn)。

圖2 混合工質(zhì)配比與系統(tǒng)COP的關(guān)系

1.2 計(jì)算工況選擇

依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《家用和類似用途熱泵熱水器》，設(shè)定熱匯進(jìn)、出口溫度分別為15 ℃、55 ℃；熱源進(jìn)、出口溫度分別為15 ℃、10 ℃?；谝陨霞僭O(shè)和分析，利用EES[14]開發(fā)程序，采用熱泵系統(tǒng)模型，對HFO1234ze/HFCs混合工質(zhì)進(jìn)行理論模擬計(jì)算，其中混合工質(zhì)的熱力學(xué)參數(shù)利用接口程序調(diào)用美國NIST開發(fā)的REFP-ROP 9.0[15]得到。

2 計(jì)算結(jié)果及分析

為了便于分析比較，在相同的工況和計(jì)算條件下，分別計(jì)算了純R1234ze、R125、R134a以及R32作為工質(zhì)的熱泵系統(tǒng)循環(huán)參數(shù)，結(jié)果如表2所示。

表2 R1234ze、R125、R134a和R32熱泵系統(tǒng)循環(huán)參數(shù)

2.1 熱泵系統(tǒng)制熱性能COP

圖3所示為R1234ze/HFCs系統(tǒng)COP在R1234ze不同質(zhì)量配比下的變化趨勢?？梢钥闯?，R1234ze/R32系統(tǒng)COP始終高于R1234ze/R125、R1234ze/R134a系統(tǒng)COP；在R1234ze/R32系統(tǒng)中，隨著R1234ze配比的增加，系統(tǒng)COP呈現(xiàn)先增加后平緩下降的趨勢，直到R1234ze增加至70%時(shí)系統(tǒng)COP開始快速下降，在20/80配比處存在一極大值。在R1234ze/R125系統(tǒng)中，隨著R1234ze配比的逐漸增加，系統(tǒng)COP呈現(xiàn)先平緩增加而后降低的變化趨勢，在70/30配比處存在一極大值。對于R1234ze/R134a系統(tǒng)，隨著R1234ze配比的逐漸增加，系統(tǒng)COP始終呈現(xiàn)緩慢下降趨勢。R1234ze/R32(20/80)系統(tǒng)最優(yōu)質(zhì)量配比對應(yīng)的COP值為8.36；R1234ze/R125(70/30)系統(tǒng)最優(yōu)質(zhì)量配比對應(yīng)的COP值為7.41；R1234ze/R32(20/80)系統(tǒng)COP分別比R32、R1234ze、R125、R134a和R1234ze/R125(70/30)系統(tǒng)COP增加了4.53%，25.32%，41.41%，17.88%和12.81%。

圖3 混合工質(zhì)配比與單位質(zhì)量制熱量的關(guān)系

2.2 單位質(zhì)量制熱量和單位質(zhì)量功耗

系統(tǒng)單位質(zhì)量制熱量qh隨混合工質(zhì)質(zhì)量配比變化情況如圖4所示?？梢钥闯觯赗1234ze/R32、R1234ze/R125、R1234ze/R134a系統(tǒng)中，qh均隨R1234ze配比的增加而單調(diào)增加。其中，R1234ze/R32的qh變化幅度相對較大，R1234ze/R134a系統(tǒng)在R1234ze配比增加至30%后，qh呈現(xiàn)緩慢上升趨勢，R1234ze/R125的qh始終小于其他兩系統(tǒng)。在R1234ze/R32、R1234ze/R134a系統(tǒng)中，當(dāng)R1234ze質(zhì)量配比均為16%時(shí)，兩系統(tǒng)qh存在相同值。最優(yōu)配比下，R1234ze/R125(70/30)系統(tǒng)qh為132.3 J/g，為R125系統(tǒng)的1.5倍；R1234ze/R32(20/80)系統(tǒng)qh為151.6 J/g，為R32系統(tǒng)的1.2倍、R125系統(tǒng)的1.7倍。在相同運(yùn)行工況下，qh越大，系統(tǒng)工質(zhì)充注量越少，降低了工質(zhì)泄漏時(shí)的危險(xiǎn)性，有利于提高系統(tǒng)運(yùn)行安全性。

圖4 混合工質(zhì)配比與單位質(zhì)量功耗的關(guān)系

單位質(zhì)量功耗w隨混合工質(zhì)配比變化趨勢如圖5所示。R1234ze/R32、R1234ze/R125和R1234ze/R134a系統(tǒng)w均隨R1234ze配比的增加而升高。其中R1234ze/R125系統(tǒng)w始終小于其他兩者；在R1234ze/R32、R1234ze/R134a系統(tǒng)中，當(dāng)R1234ze配比均為31%時(shí)，兩系統(tǒng)w存在相同值。最優(yōu)配比下，R1234ze/R125(70/30)系統(tǒng)w為32.4 J/g，略高于R32、R125系統(tǒng)，相對于R134a系統(tǒng)減少9.4%；R1234ze/R32(20/80)系統(tǒng)w為31.46 J/g,比R32、R125系統(tǒng)略高，比R134a系統(tǒng)減少12%。顯然，系統(tǒng)qh的降低有利于節(jié)能環(huán)保。

圖5 混合工質(zhì)配比與冷凝壓力的關(guān)系

2.3 冷凝壓力、壓比和排氣溫度

冷凝壓力、壓比和排氣溫度的降低均有利于系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性、提高壓縮效率，有必要對三者進(jìn)行模擬研究分析。

由圖6可見，R1234ze/R32、R1234ze/R125、R1234ze/R134a系統(tǒng)冷凝壓力pc均隨R1234ze配比的增加而單調(diào)降低。其中R1234ze/R134a系統(tǒng)pc始終小于其他兩系統(tǒng)；R1234ze/R32、R1234ze/R125系統(tǒng)中R1234ze配比均為12%時(shí)，兩系統(tǒng)pc存在相同值。最優(yōu)配比下，R1234ze/R32(20/80)系統(tǒng)pc為2.295 MPa，比R134a系統(tǒng)略大，比R32、R125系統(tǒng)分別降低了28%，17%；R1234ze/R125(70/30)系統(tǒng)pc為1.59MPa，與R134a系統(tǒng)相當(dāng)，比R32、R125系統(tǒng)分別降低了50%、42%。

圖6 混合工質(zhì)配比與壓比的關(guān)系

如圖7所示，R1234ze/R32、R1234ze/R125、R1234ze/R134a系統(tǒng)壓比r均隨R1234ze配比的增加呈現(xiàn)上升趨勢，其中R1234ze/R134a系統(tǒng)的r上升趨勢較為緩慢，R1234ze/R32系統(tǒng)的r隨R1234ze配比的增加呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢，在R1234ze配比為0～10%范圍內(nèi)呈現(xiàn)下降趨勢，在R1234ze配比為10%～100%范圍內(nèi)呈現(xiàn)上升趨勢。

圖7 混合工質(zhì)配比與排氣溫度的關(guān)系

最優(yōu)配比下，R1234ze/R125(70/30)r為3.505，高于R32、R125系統(tǒng)，低于R134a系統(tǒng)；R1234ze/R32(20/80)r為3.016，略高于R32系統(tǒng)，略低于R125系統(tǒng)，低于R134a系統(tǒng)。

從圖7可以看出，R1234ze/R32系統(tǒng)壓縮機(jī)排氣溫度t2隨R1234ze配比的增加呈現(xiàn)相對快速下降趨勢，R1234ze/R134a系統(tǒng)t2隨R1234ze配比的增加呈現(xiàn)緩慢下降趨勢，R1234ze/R125系統(tǒng)t2隨R1234ze配比的增加呈現(xiàn)先緩慢上升而后平緩的趨勢。最優(yōu)配比下，R1234ze/R125(70/30)系統(tǒng)排氣溫度為66 ℃，低于R32和R134a系統(tǒng)排氣溫度，高于R125系統(tǒng)排氣溫度；R1234ze/R32(20/80)系統(tǒng)t2為80 ℃，高于R125和R134a系統(tǒng)排氣溫度，低于R32系統(tǒng)排氣溫度。

3 結(jié) 論

通過HFO1234ze/HFCs熱泵系統(tǒng)循環(huán)的熱力學(xué)性能分析，在計(jì)算工況下，得出以下結(jié)論：

(1) R1234ze/R32和R1234ze/R125混合工質(zhì)均存在最優(yōu)質(zhì)量配比，使得系統(tǒng)COP達(dá)到最大值，對應(yīng)的質(zhì)量配比分別為20/80和70/30，相應(yīng)的系統(tǒng)COP值分別為8.36和7.41。

(2) 在最優(yōu)質(zhì)量配比范圍內(nèi)，R1234ze/R32(20/80)系統(tǒng)冷凝壓力為2.295 MPa，比R134a系統(tǒng)略大，比R32、R125系統(tǒng)分別降低了28%，17%；其壓比為3.016，略高于R32系統(tǒng)，略低于R125系統(tǒng)，低于R134a系統(tǒng)；其排氣溫度為80 ℃，高于R125和R134a系統(tǒng)排氣溫度，低于R32系統(tǒng)排氣溫度。R1234ze/R125(70/30)系統(tǒng)冷凝壓力為1.59 MPa，與R134a系統(tǒng)相當(dāng)，較R32、R125系統(tǒng)分別降低了50%、42%；其壓比為3.505，高于R32、R125系統(tǒng)，低于R134a系統(tǒng)；其排氣溫度為66 ℃，低于R32和R134a系統(tǒng)排氣溫度，高于R125系統(tǒng)排氣溫度。

(3) 對于R1234ze/R32系統(tǒng)，其系統(tǒng)COP分別比R1234ze/R125(70/30)、R1234ze、R125、R134a和R32增加了12.81%，25.32%，41.41%，17.88%和4.53%，有望作為新型替代工質(zhì)。

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