复叠式工业热泵工质理论的研究与实验

胡陈春，林潘忠，林炳南

（1.永嘉县荣信科技有限公司，浙江 温州 325103；2.温州职业技术学院 机械工程系，浙江 温州 325035）

0 引 言

工业余热是一种非常有利用价值的二次能源，但化工、冶金、电力等工业生产中常有大量40℃～80℃的工业热量排放，造成严重的热污染和资源浪费。随着国际能源问题的日益突出，如何高效地使用能源、回收各种余热和减少传统能源的消耗，成为人们关注的焦点。热泵作为一种重要的利用工业余热产热的设备，以消耗部分化学能或电能为代价，把热量从温度较低的工业余热中转移到高温系统中，目前单级热泵已被广泛用于制取60℃以下的常温热源。然而，随着工业上对高温热水需求的不断提高，传统的单级热泵已不能满足要求，其缺陷是制热温度和制热能效比（COP）较低，目前很多工程领域相关学者和企业已经研究了最高可达100℃以上的复叠式制热技术[1-2]。

目前国内外对高温热泵的研究主要集中在工质选择[3]和制热系数提升两个方面。随着CFCs和HCFCs类高温工质被逐渐淘汰，常见HFC类纯工质最高热输出温度又不足，非共沸混合工质逐渐成为了研究热点。与单一工质相比，某些非共沸混合工质可以获得高温和低压的特性，可满足高温热泵对工质运行压力的要求，热泵的循环效率较高[4]。李巍开发出一种高温非共沸混合工质BY-6，设计蒸发温度从90℃变化到115℃，对应冷凝温度从145℃变化到170℃[5]；周福等人通过对R245fa与R134a、R152a、RC270特定配比下混合物的研究表明，混合工质系统的热力性能优于上述几种纯工质，且以R245fa/RC270（0.88/0.12）时性能最优，出口水温为80℃的条件下，制热能效比（COP）达到5.15[6]。天津大学王怀信课题组分别对不同的新型热泵工质物性进行大量研究，并获得了一些列的成果。近年来日本又成功研制了采用R134a/R245fa混合工质的高效热泵，最高出水温度可达165℃[7-8]。高温热泵的关键技术就是寻找合适优质的工质，解决低温级和高温级的工质匹配问题。但目前，能真正实现90℃以上的工业热水制取多停留于实验室阶段，较少应用于工业生产。另外，在提高热泵温度的同时，如何有效地提高制热能效比也一直是国内外研究的热点。

1 复叠制热原理分析

复叠式工业热泵采用双压缩机作为热泵装置动力来源，用复叠式换热器进行换热，具体结构见图1，从30℃～40℃左右的低温热源吸热，最高制热温度可达90℃。装置主要包括低温压缩机、高温压缩机、低温冷凝器、高温冷凝器、复叠式换热器、低高温膨胀阀和蒸发器，构成低温回路和高温回路。低温压缩机依次连接低温冷凝器、复叠式换热器、低温膨胀阀和蒸发器构成低温回路；高温压缩机依次连接高温冷凝器、高温膨胀阀和复叠式换热器，通过复叠式换热器连接低温压缩机构成高温回路。复叠式热泵系统由中间换热器将两个热力循环连接起来，使热泵获得更高的制热效率和温升。

图1 复叠制热技术原理

目前复叠式热泵通常采用两套蒸气压缩系统，分别为适合于中温制热的R-417a和高温制热的HFCR-134a工质，各自负责中温级和高温级的制热，两级独立系统通过中温热水容器的耦合形成一个直接制取高温热水的系统，低温级出水温度约为45℃～55℃，该温度的水作为高温级进水，高温级出水温度约为50℃～90℃。这样的两级耦合系统，避免了单级系统存在的工作压力高或制热温度低等问题。另外，由于两级子系统各自都工作在压力比较小的工况，具有制热系数高、排气温度低等优点，避免了常规单级热泵在制高温热水时压缩机排气温度高、系统工作压力高、低温环境制热效果差甚至不能制热、能耗大等问题。但是复叠式热泵高温级工质与单级高温热泵工质性能要求不一样，出水温度高且对冷凝压力有一定的要求，已有的高温级工质的特性与低温级匹配较差，寻找合适的高温级工质迫在眉睫。

2 高效复叠式工业热泵结构设计与工质研究

2.1 高效复叠式工业热泵装置主要结构

高效复叠式工业热泵主要结构如图2所示，主要包括低温压缩机、高温压缩机、低温冷凝器、高温冷凝器、复叠式换热器、低高温膨胀阀和蒸发器，构成低温回路和高温回路。将低温级的涡旋式压缩机、高温级的活塞式压缩机的双机压缩机作为热泵装置动力来源，低温和高温压缩机分别连接带冷凝器的冷交换器和热交换器后通过细铜管分别连接压力表和带膨胀阀的过滤器，再通过粗铜管和水泵以及水箱之间形成循环水路，水泵和水箱之间设有阀门。水箱又与低温商用机之间通过粗铜管形成循环水路。

图2 高效复叠式工业热泵主要结构

工作时，低温级压缩机出口的高温高压制冷剂进入冷凝器，通过冷交换器冷凝成高压常温液体，经膨胀阀流入蒸发器，在蒸发器蒸发并吸收空气中的热量变成低温低压的蒸气，被压缩机吸入压缩成高压高温的制冷剂不断循环。通过冷凝器的水冷式热交换器把水箱的水加热成45℃～55℃热水。高温级热泵制热原理与低温级相同，高温级蒸发器热交换器吸收水箱底部的热量，经压缩机压缩从高温冷凝器流出50℃～90℃高温热水。

2.2 工质配比理论研究

在满足环保要求的前提下，选择工质时主要考虑其热力学性能等方面的要求。本文从基本物性、热力特性及环保性能等方面进行筛选，目前工业热泵上常用的工质有HFCR134a、R417a、HFC245fa等。本研究对以上先对3种常用的高温热泵纯工质进行了理论计算，其基本物性参数见表1，理论计算设计工况为蒸发温度为40℃，冷凝温度70℃～100℃。

由表1可见，纯工质应用在高温热泵领域均有一定的缺点，利用混合工质可以弥补纯工质的缺陷。本研究将HFCR134a与R417a适当的质量比混合作为高温压缩机的改性冷媒，通过长期深入实验对两种环保制冷剂进行比例配比，保证高温热泵在合适的工作压力下工作，并提高制热能效比。

为了得到HFCR134a/R417a的最佳配比，在蒸发温度40℃、冷凝温度100℃工况下，将HFCR134a/R417a的混合物各自在不同配比下进行理论计算，部分热力性能见表2。

表1 纯工质基本物性参数

表2 不同质量配比下HFCR134a/R417a的热力性能

表2显示了几种不同质量的配比，利用MATLAB编制计算程序对任意质量比或摩尔比的混合新工质进行理论计算，并将其物性参数在REFPROP热物性计算软件中调用。计算结果表明，同一工况下，混合工质HFCR134a/R417a随着HFCR134a占比的增大，冷凝压力不断升高，当HFCR134a占比在0.5时，冷凝压力达到2.43MPa。

根据热泵使用要求，在安全运行条件下，选择HFCR134a占比低于0.4的混合比工质，COP较高，单位容积制热量较大，最高排气温度为108.2℃，COP最低值为4.17，且随着HFCR134a占比增大，COP值逐渐减小，但降低的幅度不是特别明显。在单位容积制热量方面，随着HFCR134a占比增大，制热量逐渐增大，且在0.3/0.7的配比时，提高幅度明显。综合上述因素，在理论计算情况下，0.3/0.7的质量配比是高温热泵工质的最佳选择，该配比情况下的COP和单位容积制热量都较高，其基本物性参数见表3。

表3 0.3/0.7质量配比的HFCR134a/R417a混合工质基本物性参数

3 实 验

为验证上述工质配比的实际效果，以一台12kW的复叠式高温热泵机组为研究对象，如图3所示，该机组热交换器最大工作压力为2.6MPa，压缩机吸/排气最大工作压力为0.5/2.2MPa。当时水源的平均温度稳定在40℃，冷凝器的出口水温在70℃至100℃之间时，通过实验计算表2中HFCR134a/R417a不同配比混合工质时热泵的制热量、制热系数和排气压力等参数。

图3 12kW复叠式高温热泵机组

（1）制热量。制热量随着出水温度的增加而增大，如图4所示。出水温度越高，制热量越大，在相同的出水温度，HFCR134a/R417a配比为0.5/0.5时制热量是最大的。在出水温度为100℃时，制热量最大值达到9.58kW。当出水温度超过90℃时，采用不同配比的HFCR134a/R417a的制热量趋于稳定，提升量不大。

图4 不同工质配比时的制热量

（2）制热能效比（COP）。在热泵中，制热能效比是反应热泵性能的重要参数。

式中，Q1为低温热源水的放热量；Q2为冷凝器出水的吸热量；P1为低温侧压缩机的输入功率；P2为高温侧压缩机的输入功率。

高温级热泵的制热性能系数理论计算值随着温度的上升而下降，并且随着HFCR134a占比的增大，制热系数逐渐降低（见表4）。

表4 混合工质制热系数理论计算值

通过实验可得HFCR134a/R417a不同配比时制热能效比如图5所示，从图中可以看出，制热能效比随着出水温度上升而下降，这与理论计算的结果是一致的，这是因为随着出水温度的升高，压缩机功耗的增长速度也随之增大，导致COP值下降。HFCR134a/R417a配比在0.3/0.7、0.4/0.6、0.5/0.5时，出水温度不同，其制热能效比变化较小，出水温度的变化比较平缓，而采用工质配比0.1/0.9和0.2/0.8时，制热能效比迅速下降。

图5 不同工质配比时的制热性能系数

（3）排气压力。不同的出水温度下5种不同工质组合对应的系统排气压力如图6所示。排气压力的变化趋势与理论计算中冷凝压力的趋势吻合，随着出水温度的升高，冷凝压力也不断增大，出水温度对冷凝压力的影响较大。当HFCR134a占比超过40%以上，出水温度高于70℃时，排气压力超过2MPa，由于大部分热泵的承压极限在2.4MPa左右，考虑到安全性问题，应该将冷凝压力控制在2MPa。

根据上述结果，HFCR134a/R417a采用0.3/0.7的质量配比时，COP和制热量都较高，高温级出水温度在90℃时排气压力在1.84MPa左右，满足设备的安全要求。

图6 不同工质配比时的冷凝压力

4 结 论

为选取复叠式工业热泵合适的高温级工质，通过Matlab软件调取REFPROP的相关函数节点对混合工质进行理论计算，得到HFCR134a/R417a混合工质在不同质量配比下的热力性能。实验分析发现，该混合工质在0.3/0.7的质量配比时具有较好的热力性能，此时，高温级的冷凝压力和制热能效比分别为1.84MPa、3.87，运行稳定。研究结果对高温热泵的工质选择和研究具有一定参考价值。