胡陳春，林潘忠，林炳南

（1.永嘉縣榮信科技有限公司，浙江 溫州 325103；2.溫州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程系，浙江 溫州 325035）

0 引 言

工業(yè)余熱是一種非常有利用價(jià)值的二次能源，但化工、冶金、電力等工業(yè)生產(chǎn)中常有大量40℃～80℃的工業(yè)熱量排放，造成嚴(yán)重的熱污染和資源浪費(fèi)。隨著國(guó)際能源問(wèn)題的日益突出，如何高效地使用能源、回收各種余熱和減少傳統(tǒng)能源的消耗，成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。熱泵作為一種重要的利用工業(yè)余熱產(chǎn)熱的設(shè)備，以消耗部分化學(xué)能或電能為代價(jià)，把熱量從溫度較低的工業(yè)余熱中轉(zhuǎn)移到高溫系統(tǒng)中，目前單級(jí)熱泵已被廣泛用于制取60℃以下的常溫?zé)嵩?。然而，隨著工業(yè)上對(duì)高溫?zé)崴枨蟮牟粩嗵岣撸瑐鹘y(tǒng)的單級(jí)熱泵已不能滿足要求，其缺陷是制熱溫度和制熱能效比（COP）較低，目前很多工程領(lǐng)域相關(guān)學(xué)者和企業(yè)已經(jīng)研究了最高可達(dá)100℃以上的復(fù)疊式制熱技術(shù)[1-2]。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)高溫?zé)岜玫难芯恐饕性诠べ|(zhì)選擇[3]和制熱系數(shù)提升兩個(gè)方面。隨著CFCs和HCFCs類高溫工質(zhì)被逐漸淘汰，常見(jiàn)HFC類純工質(zhì)最高熱輸出溫度又不足，非共沸混合工質(zhì)逐漸成為了研究熱點(diǎn)。與單一工質(zhì)相比，某些非共沸混合工質(zhì)可以獲得高溫和低壓的特性，可滿足高溫?zé)岜脤?duì)工質(zhì)運(yùn)行壓力的要求，熱泵的循環(huán)效率較高[4]。李巍開發(fā)出一種高溫非共沸混合工質(zhì)BY-6，設(shè)計(jì)蒸發(fā)溫度從90℃變化到115℃，對(duì)應(yīng)冷凝溫度從145℃變化到170℃[5]；周福等人通過(guò)對(duì)R245fa與R134a、R152a、RC270特定配比下混合物的研究表明，混合工質(zhì)系統(tǒng)的熱力性能優(yōu)于上述幾種純工質(zhì)，且以R245fa/RC270（0.88/0.12）時(shí)性能最優(yōu)，出口水溫為80℃的條件下，制熱能效比（COP）達(dá)到5.15[6]。天津大學(xué)王懷信課題組分別對(duì)不同的新型熱泵工質(zhì)物性進(jìn)行大量研究，并獲得了一些列的成果。近年來(lái)日本又成功研制了采用R134a/R245fa混合工質(zhì)的高效熱泵，最高出水溫度可達(dá)165℃[7-8]。高溫?zé)岜玫年P(guān)鍵技術(shù)就是尋找合適優(yōu)質(zhì)的工質(zhì)，解決低溫級(jí)和高溫級(jí)的工質(zhì)匹配問(wèn)題。但目前，能真正實(shí)現(xiàn)90℃以上的工業(yè)熱水制取多停留于實(shí)驗(yàn)室階段，較少應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)。另外，在提高熱泵溫度的同時(shí)，如何有效地提高制熱能效比也一直是國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。

1 復(fù)疊制熱原理分析

復(fù)疊式工業(yè)熱泵采用雙壓縮機(jī)作為熱泵裝置動(dòng)力來(lái)源，用復(fù)疊式換熱器進(jìn)行換熱，具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1，從30℃～40℃左右的低溫?zé)嵩次鼰幔罡咧茻釡囟瓤蛇_(dá)90℃。裝置主要包括低溫壓縮機(jī)、高溫壓縮機(jī)、低溫冷凝器、高溫冷凝器、復(fù)疊式換熱器、低高溫膨脹閥和蒸發(fā)器，構(gòu)成低溫回路和高溫回路。低溫壓縮機(jī)依次連接低溫冷凝器、復(fù)疊式換熱器、低溫膨脹閥和蒸發(fā)器構(gòu)成低溫回路；高溫壓縮機(jī)依次連接高溫冷凝器、高溫膨脹閥和復(fù)疊式換熱器，通過(guò)復(fù)疊式換熱器連接低溫壓縮機(jī)構(gòu)成高溫回路。復(fù)疊式熱泵系統(tǒng)由中間換熱器將兩個(gè)熱力循環(huán)連接起來(lái)，使熱泵獲得更高的制熱效率和溫升。

圖1 復(fù)疊制熱技術(shù)原理

目前復(fù)疊式熱泵通常采用兩套蒸氣壓縮系統(tǒng)，分別為適合于中溫制熱的R-417a和高溫制熱的HFCR-134a工質(zhì)，各自負(fù)責(zé)中溫級(jí)和高溫級(jí)的制熱，兩級(jí)獨(dú)立系統(tǒng)通過(guò)中溫?zé)崴萜鞯鸟詈闲纬梢粋€(gè)直接制取高溫?zé)崴南到y(tǒng)，低溫級(jí)出水溫度約為45℃～55℃，該溫度的水作為高溫級(jí)進(jìn)水，高溫級(jí)出水溫度約為50℃～90℃。這樣的兩級(jí)耦合系統(tǒng)，避免了單級(jí)系統(tǒng)存在的工作壓力高或制熱溫度低等問(wèn)題。另外，由于兩級(jí)子系統(tǒng)各自都工作在壓力比較小的工況，具有制熱系數(shù)高、排氣溫度低等優(yōu)點(diǎn)，避免了常規(guī)單級(jí)熱泵在制高溫?zé)崴畷r(shí)壓縮機(jī)排氣溫度高、系統(tǒng)工作壓力高、低溫環(huán)境制熱效果差甚至不能制熱、能耗大等問(wèn)題。但是復(fù)疊式熱泵高溫級(jí)工質(zhì)與單級(jí)高溫?zé)岜霉べ|(zhì)性能要求不一樣，出水溫度高且對(duì)冷凝壓力有一定的要求，已有的高溫級(jí)工質(zhì)的特性與低溫級(jí)匹配較差，尋找合適的高溫級(jí)工質(zhì)迫在眉睫。

2 高效復(fù)疊式工業(yè)熱泵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工質(zhì)研究

2.1 高效復(fù)疊式工業(yè)熱泵裝置主要結(jié)構(gòu)

高效復(fù)疊式工業(yè)熱泵主要結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要包括低溫壓縮機(jī)、高溫壓縮機(jī)、低溫冷凝器、高溫冷凝器、復(fù)疊式換熱器、低高溫膨脹閥和蒸發(fā)器，構(gòu)成低溫回路和高溫回路。將低溫級(jí)的渦旋式壓縮機(jī)、高溫級(jí)的活塞式壓縮機(jī)的雙機(jī)壓縮機(jī)作為熱泵裝置動(dòng)力來(lái)源，低溫和高溫壓縮機(jī)分別連接帶冷凝器的冷交換器和熱交換器后通過(guò)細(xì)銅管分別連接壓力表和帶膨脹閥的過(guò)濾器，再通過(guò)粗銅管和水泵以及水箱之間形成循環(huán)水路，水泵和水箱之間設(shè)有閥門。水箱又與低溫商用機(jī)之間通過(guò)粗銅管形成循環(huán)水路。

圖2 高效復(fù)疊式工業(yè)熱泵主要結(jié)構(gòu)

工作時(shí)，低溫級(jí)壓縮機(jī)出口的高溫高壓制冷劑進(jìn)入冷凝器，通過(guò)冷交換器冷凝成高壓常溫液體，經(jīng)膨脹閥流入蒸發(fā)器，在蒸發(fā)器蒸發(fā)并吸收空氣中的熱量變成低溫低壓的蒸氣，被壓縮機(jī)吸入壓縮成高壓高溫的制冷劑不斷循環(huán)。通過(guò)冷凝器的水冷式熱交換器把水箱的水加熱成45℃～55℃熱水。高溫級(jí)熱泵制熱原理與低溫級(jí)相同，高溫級(jí)蒸發(fā)器熱交換器吸收水箱底部的熱量，經(jīng)壓縮機(jī)壓縮從高溫冷凝器流出50℃～90℃高溫?zé)崴?/p>

2.2 工質(zhì)配比理論研究

在滿足環(huán)保要求的前提下，選擇工質(zhì)時(shí)主要考慮其熱力學(xué)性能等方面的要求。本文從基本物性、熱力特性及環(huán)保性能等方面進(jìn)行篩選，目前工業(yè)熱泵上常用的工質(zhì)有HFCR134a、R417a、HFC245fa等。本研究對(duì)以上先對(duì)3種常用的高溫?zé)岜眉児べ|(zhì)進(jìn)行了理論計(jì)算，其基本物性參數(shù)見(jiàn)表1，理論計(jì)算設(shè)計(jì)工況為蒸發(fā)溫度為40℃，冷凝溫度70℃～100℃。

由表1可見(jiàn)，純工質(zhì)應(yīng)用在高溫?zé)岜妙I(lǐng)域均有一定的缺點(diǎn)，利用混合工質(zhì)可以彌補(bǔ)純工質(zhì)的缺陷。本研究將HFCR134a與R417a適當(dāng)?shù)馁|(zhì)量比混合作為高溫壓縮機(jī)的改性冷媒，通過(guò)長(zhǎng)期深入實(shí)驗(yàn)對(duì)兩種環(huán)保制冷劑進(jìn)行比例配比，保證高溫?zé)岜迷诤线m的工作壓力下工作，并提高制熱能效比。

為了得到HFCR134a/R417a的最佳配比，在蒸發(fā)溫度40℃、冷凝溫度100℃工況下，將HFCR134a/R417a的混合物各自在不同配比下進(jìn)行理論計(jì)算，部分熱力性能見(jiàn)表2。

表1 純工質(zhì)基本物性參數(shù)

表2 不同質(zhì)量配比下HFCR134a/R417a的熱力性能

表2顯示了幾種不同質(zhì)量的配比，利用MATLAB編制計(jì)算程序?qū)θ我赓|(zhì)量比或摩爾比的混合新工質(zhì)進(jìn)行理論計(jì)算，并將其物性參數(shù)在REFPROP熱物性計(jì)算軟件中調(diào)用。計(jì)算結(jié)果表明，同一工況下，混合工質(zhì)HFCR134a/R417a隨著HFCR134a占比的增大，冷凝壓力不斷升高，當(dāng)HFCR134a占比在0.5時(shí)，冷凝壓力達(dá)到2.43MPa。

根據(jù)熱泵使用要求，在安全運(yùn)行條件下，選擇HFCR134a占比低于0.4的混合比工質(zhì)，COP較高，單位容積制熱量較大，最高排氣溫度為108.2℃，COP最低值為4.17，且隨著HFCR134a占比增大，COP值逐漸減小，但降低的幅度不是特別明顯。在單位容積制熱量方面，隨著HFCR134a占比增大，制熱量逐漸增大，且在0.3/0.7的配比時(shí)，提高幅度明顯。綜合上述因素，在理論計(jì)算情況下，0.3/0.7的質(zhì)量配比是高溫?zé)岜霉べ|(zhì)的最佳選擇，該配比情況下的COP和單位容積制熱量都較高，其基本物性參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 0.3/0.7質(zhì)量配比的HFCR134a/R417a混合工質(zhì)基本物性參數(shù)

3 實(shí) 驗(yàn)

為驗(yàn)證上述工質(zhì)配比的實(shí)際效果，以一臺(tái)12kW的復(fù)疊式高溫?zé)岜脵C(jī)組為研究對(duì)象，如圖3所示，該機(jī)組熱交換器最大工作壓力為2.6MPa，壓縮機(jī)吸/排氣最大工作壓力為0.5/2.2MPa。當(dāng)時(shí)水源的平均溫度穩(wěn)定在40℃，冷凝器的出口水溫在70℃至100℃之間時(shí)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)計(jì)算表2中HFCR134a/R417a不同配比混合工質(zhì)時(shí)熱泵的制熱量、制熱系數(shù)和排氣壓力等參數(shù)。

圖3 12kW復(fù)疊式高溫?zé)岜脵C(jī)組

（1）制熱量。制熱量隨著出水溫度的增加而增大，如圖4所示。出水溫度越高，制熱量越大，在相同的出水溫度，HFCR134a/R417a配比為0.5/0.5時(shí)制熱量是最大的。在出水溫度為100℃時(shí)，制熱量最大值達(dá)到9.58kW。當(dāng)出水溫度超過(guò)90℃時(shí)，采用不同配比的HFCR134a/R417a的制熱量趨于穩(wěn)定，提升量不大。

圖4 不同工質(zhì)配比時(shí)的制熱量

（2）制熱能效比（COP）。在熱泵中，制熱能效比是反應(yīng)熱泵性能的重要參數(shù)。

式中，Q1為低溫?zé)嵩此姆艧崃?；Q2為冷凝器出水的吸熱量；P1為低溫側(cè)壓縮機(jī)的輸入功率；P2為高溫側(cè)壓縮機(jī)的輸入功率。

高溫級(jí)熱泵的制熱性能系數(shù)理論計(jì)算值隨著溫度的上升而下降，并且隨著HFCR134a占比的增大，制熱系數(shù)逐漸降低（見(jiàn)表4）。

表4 混合工質(zhì)制熱系數(shù)理論計(jì)算值

通過(guò)實(shí)驗(yàn)可得HFCR134a/R417a不同配比時(shí)制熱能效比如圖5所示，從圖中可以看出，制熱能效比隨著出水溫度上升而下降，這與理論計(jì)算的結(jié)果是一致的，這是因?yàn)殡S著出水溫度的升高，壓縮機(jī)功耗的增長(zhǎng)速度也隨之增大，導(dǎo)致COP值下降。HFCR134a/R417a配比在0.3/0.7、0.4/0.6、0.5/0.5時(shí)，出水溫度不同，其制熱能效比變化較小，出水溫度的變化比較平緩，而采用工質(zhì)配比0.1/0.9和0.2/0.8時(shí)，制熱能效比迅速下降。

圖5 不同工質(zhì)配比時(shí)的制熱性能系數(shù)

（3）排氣壓力。不同的出水溫度下5種不同工質(zhì)組合對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)排氣壓力如圖6所示。排氣壓力的變化趨勢(shì)與理論計(jì)算中冷凝壓力的趨勢(shì)吻合，隨著出水溫度的升高，冷凝壓力也不斷增大，出水溫度對(duì)冷凝壓力的影響較大。當(dāng)HFCR134a占比超過(guò)40%以上，出水溫度高于70℃時(shí)，排氣壓力超過(guò)2MPa，由于大部分熱泵的承壓極限在2.4MPa左右，考慮到安全性問(wèn)題，應(yīng)該將冷凝壓力控制在2MPa。

根據(jù)上述結(jié)果，HFCR134a/R417a采用0.3/0.7的質(zhì)量配比時(shí)，COP和制熱量都較高，高溫級(jí)出水溫度在90℃時(shí)排氣壓力在1.84MPa左右，滿足設(shè)備的安全要求。

圖6 不同工質(zhì)配比時(shí)的冷凝壓力

4 結(jié) 論

為選取復(fù)疊式工業(yè)熱泵合適的高溫級(jí)工質(zhì)，通過(guò)Matlab軟件調(diào)取REFPROP的相關(guān)函數(shù)節(jié)點(diǎn)對(duì)混合工質(zhì)進(jìn)行理論計(jì)算，得到HFCR134a/R417a混合工質(zhì)在不同質(zhì)量配比下的熱力性能。實(shí)驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)，該混合工質(zhì)在0.3/0.7的質(zhì)量配比時(shí)具有較好的熱力性能，此時(shí)，高溫級(jí)的冷凝壓力和制熱能效比分別為1.84MPa、3.87，運(yùn)行穩(wěn)定。研究結(jié)果對(duì)高溫?zé)岜玫墓べ|(zhì)選擇和研究具有一定參考價(jià)值。