R1234ze(E)/R41混合工质用于热泵系统的可行性分析

2018-06-28唐向阳巨福军范晓伟王团结欧阳怀瀑邝阿敏马胜飞

中原工学院学报 2018年3期

唐向阳，巨福军,2，范晓伟，王团结，欧阳怀瀑，邝阿敏，马胜飞

(1.中原工学院能源与环境学院，河南郑州 450007； 2.东南大学能源与环境学院，江苏南京 210096；3.郑州大学土木工程学院，河南郑州 450001)

近年来，全球臭氧层破坏、温室效应加剧引起了人们对环境保护的重视。热泵作为一种高效节能技术，越来越多地应用于建筑供热空调和一些工业用热领域。目前常用的热泵工质是R22，以及无臭氧层破坏作用的替代制冷剂R134a、R410A和R407C等，但这些合成工质均具有较高的GWP值，在未来发展中终将被并入消减行列[1]。因此，寻找低GWP值的制冷剂将成为未来制冷空调行业的重要研究内容。R1234ze(E)制冷剂具有环保(ODP=0，GWP<1)、化学性质稳定及阻燃性等优点，但其单一成分的汽化潜热值较小，蒸发压力偏低，导热系数也较低，直接应用于热泵系统会导致系统性能系数低于目前常用工质R134a和R410A[2]。R41具有优良的热物性及传输特性，ODP为0，GWP值较低，运行压力较高，临界温度较低。但是，R41的可燃性限制了其使用范围[3]。因此，将R1234ze(E)与R41混合组成新型混合工质，有望实现彼此优势互补。

宋琦等将二元混合工质R41/R1234ze(E)用于-60 ℃温区精馏型自复叠制冷系统中，并进行了理论分析和实验对比，结果表明，采用R41/R1234ze(E)时系统的COP值稍低，单位容积制冷量相对偏低，但单位质量制冷量有明显的提高[4]。目前，国内外关于R1234ze(E)混合工质的研究虽已逐步开展，但尚未见到将R1234ze(E)和R41的混合工质用于热泵系统的研究。本文将R1234ze(E)和R41按一定比例组成混合工质，并对其替代R22应用于热泵系统中的可行性展开分析，为当前热泵工质替代研究提供一定参考。

1 R1234ze(E)/R41的相关物性分析

1.1 环境与安全性能

表1所示为制冷剂R41和R1234ze(E)的环保与安全性能对比。从表1可以看出，制冷剂R41和R1234ze(E)的ODP值均为0，GWP值远小于R22(1810)，符合国际限制高GWP值制冷剂的要求。因此，由R41和R1234ze(E)组成的混合工质在环境性能方面有明显的优势。

表1 热泵工质的环保和安全性能

国外权威检测机构已证实R1234ze(E)不具有助燃或爆炸性[5]。利用混合工质燃烧极限估算公式[6]计算不同R1234ze(E)质量配比下R1234ze(E)/R41的燃烧极限，见表2。

表2 不同R1234ze(E)质量配比所对应的燃烧极限

由表2可知，R1234ze(E)的加入较大程度地提高了影响燃烧的关键参数燃烧下限，可以有效地降低R41的可燃性。

1.2 溶油性

制冷剂与润滑油的相溶性情况直接关系到使用该制冷剂的热泵系统压缩机的选型和系统运行的稳定性。R41属于HFCs工质，与矿物油、烷基苯油完全不相溶，但是与聚烯烃乙二醇油和聚酯类油的互溶性很好，而R1234ze(E)与常见的润滑油均有良好的互溶性[7]。R22系统常用的润滑油为矿物油或烷基苯油，因此R1234ze(E)/R41因R1234ze(E)的存在而与原系统润滑油有很好的互溶性。

1.3 温度滑移

混合工质在相变过程中的非等温相变现象被称为温度滑移。利用这种变温特性，可以实现混合工质与变温热源之间良好的温度匹配，减小传热引起的不可逆损失，提高系统的循环性能。图1给出了在不同压力下混合工质的温度滑移随质量配比的变化关系。可以看出，不同压力下温度滑移均呈现出先增大后减小的趋势，且在R1234ze(E)质量配比为80%附近均出现最大温度滑移。相同质量配比下随着压力的增加，温度滑移减小，这是由于压力靠近临界点时，气、液两相态的差别减小，从而使温度滑移减小。

图1 不同压力下混合工质的温度滑移随R1234ze(E)质量配比变化而变化的曲线

2 热泵系统热力学模型

2.1 热泵系统组成

热泵循环系统由压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器等部件组成，系统流程如图2所示。

图2 混合工质热泵热水器循环系统流程图

2.2 系统模型与计算工况

本文参照文献[8]中的计算模型进行计算。在计算中假设：①忽略润滑油对制冷剂热物性的影响；②制冷剂在冷凝器出口为饱和液体状态，在蒸发器出口为饱和气体状态；③压缩过程的绝热压缩等熵效率为0.7；④系统与外界环境间无散热损失，并忽略制冷剂在连接管和换热设备中的压降；⑤节流过程为绝热节流；⑥蒸发器和冷凝器内换热流体间的传热系数足够大；⑦冷凝器和蒸发器中的最小传热温差设为6 ℃。系统循环性能的计算公式如下:

制热性能系数COPh:

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

(1)

单位质量制热量qh:

qh=h2-h3

(2)

单位容积制热量qhv:

qhv=(h2-h3)/v1

(3)

压缩机单位功耗w:

w=h2-h1

(4)

压缩机压比r:

r=pc/pe

(5)

式中：h为混合工质的比焓，单位为kJ/kg，下标1、2、3对应图2中的1、2、3点；Pc为系统冷凝器中的压力，Pe为蒸发器中的压力，单位为MPa；v1为混合工质的比热容，单位为m3/kg。

热泵模型通过EES求解计算，涉及到的所有制冷工质的热力学参数均由接口程序调用美国NIST开发的软件Refprop9.1得到。

根据国家标准GB/T 23137-2008《家用和类似用途热泵热水器》[9]规定的名义工况，设定热汇与热源进出口温度参数：热汇进、出口温度分别为15 ℃和55 ℃；热源进、出口温度分别为20 ℃和15 ℃。

3 计算结果及分析

为便于对比，表3列出了在上述热泵工况下，R22作为工质时的热泵系统循环性能主要参数的模拟计算结果。为了实现在现有R22热泵系统中对R22进行直接灌注式替代，R1234ze(E)/R41的冷凝压力不能高于R22压缩机允许的极限压力3.0 MPa。因此，本文仅将R1234ze(E)质量配比范围为65%～100%的R1234ze(E)/R41用于热泵系统的循环性能模拟计算分析。

表3 名义工况下R22热泵系统循环性能参数

3.1 系统制热循环性能系数COPh

制热性能系数与R1234ze(E)质量配比的关系如图3所示。从图3可以看出，R1234ze(E)/R41系统的制热循环性能系数COPh随着R1234ze(E)质量配比的增大，先缓慢上升，在到达波峰后迅速降低。R1234ze(E)/R41系统存在一个最优质量配比91/9，使COPh达到最大值4.977，较R22系统提高了14.15%；R1234ze(E)/R41系统存在一个最优质量配比区间85/15～95/5，在最优质量配比区间内混合工质系统的COPh值均高于4.91，且波动幅度较小，仅为1.36%。这有利于R1234ze(E)/R41在热泵系统中的应用。

图3 制热性能系数与R1234ze(E)质量配比的关系

3.2 系统单位质量制热量和单位容积制热量

单位质量制热量qh和单位容积制热量qhv随混合工质质量配比的变化而变化的曲线如图4所示。

图4 单位质量制热量和单位容积制热量与R1234ze(E)质量配比的关系

由图4可知，随着R1234ze(E)质量配比的增加，混合工质单位质量制热量呈先缓慢降低后降速加快的下降趋势，在R1234ze(E)质量配比为65%～100%的范围内，混合工质单位质量制热量均小于R22的单位质量制热量181 kJ/kg。与单位质量制热量下降规律不同，混合工质单位容积制热量呈均匀减小的变化趋势，这是由R1234ze(E)的比热容较小引起的。在R1234ze(E)质量配比为65%～80%的范围内，混合工质单位容积制热量较R22系统的高。在相同工况下，较高的单位容积制热量有利于压缩机的小型化。

3.3 压缩机运行参数

图5给出了R1234ze(E)/R41混合工质热泵系统冷凝压力、蒸发压力及压比随R1234ze(E)质量配比变化的趋势。

图5 冷凝压力、蒸发压力及压比与R1234ze(E)质量配比的关系

由图5可以看出，随着混合工质中R1234ze(E)的增加，系统冷凝压力逐渐降低，在R1234ze(E)质量配比为85%～100%时，系统的冷凝压力与蒸发压力均低于R22系统，且蒸发压力都高于0.1 MPa，不会出现吸气压力过低现象，有利于系统的安全稳定运行。压比随着R1234ze(E)质量配比的增加逐渐上升，并在其质量配比达到95/5后增速加快。在R1234ze(E)质量配比为65%～70%范围内，混合工质压比低于R22系统。较低的压比有利于提高压缩机的效率和系统的运行稳定性。

R1234ze(E)质量配比与排气温度的关系如图6所示。