热泵热水器中R1234ze(E)/R32替代R22的可行性分析

2018-09-27王团结巨福军2范晓伟唐向阳邝阿敏

建筑热能通风空调 2018年8期

王团结巨福军，2范晓伟*唐向阳邝阿敏

1中原工学院能源与环境学院 2东南大学能源与环境学院

0 引言

据中国制冷空调工业协会统计[1]：HCFCs消耗总额中，R22（ODP=0.055，GWP=1700）占 99%，但 R22 属于被替代制冷剂。鉴于《京都议定书》限制高GWP值制冷剂的使用，作为R22主要替代物的R410A和R407C也只能作为过渡性的替代制冷剂[2]。因此寻找安全高

效且环保性能优良的替代制冷剂，是目前学术界一个重要的研究方向。由于大气寿命短，ODP=0，GWP=6，新型环保工质R1234ze(E)被作为潜在的热泵替代工质[3]。Adrian[4]和张雷[5]研究发现，与R22相比，R1234ze(E)在冷凝压力、排气温度上有较大优势，但潜热较小，导热系数偏低，单位容积制热量较小是其主要的制约因素。R32市场可获性好，GWP=675，是GWP较低的替代制冷剂，在美国ARI Standard 520标准的空调工况下，其单位容积制冷量高于R22，但COP偏低、排气压力与排气温度偏高，且具有弱可燃性，限制了其作为替代制冷剂的使用[6-7]。因此，将两种工质有目的的混合有望克服各自的缺点，组成非常具有潜力的环保替代工质。

目前，Koyama在R410A实验台上进行了R1234ze(E)/R32(50/50)混合工质的实验研究，发现添加R32能够提高R1234ze(E)系统的制冷量[8]，Fukuda在水-水压缩制冷实验台上进行了替代研究，发现在热泵模式和制冷模式下，质量配比分别为20/80和50/50时制冷剂COP最高[9]。目前已公开发表的文献少有将R1234ze(E)/R32用于热泵热水器系统的研究，基于此，本文将对不同配比下R1234ze(E)/R32混合工质在热泵热水器循环系统中替代R22的可行性进行分析研究，为热泵工质R22的替代研究提供理论依据。

1 R1234ze(E)/R32混合制冷剂的物性

1.1 环保及安全特性

如表1所示，与常用热泵工质相比，可以看出R1234ze(E)和R32的ODP为0，GWP较小。因此，R1234ze(E)/R32混合制冷剂具有优异的环保特性。ASHRAE标准34和ISO/FD IS 817-2013均将R1234ze(E)划分为A2L类制冷剂，即轻微可燃，但ASTME-681及欧盟A-11方法测试结果表明R1234ze(E)为不可燃气体，且英国Chilworth Technologies Ltd试验结果也表明其不具有助燃或爆炸性特性[10]。本文采用田贯三[11]所提出的混合工质燃烧极限估算公式，计算了不同质量配比下的燃烧极限，如图1所示，R1234ze(E)的加入有效降低了R32的可燃性。

表1 几种制冷剂的环保及安全特性

式中：Ce为不含阻燃工质的燃烧极限，%；Cz为混合工质的燃烧极限，%；B为阻燃工质的体积百分比，%。

图1 R1234ze(E)/R32的燃烧极限与质量配比的关系

1.2 饱和蒸气压力

根据混合工质筛选原则，替代工质应与被替代工质应有相似的饱和蒸气压曲线，即组成混合工质的组元蒸气压曲线应位于被替代工质的蒸气压曲线两侧，这样才有可能使混合工质的饱和蒸气压曲线接近被替代工质[12]。从图2可以看出R1234ze(E)和R32的饱和蒸气压力曲线分别位于R22饱和蒸气压力曲线的两侧，且配比为45/55的混合工质与R22相似且接近，所以R1234ze(E)/R32（45/55）混合工质能够实现对R22系统的直接充注替代，降低替代成本。

图2 R1234ze(E)、R22和R32饱和蒸气压曲线

1.3 温度滑移特性

温度滑移是非共沸混合工质所具备的独特性质。非共沸混合工质的使用可实现其与载热流体在换热器中较好的温度匹配，从而减少传热不可逆损失，达到提高系统循环性能的目的。图3表示不同压力下温度滑移与R32质量分数的关系，可看出相同质量配比下压力越高温度滑移越小，而同一压力下温度滑移呈现先增大后减小的趋势。标准大气压力下混合工质的最大温度滑移可达14.06℃，对应的R32质量分数为20%。热泵热水器试验工况下热源与热汇测温差分别为5℃和40℃，R32质量配比范围为10%～50%时混合工质各压力下的温度滑移均大于5℃，因此能够实现较好的温度匹配。

图3 不同压力下混合制冷剂温度滑移与R32质量分数的关系

1.4 溶油性

制冷剂与润滑油的互溶性直接影响压缩机的润滑效果，从而影响压缩机的使用寿命和系统性能稳定性。目前制冷和热泵系统中最常用的润滑油为矿物油（MO）、烷基苯油（AB）和POE。作为HCFCs工质，R22系统常用的润滑油为烷基苯油，而R32属于HFCs工质，完全不溶于矿物油和烷基苯油，但能很好的溶于聚酯类油（POE等）。从表2中可以发现，R1234ze(E)与常见润滑油均具有良好的互溶性[13]，因此，R1234ze(E)的加入能够有效提高混合工质与润滑油的相溶性，无需更换R22采用的润滑油。

表2 制冷剂与润滑油的互溶性

2 模型建立

热泵热水器循环系统流程如图4所示，主要部件包括蒸发器、压缩机、冷凝器和膨胀阀。

图4 热泵热水器循环系统流程图

本模型采用文献[14]提出的热泵模型。通过EES软件进行求解计算，所有的热物性参数均是调用美国NIST开发的数据库Refprop9.1[15]。系统理论循环性能计算公式如下：

1）制热性能系数COPh

2）单位质量制热量qh

3）单位容积制热量qhv

4）压缩机压比r

式中：h为混合制冷剂的比焓，kJ/kg；P为系统中的压力，MPa；v为混合制冷剂的比热容，m3/kg；1～4为图 4中各状态点；c为冷凝器；e为蒸发器。

3 计算结果分析

根据国家标准GB/T 23137-2008《家用和类似用途热泵热水器》[16]规定的名义工况，设定热汇与热源进出口温度参数，如表3所示。

表3 热泵热水器名义工况参数

为便于分析混合制冷剂的循环系统特性并与常见的几种制冷剂进行对比，在相同工况下，分别计算了热泵系统纯工质R22、R32和R1234ze(E)的循环性能参数。如表4所示，可以看出R1234ze(E)循环系统的排气温度最低，仅为65.15℃，比R22低19.52℃，单位容积制热量比R22低54.16%。虽然R32循环系统的排气温度最高，但其单位容积制热量比R22高61.80%，COPh高3.44%。

表4 热泵热水器系统循环性能参数

3.1 系统制热COPh和压比r

如图5所示，R1234ze(E)/R32系统的COPh随R32质量配比的增大，先增大到峰值再逐渐减小，主要原因是当R32较少时，R1234ze(E)为主要成分，其等熵线斜率较大，此时压缩机耗功较小，制热量的增加大于压缩机功耗的增加，COPh呈现持续增大趋势；随着R32质量分数的增加，R32占主要成分，而R32等熵斜率较小，制热量的增加无法弥补压缩机功耗的增加，因此循环性能逐渐降低。混合制冷剂的压比r由4.148逐渐下降到2.903，再缓慢增加到2.971，压比低于R22和R32系统的质量配比范围分别为30%～100%和50%～100%，较低的压比有利于提高压缩机的容积效率，降低功耗。

图5 制热性能系数、压比与R32质量配比的关系

R1234ze(E)/R32（90/10）系统制热循环性能为4.565与R22相当，R32的质量配比在10%～100%范围内时混合制冷剂的COPh高于R32系统和R22系统。R1234ze(E)/R32系统最优质量配比为45/55，如表4所示，此时压比低于R22系统，制热COPh值为4.744，比R22系统和R32系统分别提高8.81%和5.19%，与R22系统相比，排气温度降低了3.92℃，单位质量制热量和单位容积制热量分别增加了3.59%和27.59%，而冷凝压力升高了0.377 MPa。

3.2 压缩机运行参数

图6所示为不同R32质量配比下，R1234ze(E)/R32系统的冷凝压力、蒸发压力及排气温度的变化趋势，可以看出：随着R32质量配比的增大，混合制冷剂系统的冷凝压力从1.237MPa线性增加到3.192 MPa。R32质量配比在0～35%范围内时，系统冷凝压力和蒸发压力分别低于R22系统，在整个质量配比范围内，冷凝压力与蒸发压力均低于R32系统，且蒸发压力最小为0.298 MPa，大于标准大气压，不会出现吸气压力过低现象，有利于系统安全稳定运行。排气温度是压缩机的一个重要安全性指标，较低的排气温度有利于循环系统的安全稳定运行。由图6可以看出，随着R32质量配比的增加，系统排气温度最高可达93.92℃，而质量配比在0～70%范围内的系统排气温度均低于R22系统。

图6 冷凝压力、蒸发压力及排气温度与R32质量配比的关系

3.3 系统的单位质量制热量qh和单位容积制热量qhv

如图7所示，R1234ze(E)/R32系统的单位质量制热量与单位容积制热量随R32质量配比的增加均呈现增长趋势。其中单位质量制热量从145.8 kJ/kg增长到279.4 kJ/kg，增长速率逐渐变小，R32质量配比为45%的混合制冷剂单位质量制热量与R22系统（181 kJ/kg）相当，在相同的制热量和热泵工况下，制冷剂单位质量制热量越大则灌注量越小，可减少工质的充注量，降低制冷剂成本，从而降低工质泄露时燃爆以及污染环境的可能性。与单位质量制热量增长规律不同，混合工质的单位容积制热量增长速率逐渐增大，从2321 kJ/m3增加到8192 kJ/m3，单位容积制热量高于R22系统（5063 kJ/kg）的混合制冷剂中R32质量配比范围为35%～100%。在相同制热能力下，具有较大的单位容积制热量的循环系统所需的压缩机排量小，压缩机结构更为紧凑。