新型R1233zde制冷剂的高效节能环保性能分析

2018-09-14杨婧烨陆冰清陈江平

汽车工程 2018年8期

杨婧烨,陆冰清,陈江平

(上海交通大学制冷及低温工程研究所,上海 200240)

前言

能源紧缺和气候环境的恶化使得能源的梯级有效利用受到广泛关注。发动机废热是中低温余收的主要来源[1-3],燃油燃烧过程中60%～70%的能量会随着尾气排放至大气造成资源浪费和环境污染。发动机废热主要分布在3个部分:发动机高温烟气余热、发动机缸套水废热和发动机冷却液。小型有机朗肯循环作为应用于中低温废热回收的主要技术手段之一,其工质选择一直是国内外汽车行业研究的热点。

Shale[4]评估了多种工质在中低温余热回收中的应用,指出HFC型制冷剂如R134a和R245fa是适用于有机朗肯循环的低临界温度工质；Quolin[5]明确指出R245fa是适用于商用中低温废热回收有机朗肯循环中的常见工质；Muhammad[6]建立了1kW的小型有机朗肯循环,应用R123作为工质获得4.66%的热效率；Li[7]基于带回热结构的有机朗肯循环研究应用R123作为工质获得约6kW输出功。

随着全球气候变暖的影响,制冷剂选择标准[8-9]不再局限于ODP(ozone depletion potential)为零,2017年 MAC Derivative提出未来GWP(global warming potential)高于150的制冷剂均应被禁止使用。寻求环境友好型的清洁制冷剂的替代工作迫在眉睫。应用于有机朗肯循环中的高GWP制冷剂也将面临淘汰危机。一批新HCFO型低GWP制冷剂[10-12]因其物性与R134a和R245fa相近有望替代成为低温有机朗肯循环工质,其中包括R1234yf,R1234ze,R1233zde和 R1336mzzZ。

为了研究R1233zde作为R245fa替代物应用于低温有机朗肯循环中的可行性,本文中针对有机朗肯循环建立了稳态的系统仿真模型,包括4部件的独立模型。基于仿真模型分析比较了R12333zde和R245fa在给定工况下,各系统性能参数包括蒸发温度、泵耗功和循环热效率,说明 R1233zde替代R245fa的可行性。

表1 工质物性参数对比

图1 T-S饱和曲线对比

图2 饱和压力对比

1 工质物性

有机朗肯循环工质的选择遵循基本的制冷剂物性要求,无毒无腐蚀性且不含ODP。除此之外,根据有机朗肯的循环特性,工质在性能参数上还必须满足低临界压力、高临界温度的要求从而产生高的蒸发温度以获得更高的循环热效率。常见应用于低温余热回收的R245fa工质虽然不含ODP,但其GWP高达1 030,在未来更加严格的排放法规的标准下面临禁用的危机。R1233zde因其物性与R245fa十分相近被提出有望替代成为新余热回收有机工质。表1分别是R1233zde和R245fa的主要物性参数对比,图1[13]为两种工质的饱和T-S曲线对比,图2为两种工质相同饱和温度下对应的饱和压力值的比较。可以看出,虽然两者物性十分相似,但R1233zde的临界压力稍低于R245fa且临界温度略高,理论分析认为R1233zde在相同的最大工作压力条件下可以获得更高的蒸发温度,循环热效率也会相应提高。

2 系统仿真

系统仿真的目的是为了比较相同工况下R1233zde与R245fa主要性能参数表现。因此,针对有机朗肯循环,本文中搭建了稳态的半经验系统模型,为了简化计算做出了必要的假设从而无法作为完全预测型的系统模型。图3为静态仿真模型的算法流程图,算法主要包括3个收敛条件,对蒸发器、冷凝器和膨胀机进行状态参数的迭代计算。模型相关假设如下:

(1)工质泵与膨胀机循环效率被视作常数计算,分别为0.75和0.8；

(2)忽略管路及部件的压降；

(3)忽略部件与外部的传热损失等；

(4)过冷度作为模型的输入条件之一。

图3 算法流程图

2.1 独立部件模型

(1)热交换器

热交换器的独立部件模型采用稳态集中参数分布法。相区分布见图4,图中Tr和hr分别代表了制冷剂侧温度和焓值；下角标l,tp和v分别表示液态、两相和气态；下角标sf表示第二侧流体。

传热区域分为过冷、两相和过热区域。蒸发器与冷凝器的计算主要区别在于相区换热关联式的选择,单相区均使用Muley(1998)。传热计算采用ENTU法计算换热量和各相区换热面积。表2列出了换热器模型中所应用的换热关联式。

图4 相区分布

表2 各相区传热关联式

(2)工质泵及膨胀机

工质泵采用的是Ylya Teleman[14]提出的简化模型,工质泵的流量和功耗为

式中:vin为泵进口的比体积；ηmp为泵的效率。

膨胀机的理想出口温度为

式中k为该工质的绝热系数。

实际出口焓值由膨胀机的等熵效率修正:

式中:ηmech为膨胀剂的机械效率；Vs_cp为涡旋压缩的工作容积；rv为设计体积比。

系统整体的循环效率为

2.2 参数校核

模型参数的校核基于全工况实验数据所得。表3和表4分别为系统模型的输入参数和传热关联式的修正系数。图5为仿真模型与实验流量值的对比,精度在3%左右。

表3 模型输入参数

表4 传热关联式修正参数

图5 流量精度拟合

3 结果分析

基于修正后的仿真模型对R1233zde和R245fa进行分析计算。保证外部工况条件相同,控制热源流量与冷源侧不变,仅改变热源温度,从80℃连续变化至120℃,蒸发器出口过热度控制在2℃。通过迭代计算得到两种工质的状态点分布及性能参数指标大小。图6为工质泵耗功的比较,随着热源温度的上升,工质泵耗功也逐渐增加,在相同的外部工况下,R1233zde系统所消耗的泵功明显少于R245fa系统,减少幅度在15.05%～17.02%之间。原因是在相同的运行温度下R1233zde对应的工作压力较低。工质泵作为系统动力的主要来源,其耗功大小也影响着系统性能的优劣,减少泵耗功是系统优化的方向之一。

图6 工质泵耗功对比

图7 循环热效率对比

图7为各个热源工况下R1233zde和R245fa系统的循环热效率的对比。结果表明,R1233zde的循环效率略高于 R245fa。对应 120℃热源工况下,R1233zde的循环效率优于R245fa约7.03%。原因是,相同工况下,R1233zde消耗的泵功相对更少,在最大工作压力下,R1233zde可达到的蒸发温度更高,相应的循环热效率也就越高。

图8 100℃热源下T-S状态点分布对比

图8列举了100℃热源工况下,R1233zde与R245fa在T-S曲线上各个状态参数点的分布。由图可知,在给定相同的工况条件下,R1233zde可以达到相对更高的蒸发温度,在冷凝状态相近的情况下,更高的蒸发温度带来更优的热效率。在Bala V.Dalta[15]的实验分析中,R1233zde的热效率比R245fa高出了8.7%。综上所述,R1233zde被认为是性能略优于R245fa的低GWP制冷剂,完全有能力替代R245fa成为中低温有机朗肯余热回收的主要有机工质。