基于R245fa工质的高温热泵机组试验研究

张腾 史佩琦 邵现振 刘鹏 赵永杰

摘 要：高温热泵机组以30～60 ℃的工业废水为低温热源，为客户提供80 ℃以上高温热水，相较于电热锅炉，其具有显著的节能优势。现针对客户需求，设计了一台以环保制冷剂R245fa为工质的高温热泵机组，测试了其在不同工况下的性能参数。结果表明：随着冷凝温度的上升，高温热泵机组COP由5.46降至3.10;在各运行工况下，压缩机的排气过热度正常，能够保证机组长期稳定运行。

关键词：高温热泵;R245fa;冷凝温度;过热度

0  引言

市场上的热泵产品主要应用于家用供暖和商业供暖领域，一般可以提供不超过60 ℃的热水。近年来，热泵产品已逐步应用到工业领域。在工业生产中，虽然高温热水的需求量很大[1]，但大量低温余热被浪费的情况仍然存在。高温热泵产品可以利用30～60 ℃的低温热源，提供80 ℃以上的高温热水，节能优势较电锅炉更加明显，同时又避免余热排放对环境造成的污染，在工业领域的应用前景十分广阔。

目前，对于高温热泵技术的研究主要集中在寻找物理性质合适的环境友好型工质上[2]。高温热泵冷凝侧温度较高，从产品的经济性方面考虑，要求工质具有较高的临界压力、较低的工作压力以及良好的传热性能;从环保角度考虑，要求工质ODP为0，且具有较低的GWP[3]。

之前一些学者已经对R245fa高温热泵展开了研究，Guo Qiang等[4]对R245fa、R134a与R245fa混合工质进行实验研究，得出R134a与R245fa混合工质在相同条件下比纯R245fa工质传热系数高的结论，但非共沸混合工质存在温度滑移;杨文娟等[5]对比了高温热泵常用的5种工质的热物理性质，并对在相同工况下高温热泵中的COP、压缩机排气温度等性能参数进行了理论分析，得出R245fa更适合作为高温热泵工质的结论;杨金文等[6]优化高温热泵机组的膨胀阀与水路系统后，通过过热度调节机组供液量，测得机组在蒸发器平均水温60 ℃、冷凝器出水温度105.8 ℃工况下的COP为2.701;赵兆瑞等[7]设计了一套R245fa高温热泵机组，通过理论与实验对比分析的方法，测得不同工况下机组的相对COP为0.55～1.3，换热管传热系数为1.7～2.8 kW/（m2 · K）。

之前相关的研究结果多由理论计算或软件模拟得出，在试验室内制作的样机也主要用于验证理论数据，所以对企业生产的借鉴意义不大。本文根据客户实际需求，设计制造了一台以R245fa为工质的高温热泵机组，并测试了该机组在不同工况下的性能参数。

1  理论循环计算

1.1    客户工况

客户提供45 ℃的工业废水，并以此作为机组的低温热源，制取生产工艺所需的80～95 ℃的高温热水。

1.2  理论计算条件设定

将不同工质的饱和曲线绘制在温熵图上，并根据工质饱和蒸汽曲线倾斜的方向将工质分为两类：一类工质的饱和蒸汽曲线自蒸汽临界点开始向左倾斜（ds/dt ≤0），一般称之为“干性”工质或者“过热增”工质，其被压缩时的过热度随着压力的升高而上升;相反地，另一类饱和蒸汽曲线自蒸汽临界点开始向右倾斜（ds/dt >0）的工质，其被压缩时过热度随着压力的升高而降低，一般称之为“湿性”工质或者“过热减”工质。R245fa属于“湿性”工质，在被压缩的过程中会进入湿蒸汽区，造成排气带液。排气带液会导致油分离器的分油效率降低，从而引起机组失油报警停机。为避免湿压缩，机组必须保证有一定的吸气过热度。

考虑上述原因，并根据客户的实际需求，我们在进行高温热泵机组理论循环计算时做出如下设定：

（1）依据客户提供的需求，蒸发温度设定为42 ℃，冷凝温度范围设为78～98 ℃。

（2）不考虑热泵机组与环境之间的换热。

（3）吸气过热度设定为8 ℃，过冷度设定为3 ℃。

（4）根据以往设计经验，将蒸发器、冷凝器中的压力损失定为15 kPa。

（5）工质在管路内流动损失较小，忽略不计。

（6）压缩机Vi（内容积比）为3.5，绝热效率、电机效率、机械效率按实际工况下的数值选取。

1.3  理论计算模型

本台高温热泵机组整体遵循质量守恒定律及能量守恒定律，其基本方程可以描述为：

式中：m为工质质量（kg）;Q为制热量（kJ）;W为输入功率（kW）;h为比焓（kJ/kg）;in、out为机组的进口、出口。

螺杆压缩机为喷油压缩机，被压缩的工质气体不能视为理想气体，因此，压缩机的绝热效率需要通过焓差计算：

式中：Pad为等熵绝热压缩所需要的功率（kW）;qm为压缩机质量流量（kg/s）;hs为吸气状态下气体比焓（kJ/kg）;hds为排气压力下，与吸气状态熵相等的状态下气体比焓（kJ/kg）;ηad为绝热效率，反映了压缩机能量利用的完善程度，是等熵绝热压缩所需要的功率与压缩机实际轴功率的比值;P为压缩机实际轴功率（kW）[8]。

换热器的换热面积、传热系数及管内水的流速都决定了换热效率，可针对不同的换热模型选取不同的经验计算公式。换热器管外为清洁的制冷剂，故不考虑管外壁污垢热阻。本机组使用的换热器换热基本方程可以描述为：

对数平均温差?T可按照下式进行计算：

式中：?th为热端温差（℃）;?tc为冷端温差（℃）[9]。

2  高温热泵机组设计

2.1  机组设计注意要点

由于R245fa属于“湿性”工质且高温热泵机组的排气侧温度较高，在设计机组时需要注意以下几点：

（1）以吸氣过热度控制电子膨胀阀开度，设定在排气过热度低时进行阀门调节并开启机组报警程序，避免机组长时间处于湿压缩状态。