浅析蒸汽生产热泵系统性能的研究

2018-06-22张雪琳

科学与财富 2018年15期

张雪琳

摘要：蒸汽生产热泵系统是一种高温状态下的热力学模型，为了探究热泵蒸汽系统的性能，将该系统与传统的高温热泵系统之间进行对比。本文将冷凝温度维持在120摄氏度至140摄氏度之间，蒸发温度控制在60摄氏度左右，随后对传统高温热泵工质与热泵蒸汽系统之间的纯工质的循环性能进行比较，结果显示热泵蒸汽系统的制热效果最好，循环性能也更加优越，下文就将对高温热泵蒸汽系统的性能进行具体的探究。

关键词：工质、高温热泵蒸汽系统、性能

序言

能源問题是当前世界关注的一个重点话题，随着能源的枯竭和耗尽，各种节能减排措施也开始推广并应用于各个领域。在我国余热能十分的丰富，如果能过将工业余热进行合理的回收和利用，那么将会对我国的能源问题带来极大的帮助，因此，热泵蒸汽系统的发展引起了人们的关注。借助高温热泵蒸汽系统，我们可以回收常温热泵系统所无法回收的工业余热，同时还可以将热泵与工业加热相结合实现直接的应用。相关技术的发展对于我国资源的利用和保护而言意义重大，众多学者也在展开相关的研究。在研究高温热泵的时候，一大难点在于工质的选择，工质不仅要有较高的循环性能，还要对环境有很好，一次你工质的选择是研究高温热泵蒸汽系统的前提。传统的高温工质随着技术的革新已经不再适用，新型工质的出现给高温热泵蒸汽系统的发展提供了可能。

1、工质的选择

在环境问题不容乐观的前提下，选择工质首先应当考量的就是其温室效应的指数以及对臭氧层的破坏指数，指数越低的工质就越理想。除此之外，还应当考察工质的化学性质、可燃性、毒害性以及油溶性等因素。高温热泵蒸汽系统对温度的要求较高，因此工质的临界温度要高达一定的水平，这也是高温热泵蒸汽系统与传统热泵系统的不同之处。

能够符合上述多种条件的工质并不多，因此对这些要求应当有所侧重并有所调整。此次研究对各种工质进行了综合的考察，最终挑选出R245fa、R245ca、R141b以及R123四个工质来进行研究和对比。

2、高温热泵蒸汽系统工质的循环性能研究

2.1能效系数COP的比较

在评估工质循环性能的过程中，首先要考虑的就是系统自身的能效系数，也就是在提取出的蒸汽的焓值同压缩机输入功率之间的比值，在此前提下对各个工质的循环性能进行对比。

实验结果表明，当冷凝温度开始升高的时候，各个工质的COP开始下降，但是其下降的速率不同。在R245fa、R245ca、R141b以及R123四种工质当中，R141b在高温热泵蒸汽系统中的COP比传统热泵系统的高出了四分之一，是四种工质中表现最好的。除了R141b之外，其它三种工质在高温热泵蒸汽系统中的表现也优于传统热泵中，其中最差的R245fa在高温热泵蒸汽系统中的COP也比传统热泵系统中使用R141b的系统COP值要高。从工质的系统COP值我们就能够看出高温热泵蒸汽系统所具有的优势。

2.2冷凝压力的比较

在系统运作的过程中，冷凝压力是评估其安全性能的核心要素之一。所谓的冷能压力，值得就是在蒸发器和冷凝器当中工质循环的压力。按照一般条件来看，当冷凝压力在2，5MPa以下且蒸发压力高于0.1MPa时，其系统部件的密封条件和耐压能够得到满足，在这样的状态下，空气便不会进入到系统当中。

在同样的实验条件下，我们来对四种工质在不同系统当中的冷凝压力来进行比较。首先，此次研究所选用的四种工质的标沸点都在60摄氏度之下，也就是比此次实验假定的要低，因此在原有的蒸发压力的基础上提升0.1MPa，研究的过程中则仅考虑冷凝压力。实验数据显示，R114的冷凝压力在任何系统中都高于其他的工质，余下的三种工质在冷凝温度区域当中的冷凝压力均在2.5MPa之下。在冷凝压力的测试当中R141b的表现更加的出色。即便是将温度提升至130摄氏度，R141b的饱和压力也仅有1.25MPa。

2.3单位制热量的比较

在制热量相同的情况下，系统工质的循环量将会受到工质单位容积制热量的影响，因而也会对压缩机的选择和机组的尺寸选择带来直接的影响。在实验环境中，四种工质在冷凝温度逐步升高的状态下，单位容积制热量都呈现出下降的趋势，其中R114的热量降低速率最快，且仅有R245fa的单位溶剂制热量比R114的要高。

2.4排气温度之间的比较

除了冷凝压力会给热泵系统的稳定运作带来影响之外，排气温度也会带来同样的影响。如果排气温度过高，那么压缩机的容积效率就会大大降低，而能量的消耗就会进一步的增大。且随着温度的增高，润滑油的粘度也会有所降低从而影响润滑效果，在这样的状况之下，压缩机会面临烧毁的风险。当然，排气温度过低也会给设备带来一定的负担。排气温度过低会导致工质产生湿压缩，这对于压缩机也会有消极影响。当冷凝温度在120-140摄氏度之间是，R245ca和R114会出现湿压缩的状况。在冷凝温度为140摄氏度时，R245fa的排气温度是141摄氏度，相比起其他的工质而言排气温度较高。

3、四种工质的比较

3.1R245fa

该工质对环境较为友好，其优点在于单位容积制热量很高，且系统COP偏低。排气温度不高但也不会出现湿压缩的问题，因此循环性较为优良，但其缺点在于高温下的冷凝压力过高，容易给机组带来压力，是当前最佳的高温热泵蒸汽系统工质。

3.2R245ca

该工质不可燃，却无毒无害对环境友好。在冷凝压力、COP、循环性以及单位容积制热量方面的表现处于中等水平。其关键性问题在于容易出现湿压缩的状况，因此需要保障压缩机当中工质的热度。

3.3R141b

大气寿命值很低，COP表现优良，冷凝压力偏低，单位溶剂制热表现适中。但是该工质不适合高温下使用，且该工质的毒性也使其不适用于高温热泵蒸汽系统。

3.4R141b

该工质的循环特性很好，冷凝压力最低却不会产生湿压缩的现象，COP值很高，这些是其优点。但是它的单位溶剂制热小，排气温度高，且毒性不确定，不是最佳的选择。

总结

本文通过实验对各种工质的系统循环性进行了对比研究，发下R245fa是最适合高温热泵蒸汽系统的工质，希望此次研究能够给高温热泵蒸汽系统的发展和使用带来一定的参考和思考。

参考文献：