（热能工程专业论文）r407c地源热泵系统设计与实验研究.pdf

捅要 摘要 节能和环保是2 l 世纪科学技术发展的两大议题。热泵作为一种能有效节省 能源、减少大气污染和c 0 2 排放的供热和空调新技术，在当今世界范围内节能 降耗的大趋势下，受到了世界各国的重视。但是在环保方面由于著名的c f c 问题 的提出，因此，将传统使用的c f c 制冷工质替代为对臭氧层不起破坏作用的环 保型绿色工质就成为一项十分重要的工作。基于热泵系统节能和环保这两方面问 题的考虑，本文设计了一种以三元非共沸混合工质r 4 0 7 c 作为h c f c 2 2 的替代 工质的地源热泵系统，重点研究和分析了该地源热泵系统的基本特点和运行规 律。 本文首先针对混合工质的基本热物理性质进行了基础理论研究，分析了对于 混合工质热泵的基本特性。然后本着优化设计的原则对地源热泵系统的设计工况 进行了分析，根据其工作特点对机组各主要部件进行了设计。对系统进行了全面 的热力计算，并根据计算结果对各配件进行了匹配选型，同时兼顾了各配件在连 接和能力上的双重匹配。为了得到准确的实验数据本文对测量系统进行了认真的 调试，使其能够可靠的运行。最后对该地源热泵系统进行了一系列的实验研究， 获得了大量关于混合工质地源热泵运行特性的实验数据，并对测试结果进行了分 析总结，得到了关于混合工质热泵的运行规律，并为热泵系统的工质替代研究提 供了十分有价值的数据。 本文所完成的工作以及对混合工质地源热泵基本特点和运行规律的研究和 分析对关于热泵技术中替代传统工质工作的发展具有一定的参考意义和实用价 值。 关键词：混合工质r 4 0 7 c ；地源热泵；热力计算；运行特性 a b s t r a c t b o t he n e r g yc o n s e r v a t i o na n de n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o na r et h eg r e a tt o p i c sf o r d i s c u s s i o ni nt h ed e v e l o p m e n to ft e c h n o l o g yi n2l “c e n t u r y b e c a u s eh e a tp u m pi sa l 【i n do ft e c h n o l o g yo fr o o mh e a t i n ga n da i r c o n d i t i o n i n gw h i c hc a l le m c i e n t l y e c o n o m i z ee n e r g ya n dd e c r e a s ea i rp o l l u t i o na n dc a r b o nd i o x i d ee m i s s i o n s ，m a n y c o u n t r i e si nt 1 1 ew o r l da t t a c ht h e i ri m p o r t a n c et ot h et e e h n o l o g yi nt h es c e n eo fe n e r g y c o n s e r v a t i o na n dr e d u c i n gc o s t b u td u et ot h ep r o b l e mo fc h l o r o f l u o r o c a r b o n ( c f c ) i ne n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n ，i ti sv e r yi m p o r t a n tt or e p l a c et r a d i t i o n a lr e f r i g e r a n tb y n e wg r e e nr e f r i g e r a n tt h a ti sn o th a r m f u lt oo z o n el a y e r t h i se x p e r i m e n t a lp l a t f o r r ni s a g r o u n ds o u r c e h e a tp u m ps y s t e mi nw h i c hh c f c2 2i s r e p l a c e db y t h e n o n a z e o t r o p i cm i x t u r er 4 0 7 c t h es t u d yf o c u s e so nt h eb a s i cc h a r a c t e r i s t i c sa n d p e r f o r m a n c eo f t h eg r o u n ds o u r c eh e a tp u m pu s i n gr 4 0 7 ca sw o r k i n gf l u i d i nt h i sp a p e r t h eb a s i cp r o p e r t i e so ft h e r m a lp h y s i c so fm i x e dr e f r i g e r a n ta r e f i r s t l ys t u d i e di nt e r m so ft h e o r ya n dt h ec s s e n t i a lf e a t a r e so f h e a tp u m pu s i n gm i x t u r e a r ea l s oa n a l y z e d t h e no nt h ep r i n c i p l eo fo p t i m i z i n gd e s i g nt h ew o r k i n gc o n d i t i o n o fg r o u n ds o u r c eh e a tp u m ps y s t e mi sa n a l y z e d a c c o r d i n gt ot h ep e r f o r m a n c eo ft h e u n i te a c hm a i nc o m p o n e n ti sd e s i g n e d t h e r m o d y n a m i cc a l c a l a t i o nf o r t h es y s t e mi sa o v e r a l lp l a n n i n g ，a n db a s e do nt h er e s u l to fc a l c u l a t i o nc h o o s i n gt h et y p eo fe a c h f i t t i n gi sb e s tm a t c h e da n d a tt h es a l n et i m et a k i n gi n t oa c c o u n tb o t h c a p a c t r ya n di o i n t m a t e h i n g i no r d e rt oo b t a i na c c u r a t ee x p e r i m e n t a ld a t a ，t h et e s t i n gs y s t e mi ss e r i o u s l y d e s i g n e da n dc a r e f u l l ya s s e m b l i e dt om a k ei tr u np r o p e r l y f i n a l l y ，as e d e so f e x p e r i m e n t so ft h eg r o u n ds o u r c eh e a tp u m ps y s t e mi sc o n d u c t e da n dp l e n t yo f e x p e r i m e n t a ld a t ai nd i f f e r e n tc o n d i t i o n si so b t a i n e d i nt h ec o u r s eo fa n a l y s i sa n d s u m m a r yo ft e s t i n gr e s u l tt h el a wo fo p e r a t i o no fh e a tp u m pu s i n gr 4 0 7 ci sg a i n e d a n dt h ev e r yv a l u a b l ed a t af o rs t u d yo f r e p l a c e m e n to f r e f r i g e r a n ti sp r o v i d e d t h er e s u l t so ft h i sp a p e rh a v eav a l u b l er e f e r e n c ef o rt h ea p p l i c a t i o no fg r o u n d s o u r c eh e a tp u m pu s i n gm i x t u r er 4 0 7 ca sw o r k i n gf l u i di np r a c t i c e k e y w o r d s ：m i x t u r er e f r i g e r a n tr 4 0 7 c ；g r o u n d s o u r c eh e a t p u m p ； t h e r m o d y n a m i cc a l c u l a t i o n ；t e s tp e r f o r m a n c e n 物理量名称及符号表 c 。一平均温度下的定压比热容，j k g ：瓦。一高温热源热力学平均温度，k c o p 一性能系数： c o l 一制冷工况下性能系数 死低温热源热力学平均温度，k ，一摄氏温标，： c o & 一制热工况下性能系数：t 。一冷凝器侧水进u 温度， d 一管道直径，m h 焓，k j & g ； 。冷凝器侧水出口温度， o 一蒸发器侧水进口温度， 置一管道的绝对粗糙度，m m ； 。一蒸发器侧水出口温度， 一总当量管长，m ； 管道断面平均流速，“s ： ，一管道长度，m ； v 容积，m 3 ： ，一当量管长，m ；v 。压缩机理论排气量，m 3 m ； p 一绝对压力，p a i v 流体比容，m 3 ，蝇： q l 一机组净制冷量，冷凝器负荷，w ； w 一压缩机的等熵压缩功，w ： q 一蒸发器负荷，w ；x 一混合物中组分的摩尔分数： 已一机组净制热量，w ； 一管道直径，m ： 已一环境空气传入干式蒸发器五抬程摩擦阻力系数； ( 冷凝器) 冷( 热) 水侧的修正项，w ； 压缩机压力比； 吼一单位质量制冷量，k j m g ：p 流体密度，k g m 3 ； 钆一冷凝器单位质量负荷，k j k g ；u 一流体的运动粘度，m 2 s ； q 。蒸发器单位质量负荷，k 1 k g ； 一混合物m g t 分的质量分数； “一质量流量，k g ，s ；f一局部阻力系数。 q 。一单位容积制冷量，k j r 1 3 ； r 一摩尔气体常数，r = 8 3 1 4 p a 1 3 m 0 1 k ： r e 一雷诺数； r 热力学温标，k ： i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：垒整 日期：兰丛曼蛰 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可毗公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 日期：垄堕璺。 第1 章绪论 1 1 引言 随着经济的发展和人民生活水平的提高，公共建筑和住宅的供热和空调已成 为普遍的需求。在发达国家中，供热和空调的能耗可占到社会总能耗的2 5 3 0 。 我国的能源结构主要依靠矿物燃料，特别是煤炭。矿物燃料燃烧产生的大量污染 物，包括大量s 0 2 、n o x 等有害气体以及c 0 2 等温室效应气体。大量燃烧矿物燃 料所产生的环境问题已日益成为各国政府和公众关注的焦点。我国的供热已经历 了一家一户的小煤炉到燃煤锅炉的转变。现在又进一步禁止在城镇建设中小型燃 煤锅炉房，体现了政府对保护大气环境的高度重视。因此，除了集中供热的型式 以外，急需发展其他的替代供热方式。热泵就是能有效节省能源、减少大气污染 和c 0 2 排放的供热和空调新技术i i 】。 热泵( 制冷机) 是通过作功使热量从温度低的介质流向温度高的介质的装置。 建筑的空调系统一般应满足冬季的供热和夏季制冷两种相反的要求。传统的空调 系统通常需分别设置冷源( 制冷机) 和热源( 锅炉) 。建筑空调系统由于必须有 冷源( 制冷机) ，如果让它在冬季以热泵的模式运行，则可以省去锅炉和锅炉房， 不但节省了初投资，而且全年仅采用电力这种清洁能源，大大减轻了供暖造成的 大气污染问题。 采用热泵为建筑物供熟可以大大降低一次能源的消耗。通常我们通过直接燃 烧矿物燃料( 煤、石油、天然气) 产生热量，并通过若干个传热环节最终为建筑 供热。在锅炉和供热管线没有热损失的理想情况下，一次能源利用率( 即为建筑 物供热的热量与燃料发热量之比) 最高可为1 0 0 。但是，燃烧矿物燃料通常可 产生1 5 0 0 1 8 0 0 。c 的高温，是高品位的热能，而建筑供热最终需要的是3 5 6 0 的低品位的热能；直接燃烧矿物燃料为建筑供热意味着大量可用能的损失。如果 先利用燃烧燃料产生的高温热能发电，然后利用电能驱动热泵从周围环境中吸收 低品位的热能，适当提高温度再向建筑供热，就可以充分利用燃料中的高品位麓 量，大大降低用于供热的一次能源消耗。供热用热泵的性能系数，即供热量与消 耗的电能之比，现在可达到3 4 ；火力发电站的效率可达3 5 5 8 ( 高值为燃气联 合循环电站) 。采用燃料发电再用热泵供热的方式，在现有先进技术条件下一次 能源利用率可以达到2 0 0 以上。因此，采用热泵技术为建筑物供热可大大降低 北京工业大学工学颁士学位论文 供热的燃料消耗，不仅节能，同时也大大降低了燃烧矿物燃料而引起的c o z 和其 他污染物的排放。 热泵利用的低温热源通常可以是环境( 大气、地表水和大地) 或各种废热。 应该指出，由热泵从这些热源吸收的热量属于可再生的能源。 欧洲各国及日、美、澳等国家对热泵的研究工作都十分重视。现在上述各国 有大批的厂家在为工业、商业、建筑业和民用设施提供热泵装置。而国际能源机 构和欧洲共同体等国际组织也都制订了大型热泵的发展计划，大量新技术试验和 现有热泵技术在新领域中的推厂应用工作也在进行和规划之中1 2 j 。 能源问题是今后长期存在的问题，所以节能工作及热泵技术的应用也决不会 是昙花一现或权宜之计。国际制冷学会( i i r ) 、世界能源委员会( w e c ) 和国 际能源机构( i e a ) 多年来一直在大力推广热泵，要求各国政府、厂矿企业、公 共事业等部门加强对热泵的推广和应用，并进一步研究制定热泵的国际标准。在 未来的几年中，中国面临着巨大的能源压力。一方面，中国的经济要保持较高速 度的增长，另一方面，又必须考虑环保和可持续发展问题。所以要求提高能源利 用效率，要求能源结构调整。能源利用效率提高，会鼓励各种节能设备和技术的 推广，能源结构调整的方向就是从以煤为主转为以燃气，直至以电为主。在我国 的能源消耗中，用于供暖、空调的耗能比例相当高，而热泵技术凭借其节能环保 的特点已经在国、内外得到了广泛的应用1 3 】。中国的热泵的研究和应用才刚刚起 步，与国外相比，在热泵机组的优化设计和工程应用上还存在较大差距。早在5 0 年代，天津大学热能研究所吕灿仁教授就开展了我国热泵的最早研究，1 9 6 5 年研 制成功国内第一台水冷式热泵空调机。重庆建筑大学、天津商学院等单位对地源 热泵也进行了多年的研究。在中国科学院广州能源研究所等单位还多次召开全国 性的有关热泵技术发展与应用的专题研讨会。 正是由于热泵具有的这种不污染环境，可以同时利用冷、热源等的突出优点， 因此在当前节约能源、环境保护的严峻形势下，随着电力工业，高新技术产业的 发展，人民生活水平的迅速提高，热泵作为一种有效的节能产品，它在工农业方 面的应用，更多的是在空调方面的应用将发挥越来越重要的作用。 在热泵工业发展的同时，环保问题也成为众人关注的焦点，北京市已经出台 了关于五环以为取消和不允许新建燃煤锅炉房的政策。于是能源和环境的协调问 2 第1 章绪论 题也就显的愈发突出起来，而热泵由于其在环保节能方面的突出优势，使得它在 空调方面脱颖而出，其发展潜力不容忽视。再加上北京2 0 0 8 年奥运会的举行， 其所提倡的绿色奥运更是为清洁无污染的热泵技术的发展提供了广阔的发展空 间。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 关于热泵技术 所谓热泵，从工程热力学原理上说实质就是制冷机。按照美国供热制冷与空 调工程师协会手册基础篇的解释，它是个系统，在这个系统中，制冷设备以 这样一种方式被利用，当需要供热时，它从某一热源获取热量并释放至欲调节的 空间或冷却介质中去；当需要制冷和去湿时，从该空问或物体吸取热量并排放到 冷却介质中去。该热力循环与用于制冷的变形的卡诺循环相同。然而，热泵对蒸 发器中产生的冷效应和冷凝器中产生的热效应同样有关。在大多数应用中，在卡 诺循环中所得到的冷、热效应都被同时利用。由于应用的范围和场合不同与制冷 机比在四通换向阀、压缩机承压及润滑、节流和分液装置的可逆性，控制系统的 复杂程度，室外侧盘管换热面积等方面有明显的差异。 热泵的研究历史可以追溯至j j l 9 1 2 年瑞士的一个专利f 4 】。但是直到二次世界大 战以后，由于具备了批量生产和安全可靠的制冷压缩机，热泵在商业上，才在许 多场合中大规模应用。至2 0 世纪6 0 年代在美国得到很大的发展，这种发展势头至 今历久不衰。根据文献 5 统计，从全世界的范围来看，地源热泵系统的使用自 从1 9 9 5 年开始以每年9 7 的速度增长，n 2 0 0 1 年为止增加了5 9 ，这主要集中 在美、欧、日等国家。在这些国家中地源热泵技术已经很成熟，并且有十分完善 的标准。 美国近年来在地源热泵方面进行了大量推广工作，美国政府也充分肯定了它 的潜力，鼓励使用这种寿命长、周期费用低、温室气体排放量少的空调技术。目 前，美国能源部和环保局已经联合成立了地源热泵中心，筹集了j 亿多美元资助 科研项目和市场开发，已资助了十几项重大的地源热泵实验示范项目，并在2 0 多个州鼓励市政部门和公立学校、医院等率先安装地源热泵供暖和制冷系统。现 在美国的家庭、银行、医院、机场、连锁旅客、超市、办公楼和学校等均有一定 比例的建筑使用地源热泵。根据美国地源热泵联合会的统计，截止1 9 8 5 年全国共 北京工业大掌工学硕士学位论文 有1 4 万套热泵，以后热泵系统的安装稳步增长，到1 9 9 7 年已达到4 5 万套年，目 前己增长到5 万套年，而且每年以1 0 的速度稳步增长，至u 2 0 l o 年将达到1 2 力 套 年，其中绝大多数为地源热泵1 6 j 。 欧洲地源热泵研究开发已有很长的历史了，该项技术的可持续性已在欧洲得 到了普遍认可，并且欧洲有完善的设计和安装标准。欧洲许多国家气候条件决定 了他们一般只需供暖，很少需要制冷，因此与美国的地源热泵发展有所不同，欧 洲主要利用浅层地热资源，地下土壤埋盘管( 埋深 ，3 供水温度：7 1 2 供水温度：4 5 。c 5 04 c 制冷量：1 8 0 0 w 制热量：2 0 0 0 w 地源热泵机组主要由压缩机、蒸发器、冷凝器、膨胀阀、控制、调节、安全 保护以及各种压力、温度、流量测量控制元件等组成。压缩机消耗少量电能由蒸 发器将低品位热水中的热能迁移至冷凝器，连同所消耗电能转换的热能共同将水 加热升温，然后由循环泵提供给用户并形成循环。 本课题对热泵设计拟采用的技术路线如表l 一1 所示： i o 第1 章绪论 表l 一1 技术路线 t a b l e1 1t e c h n i c a ll i n e 序号系统组件 技术方案 换热方式 7水源 压缩机 换热器 膨胀装置 。质 控制2 j 调节 魂器 用户端 制冷低温端 高温端 制热低温端 高温端 旋转转子式压缩机 钎焊板式换热器 热力膨胀阀 r 4 0 7 c 开、停调节 水一制冷剂 水一空7l 循环水 土壤侧低品化水源 土壤侧低品能水源 循环水 1 3 2 论文进行的工作及解决的主要问题 本论文的主要工作内容包括对热泵机组的替代工质的探讨、对三元非共沸混 合工质r 4 0 7 c 与h c f c 2 2 的热力学分析、对机组系统的热力学性能分析计算、 对机组各部件的选型计算、样机制作、机组性能测试平台的搭建、控制系统设计 以及机组性能参数测试和数据分析整理等几方面的工作。 首先，本论文通过对目前混合工质热泵的原理进行分析，并针对混合工质所 具有的特有的热物理性质进行分析和计算，最大的利用其特有优势进行机组设计 和计算，全面提高对于热泵机组的综合性能系数。 其次，对机组系统进行热力学分析计算，并对相应机组各部件进行选型和样 机的制作。通过本文可以看到对于混合工质与原传统工质的分析和比较。 最后，机组设计制作完成之后需要进行大量的实验以得到性能数据，对混合 工质与原传统工质进行对比以对设计思路和制作成果进行评价。这其中如何保证 测量系统能够准确反映实际真值将误差降到最低，是一个十分主要的问题。基于 这样的考虑，本论文还对测量系统进行了大量详细和细致的工作，以使碍测量能 够紧密配合对于样机性能的测试和分析。 2 3 4 5 6 北京工业大学工学硕士学位论文 1 4 本论文的主要成果 本论文利用非共沸混合工质所特有的特点进行了机组设计和制作，搭建了关 于混合工质热泵性能测试的实验平台，并成功完成调试，经测试取得了良好的效 果。通过对混合工质的热物理性质分析、机组系统热力学计算、样机制作、测试 系统的建立等工作，形成了一套较为完整的混合工质热泵开发和应用技术，得到 了一系列有价值的数据和结论。 同时在实验研究中，也对垂直埋管式地源热泵机组在实际运行工况下对土壤 的换热情况进行了分析和讨论，对应用替代工质的地源热泵技术在国内的推广起 到了一定的作用。 第2 章混台工质r 4 0 7 c 热泵理论分析 第2 章混合工质r 4 0 7 c 热泵理论分析 2 1 混合工质的热力学特性及分析 2 1 - l 混合工质的概念及分类 所谓混合工质是指由两种或两种以上和纯工质按一定比例混合而成的溶和 物，按照混合后的溶液是否具有共沸的性质，可分为下列三种： 1 ) 共沸混合物( a z e o t r o p i c ) ：它和单一和物质一样，在一定和压力下发生相 变时，具有恒定的相变温度，而且气相和液相始终保持相同的成分。 2 ) 近共沸混合物( n e a ra z e o t r o p i c ) ：是一种泡露点温度差足够小的非共沸混 合物，在某些特定场合分析时，忽略这个温度差也不会产生明显误差。 3 ) 非共沸混合物( n o n a z e o t r o p i c ) ：没有共沸点，在定压下蒸发或凝结时， 气相和液相的成分不同，温度也在不断变化。 严格说来，近共沸物质也属于非共沸范畴，由于其物性和应用的特殊性，故 将其区分开来。 2 1 2 混合工质的相图分析 由任意两种单工质组成的混合工质在一般情况下均是非共沸的，只有某些特 定的单工质按某比例混合时才有可能形成共沸混合物。 图2 - i 非共沸混合工质温度- 质量分数图 f i g u r e2 - 1t e m p e r a t u r ea n dm a s sp e r c e n t a g eo f n o n - a z e o t r o p i cm i x t u r e 图2 一l 为非共沸二元( 组分为a 与b ) 混合工质在压力为某一常数时的温度 北京工业大学工学硕士学位论文 一质量分数图。图中纵坐标表示温度，横坐标表示组分b 在混合物中的质量分数 ( 以b 表示) 。 组分a 与b 在该压力下的沸点分别为t a 及t b 。a 点为纯工质a ( 【i ) a = 0 ) ，b 点为纯工质b ( ( 0 b = 0 ) 。曲线t a 2 t b 以上为气相区，曲线t a 2 t b 以下为液相区。两 条曲线之间为气液共存的两相区。 现观察组成为c a ) b l 的混合工质从状态1 等压冷却至状态5 的过程。气态混合 工质由1 冷却至2 时开始有液滴析出。点2 的温度称之为露点温度。当继续冷却 至点3 时( 气液共存) ，其液态混合工质的组成为b 7 ，气态混合工质的组成为0 ) b 6 。 从点2 逐渐冷却至点4 的过程中，析出液态( 同样，未冷凝的气态) 中的a 与b 的成分是不断变化的。冷却至点4 时全部凝结为液体，点4 的温度称之为泡点温 度。从点4 继续冷却，则成为过冷液态点5 。从图中可见，对非共沸的二元混合 工质，它在冷凝过程中从露点t 2 降至泡点t 4 ( 反过来工质被加热蒸发时由t 4 升至 t 2 ) 存在一段温度滑移区，露点与泡点温度差称之为温度滑移( t e m p e r a t u r eg l i d e ) 1 2 5 1 。 对二元共沸混合工质来说，情况就不同了。图2 2 a 表示组分a 与b 组成的 混合工质。在某一压力下当组成为b 。时在a 点存在共沸现象。共沸点的温度“露 点与泡点合一) 比纯工质a 及b 的沸点为低。另一类共沸混合工质的共沸温度比 纯工质a 与b 的沸点为高( 图2 2 b ) 。 譬地。紫饕 女，：=。=了：二：二：一瞎 8 羹一r 、豌“女羲 卜，二丑：= = = j 多r ； ； 4 甜q a 幽 b 图2 - 2 共沸混合工质温度质量分数图 a ) 具有最高共沸点b ) 具有最低麸沸点 f i g u r e2 - 2t e m p e r a t u r ea n dm a s sp e r c e n m g eo f a z e o t r o p i cm i x t u r e a ) t h em “i m u ma z e o t r o p i ct e m p e r a t u r eb ) t h em i n i m u ma z e o t r o p i ct e m p e r a t u r e 可见，共沸混合工质在沸腾或凝结过程中温度维持不变( 温度滑移为零) 。 共沸工质气液两相共存时气相与液相的浓度相同，其热力学行为与单一工质类 似，可按纯工质进行热力学计算。一般认为，当温度滑移1 k 时可称它为近共沸 1 4 第2 章混合工质r 4 0 7 c 热泵理论分析 l li - 混合工质，而非共沸混合工质则具有较大的温度滑移值。非共沸混合工质的温度 滑移现象可在热泵系统的换热器设计时予以合理利用，以改善其经济性。 2 1 3 混合工质的传热特性分析 热泵的工作原理与制冷机相同，都是按热机的逆循环工作的，其基本的组成 部件也是相同的，有所不同的是工作温度范围不同，使用的目的不同。热泵是一 种利用高品位能使热量从低位热源流向商位热源的装置。而制冷机或空调是吸收 热量而使对象变冷，达到制冷的目的。不管是热泵或是制冷空调设备都有压缩机、 换热器及膨胀机构共同组成，以进行相应的制热或制热工作。所以无论是从影响 实际使用效果或是为充分发挥机器性能，优化各方面性能设计的角度出发，都有 必要对换热器进行相应的研究和分析。当然对于工质在换热器中的传热特性分析 也就显得尤为重要。对于混合工质而言，由于是两种或几种组分在一起，其传热 特性也就势必会有异于纯工质。 工质在被加热到与其饱和压力相对应的饱和温度以上时，就无法保持液态而 开始蒸发。蒸发一直持续到把压力提高到新的饱和温度一压力平衡状态为止。从 处于蒸汽或气体状态的工质中摄走热量时，恰恰引起相反的变化。即，工质被冷 却到与其饱和压力相对应的温度以下时不能再保持蒸汽状态，气体凝结成液体。 凝结一直持续到足够的气体液化，使压力降到新的温度一压力平衡状态为止。在 热泵装置中压缩机不断的将在蒸发器中从低温热源吸收热量后保持过热蒸汽状 态的工质压缩至高温高压状态，送入冷凝器中向高温热源释放出热量变为过冷液 体状态，再通过膨胀机构送入蒸发器，如此循环往复不止。 对于混合工质而言，工质在蒸发器中是一种多组分液的沸腾换热。在这种多 组分混合液沸腾时，其传热和传质过程是紧密地联系在一起的，传热过程受到传 质过程的质约，从而这与单组分液体沸腾有着显著的区别。对应于纯工质沸腾的 汽化成核、汽泡成长和脱离等基本过程，多组分的混合工质都有显著的区别和差 异。当多组分的液体沸腾时，汽泡的成长除受到传热速率的影响外，还受到汽液 分界面液体中易挥发组分浓度的影响。远离加热面液体中的易挥发组分必须不断 地扩散到汽液分界面邻近区域中去，才能使汽泡不断长大。在多组分混合工质液 体中汽泡成长速率比纯工质液体中汽泡的成长速率要小得多，并且在多组分液体 沸腾时相邻汽泡之间有较大的影响。一个大汽泡可能消耗了大量的易挥发组分而 北京工业大学r 学硕士学位论文 毫墨皇量笪曼皇邕皇詈寡| 墨篁曼蔓皇曼鼍烹曼詈舅蔓皇曼甍曼曼舅冒皇曼苣曼皇目曼_ i i 曼邕! 曼量舅曼篁 导致邻近的一个小汽泡暂时停止长大。汽泡的成长速率降低，会使汽泡的脱离直 径很小，而且在汽泡脱离表面之后仍然在液体中继续长大。对于液体的组成来说 这是影响多组分沸腾的一个重要的因素。 当混合工质在冷凝器中时，这是蒸汽混合物的凝结过程与传统的纯蒸汽的凝 结有重要的差异。当混合蒸汽在给定压力下凝结时，随着气相组分的变化，冷凝 温度会有所变化，而不是常量也即前面所提过的温度滑移，另外一个突出的不同 是在凝结过程中还有传质过程的影响。由于混合气体在流经汽液分界面时会产生 附加的传热和传质过程，同时当蒸汽混合物在冷凝时，低挥发性的蒸汽先凝结， 剩下的蒸汽露点下降，而高挥发性蒸汽在汽液分界面处积累并会形成一个气体 层，低挥发性蒸汽必须扩散穿过该层才能与冷凝面相遇。所以对于混合工质蒸汽 的冷凝过程是一个非等温的相变过程，同样也存在着蒸汽相的扩散阻力。由于在 混合工质中每种成分的沸点各不相同，低沸点的易挥发组分容易保持汽态，较难 凝结，在汽液分界面上逐渐浓缩，形成一个阻碍高沸点组分的蒸汽向冷凝面移动 的扩散层。这样，在冷凝壁面上同时存在一层凝结液膜和一层蒸汽膜，对于不同 的冷凝速率，凝结液中的温度分布和蒸汽膜中的浓度分布也不一样，如图2 3 所 示。 t t o n ) 僵斗蕞甚覃 ( b ) 膏降赢遣草 图2 0 不同冷凝速率下液膜和汽膜中的温度分布和浓度分布 f i g u r e2 - 3t e m p e r a t u r ea n dc o n c e n t r a t i o nd i s t r i b u t i o n o f l i q u i da n dv a p o ri nd i f f e r e n tc o n d e n s i n gr a t e 图2 3 a 对应于冷壁面的温度较高，并接近于露点温度。此时凝结温差小， 冷凝速率低，汽膜中的温度分布基本均匀，因此凝结可看成是一个等温过程。液 1 6 第2 章棍台工质r 4 0 7 c 热泵理论分析 体中的摩尔分数和蒸汽中的摩尔分数处于等温平衡状态，x l = x l + 。图2 - 3 b 对应 于冷凝壁面的温度较低，凝结温差大，凝结速率高，凝结液温度接近于沸点温度 t b ，液体中的摩尔分数和蒸汽中的摩尔分数相等，即x l = y l 。由于混合工质蒸汽 凝结时传质的影响复杂，涉及到的因素很多，对于混合工质蒸汽的凝结过程的理 论研究尚待进一步深入【2 6 1 。 2 2 混合工质热物理性质的计算 制冷剂的热物理性质主要包括两类：一类是热力性质，常用的有压力、比容、 温度、比焓、比熵、比热容等；另一类是迁移性质，常用的有粘度和导热系数。 对于本课题而言，由于所涉及到的热力学计算主要是由制冷剂的热力性质来决定 的，因而对于热物理性质中的迁移性质方面的计算将不做详细的介绍 2 7 1 。 2 2 1 基于状态方程的混合工质热力性质计算 最早，也是最简单的状态方程是理想气体状态方程： p v = r t ( 2 1 ) 式中，r 是气体常数。迄今，理想气体状态方程仍有着广泛的应用。在计算高温、 低压气体的热力性质时，有较好的精度。在某些与工质热力性质相关的定性计算、 简化计算或模型简化场合，也经常被使用。 但是，从总体上来看，理想气体状态方程难以满足实际气体热力性质计算的 要求，特别又是对于本课题中的三元非共沸混合工质r 4 0 7 c 来说，对于状态方 程的选择则要更注意一些。下面介绍几种在制冷剂热力性质计算上发挥着重要作 用的状态方程。 2 2 1 1m h 方程 马丁一候( m a r t i n - h o u ) 方程发展于2 0 世纪5 0 年代中后期，对烃类气体、 h 2 0 、n h 3 及氟里昂气体均有良好的计算精度。以后又扩展用于液体性质。其主 要特点是精度高，常数的确定较同类方程简便，适用范围广。 这一方程被广泛用于制冷剂热力性质的计算，国际制冷学会( i i r ) 在1 9 8 1 年提出的制冷剂物性标准计算程序采用的状态方程就是改进的m h 方程。其形 式为 1 7 p = 墨b + 生坐业v 蓦型 1 v 一 一6 r 彳3 + b 3 t + c 3e x p ( - k r l ) ( v 一卯 尘型堕迅竺擎坐止删+ ( 2 2 ) ( v 一6 ) 4 、 爿5 + b s t + ge x p ( - - k t t c ) v 计 以+ b 6 t + c 6e x p ( - k t t c ) 面面祈虿面丽 式中的经验常数的取值可查相关文献。 2 2 1 2m b w r 方程 m b w r ( m o d i f i e db e n e d i c t - w e b b g u b i n ) 方程建立在1 9 4 0 年提出的b w r 方程 的基础上，该方程应用于烃类气体、非极性和轻极性气体时有较高的准确度，也 可以用于计算纯物质的蒸气压和相平衡特性，也可用于液相。最早的b w r 方程 的形式为 p = 了r t + ( 岛肌爿。_ 丁c ：o i l + 丁b r t - a + 等+ 呜掣e 坤巾3 l c z 吲 式中有8 个常数b o ，山，c o ，b ，a ，c ，y 需要根据p ，v ，t 实验数据来拟合。 在后来的研究者为了扩大b w r 方程的适用范围和精度，发展了多种改进型 方程，统称为m b w r 方程。在最新的n i s tr e f p r o p6 0 3 版本中，尽管以 h e l m h o l t z 自由能形式的状态方程为主，但仍保留了m b w r 方程。 2 213c s d 方程 c s d ( c a r n a h a n s t a r l i n g d es a n t i s ) 方程是一类典型的立方型状态方程，其主 要优点是形式简单，而且对单工质和混合工质的液相和气相性质都能描述。 n i s t 曾在r e f p r o p 4 0 和5 0 版中采用c s d 方程。c s d 方程的典型形式为 p = 等 寄r t ( ；口- 两 ， 妲叫， 式中 v ：一b ( 2 5 ) 第2 章混合工质r 4 0 7 c 热泵理论分析 暑舅量兰曼暑曼曼皇曼曼型i i i ini , , i 皇曼曼蔓鼍囊皇曼篁曼皇曼曼鼍皇曼皇詈鼍舅鼍量皇苎皇皇 d = 口oe x p ( a l t + 口2 丁2 ) ( 2 6 ) 6 = b o + 岛，+ 如丁2 ( 2 7 ) 经验常数a i 和b i ( i = 0 ，1 ，2 ) 按p ，v ，t 实验数据拟合。 2 2 1 4h e l m h o l t z 自由能状态方程 h e l m h o l t z 自由能形式的状态方程在近年来受到了重视，并被最新的n i s t r e f p r o p 6 0 3 采用。无量纲形式的h e l m h o l t z 自由能状态方程的通式为 垂o ，6 ) 2 意。巾。+ m 1 ( 2 _ 8 ) 式中，a 为比自由能。 f=ct(2-9) 8=p|p。(2-10) 由式可知，无量纲形式的自由能垂被分为两部分：理想气体部分中。和实际 气体部分0 7 ，分别用于描述实际流体的理想气体性质以及与理想气体的差异。 h e l m h o l t z 自由能形式状态方程的精度和通用性都较好，但计算是较为的复杂。 基于以上的状态方程，利用热力性质的一般关系式，可以得出其他熟力性质 的一般表达式。对于内能，有咖= 氐西+ 嗄罢) ，一习咖( 2 - - 1 1 ) 对于焓，有锄= 打+ v 一攻等) ， 咖( 2 - - 1 2 ) 对于熵，有丞= ( 骞) ，咖+ 等砑或凼= ( 等) 。勿+ 生t 抒( 2 - - 1 3 ) 对于定压洧t = - t ( 飘( 2 - - 1 4 ) 对于定容比髂有，= 鲁) ，( 2 - - 1 5 ) 州懒黼旷铲一，( 新( 暑 ，( 2 - - 1 6 ) 北京工业大学1 二学硕十学位论文 而比热比为k = 2 = = 上i ( 2 - - 1 7 ) c v c p 一妒p c vj 2 2 2 工程简化计算r e f p r o p 软件 基于状态方程的制冷剂热力性质计算方法适用范围广、精度也高，但是这样 的话计算量很大，并且通过编程实现的难度也很大。因而目前大部分是通过由专 业研究人员开发也来的专业软件来供工程上的应用，在本课题中对三元非共沸混 合工质r 4 0 7 c 由于在计算时若利用热力性质的计算方法，实现的难度很大且工 作量也很大，因而主要是利用了n i s t ( n a t i o n a li n s t i t u t eo fs t a n d a r da n d t e c h n o l o g y ) 开发的r e f p r o p 软件进行相应的热力性质计算。 如下图2 4 所示r e f p r o p 6 0 3 软件的计算界面： 图2 4r e f p r o p 6 0 3 计算界面 f i g u r e2 - 4r e f p r o p 6 0 3s o r w a r e 2 3 混合工质热力循环 2 3 i 混合工质的理论循环一劳伦兹循环 为了分析非共沸混合工质的循环特点，有必要对变温热源的热力循环进行分 析。严格说制冷或热泵是在变温热源下工作的，一方面冷凝器中的载热流体由于 2 0 第2 章混合工质r 4 0 7 c 热泵理论分析 i i 有热负荷的存在有较大的进出口温差，另一方面蒸发器中的载冷流体也有较大的 进出口温差，以便于充分利用余热资源。在1 8 9 4 年h l o r e n z 发表论文，针对一 侧以冷冻盐水，另一侧以冷却水作为热源的制冷机提出变温热源的理想循环，他 当时称为多变循环，后来的学者称为劳伦兹循环。该循环由两个绝热过程和两个 多变过程组成，其多变过程要保证过程的温度变化与外界热源的温度变化一致。 该循环是变温条件下热力学最完善的循环，也是经济性最高的循环，其原理如图 所示a 五，疋，t ，瓦为循环四个拐点的温度，c 1 ，c ：为两个热源流体的比热， e 。，k ，为两个热源的质量流量。 f i g u r e2 - 5s k e t c hm a po f l o r e n zc i r c l e 如果循环中工质与热源之间的热交换过程是在无功交换的换热器内进行，则 由劳伦兹循环的温熵图中可以看到，热源的吸热过程线与工质的状态变化线相重 合，但方向相反；同样对于热源的放热过程来说亦是如此。由此可见，在劳伦兹 循环中为了使工质与热源之间实现无温差的热交换，就要必须采用理想的逆流式 换热嚣。 由热力学基本原理，劳伦兹循环存在如下关系： 制碣( 2 - - 1 8 ) 即： 聊一t n 盼嘶t n ( 2 - - 1 9 ) 2 l l 口。 3 3 一 北京工业大学工学硕士学位论文 旦墨一 一些小篆 ： - n 式中，、瓦。分别称为高、低温热源热力学平均温度。 对于变温热源可逆热泵循环，其制热系数也有类似的推导过程 c o d = 了兰 ，晶= 彳垃f ( 2 - - 2 1 ) 气一瓦7“。一 式( 2 2 1 ) 说明变温热源理想热泵循环的用能效率只受热源温度的影响。 用人们熟知的热力学理论来分析，劳伦兹循环并无独特之处，它是针对一种特定 热源条件下的理想循环。卡诺定理早就指出，工作在两个给定热源间的热机，以 可逆机的热效率最高。人们关心的是，在这种特定条件下，用什么方式来实现或 是说接近这一循环。由此，便为非共沸混合工质的研究提供了理论基础和广阔的 应用前景。对于采用非共沸混合工质的热泵而言在以劳伦兹循环为基础之上其制 热系数与在高、低温热源热力学平均温度间工作的逆卡诺循环的制热系数相等。 2 。3 2 非共沸混合工质r 4 0 7 c 与h c f c 2 2 的热力循环比较 从热力学角度出发，对热泵工质的理论制热循环主要从以下几项特性来进行 评估。即：( 1 ) 理论循环制热系数；( 2 ) 蒸发压力；( 3 ) 冷凝压力：( 4 ) 压力比； ( 5 ) 单位容积制热量；( 6