(北京工業(yè)大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院 北京 100124)

對于系統(tǒng)而言，除了各部件性能和系統(tǒng)匹配的優(yōu)化外，工作介質(zhì)的性能對系統(tǒng)性能的影響不容忽視。工質(zhì)與節(jié)能環(huán)保、環(huán)境資源兩大主題息息相關(guān)[1]。1987年后國際社會先后簽訂了蒙特利爾、基加利等制冷劑修訂案，議定協(xié)議中指出國際社會將采取行動逐步淘汰破壞環(huán)境的工質(zhì)，并加強(qiáng)研究開發(fā)替代品。但工質(zhì)替代的原則是新工質(zhì)的性能不能差于原有工質(zhì)。呂冰等[2]從不同領(lǐng)域?qū)χ评鋭┮蟮膫?cè)重不同入手，歸納了R290、R32、R407C、R1234yf、R1234ze等替代制冷劑在相關(guān)領(lǐng)域的研究進(jìn)展。盛健等[3-5]通過理論計算和實驗分析綜合考慮得出以工質(zhì)R290、R32代替工質(zhì)R22的結(jié)論。桂超[6]總結(jié)了天然工質(zhì)和HFOs工質(zhì)作為替代工質(zhì)應(yīng)用于各領(lǐng)域的研究成果。

決定工質(zhì)性能的正是組成它的各個結(jié)構(gòu)單元的元貢獻(xiàn)之和，利用該算法可估算工質(zhì)熱物性稱之為基團(tuán)貢獻(xiàn)法。之前的研究主要著重于不同配比工質(zhì)的基礎(chǔ)熱物性參數(shù)的計算[7-8]。后來也有研究者利用基團(tuán)貢獻(xiàn)法，對有機(jī)朗肯循環(huán)(ORC)、熱泵等系統(tǒng)的性能進(jìn)行分析。Wen Su等[9-10]進(jìn)行了基于基團(tuán)貢獻(xiàn)法ORC的優(yōu)化及工質(zhì)設(shè)計和基于基團(tuán)貢獻(xiàn)法純工質(zhì)的物理性質(zhì)估計等研究。劉煥衛(wèi)[11]應(yīng)用基團(tuán)貢獻(xiàn)法和燃燒學(xué)相關(guān)理論對獨立式燃?xì)鈾C(jī)熱泵系統(tǒng)進(jìn)行了理論和實驗研究。

液泵驅(qū)動自然冷卻回路目前主要應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心散熱領(lǐng)域，研究人員針對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和配置進(jìn)行了研究。莫冬傳等[12]對機(jī)械泵驅(qū)動兩相回路的儲液器控溫策略進(jìn)行了研究。張雙等[13-14]對數(shù)據(jù)中心用泵驅(qū)動兩相冷卻回路換熱特性進(jìn)行了研究。王絢等[15-17]對泵驅(qū)動兩相冷卻系統(tǒng)變工質(zhì)特性和節(jié)能效果進(jìn)行過多項研究，實驗研究得出R32比 R22更適合作為泵驅(qū)動兩相冷卻的工質(zhì)。但針對數(shù)據(jù)中心特殊工況下，系統(tǒng)工質(zhì)如何優(yōu)化和選擇、適宜工質(zhì)如何配置，仍有待進(jìn)一步細(xì)化和明確。

本文根據(jù)液泵驅(qū)動自然冷卻回路實際循環(huán)p-h圖，引入基團(tuán)貢獻(xiàn)法，通過分析對比不同工質(zhì)基團(tuán)對系統(tǒng)制冷量和能效比的影響，得到系統(tǒng)適宜工質(zhì)的基團(tuán)組成及優(yōu)化和選擇原則，從而為系統(tǒng)性能的進(jìn)一步改進(jìn)提供理論依據(jù)。

1 液泵驅(qū)動自然冷卻回路系統(tǒng)

圖1 液泵循環(huán)原理

1.1 工作原理

圖1所示為液泵循環(huán)原理，液泵系統(tǒng)由工質(zhì)泵、蒸發(fā)器、冷凝器及儲液罐組成。工質(zhì)泵為系統(tǒng)提供動力，蒸發(fā)器負(fù)責(zé)將冷工質(zhì)與室內(nèi)熱空氣進(jìn)行換熱，而冷凝器則將系統(tǒng)中的熱量排放至室外，儲液器起穩(wěn)流和穩(wěn)壓作用。系統(tǒng)中的過冷工質(zhì)被工質(zhì)泵從儲液罐中抽送至蒸發(fā)器，在蒸發(fā)器內(nèi)工質(zhì)與外界熱環(huán)境進(jìn)行蒸發(fā)換熱，然后進(jìn)入冷凝器中冷卻降溫，最后回到儲液罐完成一個循環(huán)。

1.2 實際循環(huán)過程及性能指標(biāo)

忽略一些次要因素的干擾，對實驗系統(tǒng)進(jìn)行如下假設(shè)：

1)工質(zhì)在系統(tǒng)中為穩(wěn)定流動；

2)將系統(tǒng)中并聯(lián)的蒸發(fā)器和冷凝器作為一個整體考慮分析；

3)工質(zhì)只在蒸發(fā)器和冷凝器中與環(huán)境交換熱量，在連接管和儲液器中不和外界發(fā)生熱交換，即工質(zhì)從工質(zhì)泵至蒸發(fā)器、蒸發(fā)器至冷凝器、冷凝器至儲液器及儲液罐至工質(zhì)泵的過程為等焓過程；

4)儲液器內(nèi)有氣液分界面，認(rèn)為工質(zhì)從進(jìn)入儲液器的狀態(tài)及從儲液器出來的狀態(tài)不發(fā)生變化；

5)忽略儲液器到泵之間的阻力，控制儲液罐和泵之間的高度，從而保證泵所需的氣蝕余量。

圖2所示為簡化泵驅(qū)動兩相回路壓焓圖。

圖2 液泵循環(huán)壓焓圖

滿足上述假設(shè)后，壓焓圖各個過程如下：

(1)1-2：工質(zhì)泵壓縮過程；

W1=h2-h1

(1)

式中：h1為泵進(jìn)口處焓值，kJ/kg；h2為泵出口處焓值，kJ/kg；W1為泵功，kW。

(2)2-3：節(jié)流過程，可近似看成絕熱過程。對于液體而言等焓線與等溫線幾乎重合，因此認(rèn)為工質(zhì)溫度不變，忽略局部阻力；

(3)3-4：蒸發(fā)器中蒸發(fā)吸熱過程，逆流換熱；

Q34=h3-h4

(2)

式中：h3為蒸發(fā)器進(jìn)口處焓值，kJ/kg；h4為蒸發(fā)器出口處焓值，kJ/kg；Q34為蒸發(fā)器吸收的熱量，kJ/kg。

(4)4-5：蒸發(fā)器至冷凝器之間絕熱過程；

(5)5-6：冷凝器中冷凝放熱過程，逆流換熱；

Q56=h5-h6

(3)

式中：h5為冷凝器進(jìn)口處焓值，kJ/kg；h6為冷凝器出口處焓值，kJ/kg；Q56為冷凝器放出的熱量，kJ/kg。

(6)6-7：冷凝器出口至儲液器進(jìn)口，絕熱過程，忽略沿程和局部阻力；

(7)7-8：儲液罐進(jìn)口至出口，穩(wěn)定運(yùn)行時儲液罐內(nèi)有氣液分界面，忽略儲液罐阻力和換熱；

(8)8-1：儲液罐至工質(zhì)泵，忽略沿程和局部阻力。

Q=Q34-Q56

(4)

式中：Q為制冷量，kW。

(5)

式中：W為輸入功，kW；EER為能效比。

由于該系統(tǒng)是水側(cè)換熱只有泵功，因此輸入功等于泵功。

制冷量和EER的變化率的定義式為：

(6)

(7)

(8)

(9)

式中：n=1，2，3，…,7。

計算單原子基團(tuán)制冷量和EER的變化率(α1,β1)，計算H和F原子基團(tuán)時只需把C換成H或F即可。計算多原子基團(tuán)的制冷量和EER的變化率(α2,β2)，計算CH、CH2、CH3、F基團(tuán)時同上只需把C替換即可。因單原子基團(tuán)數(shù)較多，多原子基團(tuán)中CH、CH2、CH3的基團(tuán)數(shù)均為1，所以計算不同基團(tuán)制冷量和EER的變化率時采用了兩種公式。

2 工質(zhì)及基團(tuán)分類

利用C、CH、CH2、CH3、F 這5種基團(tuán)排列組合得出42種新型工質(zhì)，與《制冷原理與技術(shù)》中的制冷劑命名法相對照[18]。最終選出15種工質(zhì)[10]分為單原子基團(tuán)(C、H、F)和多原子基團(tuán)(C、CH、CH2、CH3、F)在蒸發(fā)溫度為25 ℃，冷凝溫度為15 ℃，質(zhì)量流量為2 700 m3/h時，從REFPROP查詢其物性參數(shù)。帶入液泵驅(qū)動自然冷卻回路[19]計算制冷量和能效比，分析每個原子基團(tuán)對其性能的影響。將組成15種工質(zhì)的單原子基團(tuán)和多原子基團(tuán)按照單原子C基團(tuán)增序進(jìn)行編號并列于表1。

表1 組成工質(zhì)的單原子基團(tuán)和多原子基團(tuán)數(shù)

3 結(jié)果分析與討論

3.1 單原子基團(tuán)對系統(tǒng)的影響

圖3所示為單原子基團(tuán)時，15種工質(zhì)的制冷量。其中R41制冷量最高為18.73 kW，R218制冷量最低為6.89 kW。由圖3可知，隨著工質(zhì)中C原子數(shù)增加制冷量減小，且數(shù)值減小較為明顯。當(dāng)C原子數(shù)恒定時，隨著H原子數(shù)的減少或F原子數(shù)的增加，制冷量減小。此外，1個C原子時制冷量波動較大，2、3個C原子時制冷量波動較為穩(wěn)定。但在工質(zhì)10(R116)時制冷量突然增大，導(dǎo)致該現(xiàn)象的原因可能是分子中H原子的缺失。有3處沒有H原子分別是工質(zhì)4(R14)、工質(zhì)10(R116)和工質(zhì)15(R218)。而與R14和R28相比，R116的制冷量大，可能是F原子數(shù)較多且C原子數(shù)適中造成的。C原子數(shù)越少，制冷量越大，因此R14的制冷量比R218的制冷量大。

圖3 單原子基團(tuán)和制冷量

圖4所示為單原子基團(tuán)時，15種工質(zhì)的EER工質(zhì)順序。由圖4可知，15種工質(zhì)的EER均大于9，EER最高可達(dá)9.53，最低為9。與圖3相比，圖4中隨著C原子的增加EER波動較為穩(wěn)定。隨著C原子數(shù)的增加EER減小。C原子數(shù)恒定時，隨著H原子數(shù)的減少或F原子數(shù)的增加，EER減小。而H原子和F原子比例失衡的幾個特殊點大體上呈現(xiàn)EER最小化。由圖3和圖4可知，工質(zhì)11、工質(zhì)12和工質(zhì)13組成原子數(shù)比列相同，只是原子排列不同，因此制冷量和EER幾乎無變化。這印證了基團(tuán)貢獻(xiàn)法的定義，同一種基團(tuán)對某一物性的貢獻(xiàn)值是相同的。

圖4 單原子基團(tuán)和EER

3.2 多原子基團(tuán)對系統(tǒng)的影響

分析多原子基團(tuán)對系統(tǒng)的影響，工質(zhì)按照C原子的升序排，再將其分成C、CH、CH2、CH3、F等5個基團(tuán)，圖5和圖6所示分別為5種多原子基團(tuán)的制冷量和EER。由圖5和圖6可知，C、CH、CH23個基團(tuán)大體上分布于制冷量和EER較低處，而CH3則分布于制冷量和EER較高處。分子式中每個原子質(zhì)量不同，對分子式影響大小不同。由這些原子構(gòu)成的基團(tuán)對工質(zhì)影響也不同，但這些基團(tuán)會保留原子原有的本質(zhì)。綜上所述，工質(zhì)中C原子數(shù)的影響占主導(dǎo)地位，因分子式中C原子數(shù)決定H和F原子數(shù)。再由C原子數(shù)恒定的情況下H原子數(shù)越多制冷量和EER越大，H原子數(shù)的影響位居其次。因此單原子基團(tuán)對系統(tǒng)的影響順序為：C>H>F(在此H和F原子數(shù)對工質(zhì)的影響是按照其基團(tuán)貢獻(xiàn)值大小決定)。結(jié)合圖5和圖6，多原子基團(tuán)對系統(tǒng)的影響應(yīng)順序為：CH3>CH2>CH>C>F。

圖5 多原子基團(tuán)和制冷量

圖6 多原子基團(tuán)和EER

3.3 不同基團(tuán)對制冷量和EER變化率的影響

不論工質(zhì)是單原子基團(tuán)還是多原子基團(tuán)，基團(tuán)數(shù)均對其性能有決定性的作用。根據(jù)式(6)～式(9)，計算了制冷量和EER隨不同原子基團(tuán)的變化率，將單原子基團(tuán)的制冷量和EER的變化率定義為α1和β1，而多原子基團(tuán)的制冷量和EER的變化率定義為α2和β2。圖7所示為不同基團(tuán)對制冷量和EER的變化率的影響。多原子基團(tuán)CH3的變化率最高α2=25.17%、β2=1.48%，單原子基團(tuán)H的變化率最低α1=7.65%、β1=0.01%?？梢钥闯龆嘣踊鶊F(tuán)的變化率比單原子基團(tuán)的變化率高。而單原子基團(tuán)C的α1和β1也較高，分別為22.34%和0.49%。圖7中前三為單原子基團(tuán)(C、H、F)的制冷量和EER的變化率α1和β1，后四為多原子基團(tuán)(C、CH、CH2、CH3)的制冷量和EER的變化率α2和β2。為方便對比放在同一圖中，并在圖中將單原子基團(tuán)和多原子基團(tuán)制冷量的變化率統(tǒng)稱為α，EER的變化率統(tǒng)稱為β。

圖7 不同基團(tuán)對制冷量和EER變化率的影響

綜上所述，以上15種工質(zhì)中，液泵驅(qū)動自然冷卻回路系統(tǒng)獲得高制冷量可使用：R14、R23、R32、R41、R116和R161；獲得高EER可使用：R32、R41、R125、R143a、R218、R227ea；同時獲得高制冷量和EER可使用：R32、R41、R143a、R152a、R161。將這些工質(zhì)按照C原子和H原子數(shù)增序列于表2，并列出其GWP及安全等級，所有工質(zhì)的ODP均為0。

綜合考慮環(huán)境指標(biāo)、安全指標(biāo)及上述分析給出了是否建議使用的理由(表2)。最終，對于液泵驅(qū)動自然冷卻回路系統(tǒng)要獲得高制冷量時建議使用R32和R161，要獲得高EER時建議使用R32和R143a，要同時獲得高制冷量和EER時建議使用R32、R143a和R161。其中R161各方面性能均優(yōu)于前兩者。

4 結(jié)論

本文利用基團(tuán)貢獻(xiàn)法結(jié)合液泵驅(qū)動自然冷卻回路系統(tǒng)的實際循環(huán)，將15種工質(zhì)帶入泵驅(qū)動自然冷卻回路計算制冷量和能效比，并分析系統(tǒng)制冷量和能效比隨不同基團(tuán)的變化情況，研究單原子和多原子基團(tuán)對液泵驅(qū)動自然冷卻回路系統(tǒng)性能的影響，得出如下結(jié)論：

1)將工質(zhì)按單原子基團(tuán)拆分時C原子數(shù)越少制冷量越大，C原子數(shù)恒定的情況下H原子數(shù)越多制冷量和能效比越大。

2)將工質(zhì)按多原子基團(tuán)拆分時也會保留單原子基團(tuán)對系統(tǒng)性能的影響，由C、H兩個原子組成的多原子基團(tuán)中H原子數(shù)越多，制冷量和能效比越大。

3)分析不同基團(tuán)對制冷量和能效比變化率的影響，得到多原子基團(tuán)變化率比單原子基團(tuán)高。對液泵驅(qū)動自然冷卻循環(huán)系統(tǒng)，從基團(tuán)角度推薦R32、R143a、R161工質(zhì)。