濮延凱 周恩澤 劉子雄 崔濡川 儲(chǔ)碧峰
青島理工大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院
一般非共沸混合工質(zhì)相變換熱時(shí)會(huì)發(fā)生溫度滑移,根據(jù)這一特質(zhì),許多專家學(xué)者希望利用其來(lái)逼近洛倫茲循環(huán)[1],從而能夠提高熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行效。然而,在實(shí)際情況中想要達(dá)到洛倫茲循環(huán)比較困難,它要求混合工質(zhì)與換熱流體的溫差在換熱器中恒定,這一點(diǎn)在實(shí)際換熱器換熱過(guò)程中很難達(dá)到。換熱流體一般為水,在很小的溫度改變下,其比熱容的變化很微小,所以溫度變化和焓變一般為線性關(guān)系。而對(duì)于非共沸混合工質(zhì),溫度變化與焓差往往為非線性關(guān)系[2],兩種流體的溫差不會(huì)恒定不變,兩者的溫差存在最大點(diǎn)或者最小點(diǎn)。因此研究非共沸混合工質(zhì)在相變過(guò)程中的換熱溫差如何改變,有利于合理確定系統(tǒng)運(yùn)行工況,提升熱泵系統(tǒng)運(yùn)行效率。
混合工質(zhì)在單相區(qū)中比熱隨溫度線性變化,所以只需討論產(chǎn)生傳熱溫差最小與最大的現(xiàn)象概率較大的換熱器兩相區(qū)。以混合工質(zhì)在換熱器中的相變換熱過(guò)程為研究對(duì)象,并作出如下假設(shè):
1)換熱器中,制冷劑與換熱流體換熱過(guò)程為逆流換熱。
2)在此研究中,由于換熱流體(水)的溫度變化較小,忽略換熱流體的物性參數(shù)變化。
3)忽略換熱器中換熱沿程的阻力損失,換熱器中壓力保持不變。
4)忽略換熱器中的換熱損失。
對(duì)于非共沸制冷劑的相變過(guò)程,考慮任意微元段dx,根據(jù)能量平衡方程[3]有 :
如果混合工質(zhì)與換熱流體的傳熱溫差恒定,有(dt/dx)r=(dt/dx)f(將它代入式(1),得:
由式(2)知 ,只有混合工質(zhì)的焓值隨溫度呈現(xiàn)線性變化時(shí),混合工質(zhì)與換熱流體的換熱溫差才能實(shí)現(xiàn)時(shí)刻相等。但目前大多數(shù)非共沸混合工質(zhì)都會(huì)由于相變時(shí)溫度變化而不能滿足此條件,從而導(dǎo)致相變過(guò)程中換熱溫差存在最大值或最小值,使換熱效率降低。
若工質(zhì)在蒸發(fā)器冷端熱容量小于熱端的熱容量,即工質(zhì)的熱容量在傳熱溫差最小點(diǎn)之前較小,溫度變化較快,在傳熱溫差最小點(diǎn)之后熱容量較大,溫度變化平緩,則蒸發(fā)器中會(huì)出現(xiàn)傳熱溫差最小點(diǎn)。由式(1)、(2)可以得出,混合工質(zhì)在蒸發(fā)器兩相區(qū)內(nèi)出現(xiàn)溫差最小點(diǎn)的條件[4]:
或者
式中:m為質(zhì)量流量,kg/s;h為焓值;kJ/kg;cp為換熱流體的比定壓熱容,kJ/(kg·℃);t為溫度,℃;下角標(biāo)r表示制冷劑,f表示換熱流體,p表示定壓,in代表進(jìn)口,out代表出口。
若工質(zhì)在冷凝器冷端熱容量大于熱端的熱容量。即工質(zhì)的熱容量在傳熱溫差最小點(diǎn)之前較小,溫度變化較大,在傳熱溫差最大點(diǎn)之后熱容量較大,溫度變化平緩,則冷凝器中會(huì)出現(xiàn)溫差最小點(diǎn)。
同樣由式(1)、(2)可以得出,混合工質(zhì)在冷凝器兩相區(qū)內(nèi)出現(xiàn)溫差最小點(diǎn)的條件:
或者
由以上可以看出,防止混合工質(zhì)發(fā)生換熱溫差最小的條件與該工質(zhì)在特定工況下的物性參數(shù)有關(guān),而與換熱流體的性質(zhì)無(wú)關(guān)。為防止出現(xiàn)傳熱情況的惡化,應(yīng)該精確某一給定工況下混合工質(zhì)的物性變化,從而能夠更好匹配換熱流體的溫度變化。
當(dāng)工質(zhì)在蒸發(fā)器冷端熱容量大于熱端熱容量,即工質(zhì)的熱容量在發(fā)生溫差最大點(diǎn)之前較大,溫度變化平緩。在發(fā)生溫差最大點(diǎn)之后熱容量較大,溫度變化較快時(shí),在蒸發(fā)器中間某處出現(xiàn)溫差最大點(diǎn)?;旌瞎べ|(zhì)發(fā)生換熱溫差最大的條件:
或者
當(dāng)工質(zhì)在冷凝器冷端熱容量小于熱端熱容量,即工質(zhì)的熱容量在發(fā)生溫差最大點(diǎn)之前較大,溫度變化平緩,在發(fā)生溫差最大點(diǎn)之后熱容量較小,溫度變化較快時(shí),在冷凝器中間某處出現(xiàn)溫差最大點(diǎn)?;旌瞎べ|(zhì)發(fā)生換熱溫差最大的條件:
或者
混合工質(zhì)的兩組純組分是R134a與R245fa,利用Matlab 軟件編寫不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)配比下混合工質(zhì)的熱力循環(huán)。結(jié)合REFPROP軟件里混合工質(zhì)的物性參數(shù),計(jì)算在特定工況下混合工質(zhì)的COP,單位容積制熱量,排氣溫度,GWP等循環(huán)參數(shù)與物性參數(shù),并進(jìn)行比較篩選[5],選 擇出兩種純組分較為理想的混合配比。
根據(jù)理論循環(huán)計(jì)算結(jié)果,結(jié)合熱泵系統(tǒng)性能參數(shù)篩選出當(dāng) R134a 與 R245fa 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)配比為0.3/0.7時(shí),中高溫工況下表現(xiàn)出較好的熱力循環(huán)性能,因此本次研究將其作為研究對(duì)象。
利用NIST開(kāi)發(fā)的 REFPROP 軟件,針對(duì)混合工質(zhì)三種不同配比,在工況(蒸發(fā)溫度 45 ℃、冷凝溫度85 ℃)下,對(duì)蒸發(fā)器與冷凝器內(nèi)整個(gè)相變過(guò)程各個(gè)微元段的dh/dt進(jìn)行計(jì)算。
圖1表示了混合工質(zhì)在泡露點(diǎn)平均溫度為45 ℃時(shí),蒸發(fā)器內(nèi)整個(gè)兩相區(qū)長(zhǎng)度各個(gè)微元段上工質(zhì)dh/dt的變化情況,據(jù)此研究蒸發(fā)器內(nèi)混合工質(zhì)發(fā)生傳熱溫差最小或者最大情況的可能性。
圖1 混合工質(zhì)dh/dt沿蒸發(fā)器兩相區(qū)長(zhǎng)度變化
當(dāng)純工質(zhì)R134a與R245fa 配比為0.3/0.7 時(shí)(圖1所示),工質(zhì)的,但兩者之間的差距較小?;旌瞎べ|(zhì)的dh/dt在兩相區(qū)上前多半部分有增有減但呈現(xiàn)平穩(wěn)的趨勢(shì),而在兩相區(qū)后面部分開(kāi)始上升。表示混合工質(zhì)流體熱端的熱容量大于冷段的熱容量,因此會(huì)在蒸發(fā)器某點(diǎn)發(fā)生傳熱溫差最小的現(xiàn)象。
圖2為混合工質(zhì)在冷凝器中 85 ℃冷凝溫度時(shí)沿兩相區(qū)長(zhǎng)度的dh/dt變化趨勢(shì)。由圖2可以看出,質(zhì)量分?jǐn)?shù)配比為0.3/0.7 時(shí),混合工質(zhì)工質(zhì)的,即熱段的熱容量大于冷段的熱容量,因此會(huì)發(fā)生傳熱溫差最大的現(xiàn)象。
圖2 混合工質(zhì)dh/dt沿冷凝器兩相區(qū)長(zhǎng)度變化
根據(jù)REFPROP軟件給出的蒸發(fā)器與冷凝器內(nèi)相同工況下,混合工質(zhì)在兩相區(qū)進(jìn)口與出口的焓差,將焓差按照蒸發(fā)器與冷凝器內(nèi)兩相區(qū)長(zhǎng)度等分成多段,計(jì)算得出整個(gè)兩相區(qū)長(zhǎng)度均分成的多段上的每一點(diǎn)的焓值。然后輸入所計(jì)算工況的蒸發(fā)或冷凝壓力,輸入每一段對(duì)應(yīng)的焓值,就可以計(jì)算得出整個(gè)兩相區(qū)長(zhǎng)度上均分成每段上的對(duì)應(yīng)溫度值[6]。劃分的段數(shù)越多其計(jì)算越精細(xì),本次研究將兩相區(qū)長(zhǎng)度劃分為40段。
圖3所示為質(zhì)量分?jǐn)?shù)配比為0.3/0.7 的混合工質(zhì)在蒸發(fā)器中兩相區(qū)的溫度滑移,其溫度滑移線是一條外凸的曲線,該配比下的混合工質(zhì)會(huì)在蒸發(fā)器中發(fā)生傳熱窄點(diǎn)。
圖3 混合工質(zhì)沿蒸發(fā)器兩相區(qū)長(zhǎng)度的溫度變化
圖4為混合工質(zhì)在冷凝器內(nèi)整個(gè)兩相區(qū)長(zhǎng)度上的溫度滑移趨勢(shì),與前面討論相同,根據(jù)冷凝器內(nèi)溫度滑移線分析發(fā)生傳熱溫差最大或最小點(diǎn)可以看出,當(dāng)混合工質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)配比為0.3/0.7時(shí),在冷凝器中會(huì)發(fā)生溫差最大的現(xiàn)象。
圖4 混合工質(zhì)沿冷凝器兩相區(qū)長(zhǎng)度的溫度變化
對(duì)于非共沸混合工質(zhì) R134a/R245fa 在不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)下相變換熱過(guò)程焓變斜率與溫度滑移的計(jì)算,可以得出以下結(jié)論:
1)混合工質(zhì) R134a/R245fa 的焓值變化與溫度變化之間為非線性關(guān)系,會(huì)導(dǎo)致相變過(guò)程中混合工質(zhì)與換熱流體之間的換熱溫差存在最大或最小點(diǎn)。
2)蒸發(fā)器中,R134a/R245fa 的配比為0.3/0.7 時(shí),蒸發(fā)器中會(huì)發(fā)生傳熱溫差最小的情況。冷凝器中,R134a/R245fa 在配比為配比為0.3/0.7 時(shí)冷凝器中會(huì)發(fā)生傳熱溫差最大的情況。
3)根據(jù)以上對(duì)于不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)配比下混合工質(zhì)在冷凝器與蒸發(fā)器中的傳熱溫差的變化,可以對(duì)換熱流體的進(jìn)出口水溫進(jìn)行設(shè)計(jì),以達(dá)到熱泵系統(tǒng)效率更優(yōu)化的效果。