（工程热物理专业论文）中高温热泵工质系统性能实验研究.pdf

摘要 开展中高温热泵技术研究，具有拓展热泵这一节能技术的应用空间、提供工 业余热资源回收利用技术手段的节能与环保意义。目前，中高温热泵技术研究所 追求的目标为高温化和高效化。系统能效的主要影响因素为工况( 特别是循环温 升) 、工质、系统部件效率和工质系统的优化匹配度；高温化水平则主要受到压 缩机允许的吸气温度上限和排气温度上限的制约。由于目前尚无专门为中高温热 泵系统开发的高温压缩机，当前的中高温热泵技术研究主要是在基于常温热泵系 统压缩机，工质具有环境友好特性、系统性能系数( 矧有保证，这些约束条件 下，通过工质优化、研究解决与高温工况相关的技术问题和工质系统的优化匹 配，来追求实现尽可能高的工作温度和系统c o p 。 本文在冷凝温度7 5 9 5 工况下，对实验室前期筛选出的循环参数适宜的工 质进行了性能对比研究，优选出性能优良的混合工质m b 3 、m b 4 作为实验系统 设计工质。 着眼于中高温热泵系统的实际应用并实现高温化和高效化技术措施实验研 究设想，设计建立了新的实验热泵系统。该实验系统采用了与实际应用系统相一 致的板式蒸发器和冷凝器，排气温度上限相对较高的活塞式常温热泵压缩机，和 电子膨胀阀。着眼于系统优化匹配研究、高温化研究，新的实验热泵系统包含了 两个面积不等的蒸发器，一个电子膨胀阀和一个热力膨胀阀，一台全封闭活塞压 缩机和一台开启式活塞压缩机，且允许开启式活塞压缩机采用不同功率的电动 机。 对新的实验热泵系统的性能进行了实验验证，包括采用指定工质参数的工况 指定方式，对以r 2 4 5 f a 为工质的系统性能进行测量并与课题组原实验系统测量 结果进行对比，以及对分别按水侧参数和工质侧参数得到的两器负荷值进行对 比。结果表明，新系统的主、辅系统和测量系统工作稳定可靠：给出的r 2 4 5 f a 的性能参数与课题组原实验系统测量结果相近而略优；分别按水侧参数和工质侧 参数得到的两器负荷值相吻合。 在新的实验热泵系统上，在冷凝温度7 0 9 0 0 c 的工况范围内，开展了纯工质 r 2 4 5 f a 和非共沸混合工质m b 4 的循环性能对比实验研究，和分别采用全封闭式 活塞压缩机和开启式活塞压缩机的系统性能对比实验研究。结果表明：( 1 ) 以m b 4 为工质的系统制热c o p h 与制热量均高于以r 2 4 5 f a 为工质的情形。( 2 ) 全封闭式 活塞压缩机的综合效率，优于开启式活塞压缩机，但排气温度高于开启式活塞压 缩机，综合考虑，中高温热泵系统以采用开启式活塞压缩机为宜。 关键词：中高温热泵技术，工质，循环性能，实验研究 a b s t r a c t t h em o d e r a t e h i g ht e m p e r a t u r eh e a tp u m pt e c h n o l o g yh a sw i d ep r o s p e c t si n e n l a r g i n gh e a tp u m pa p p l i c a t i o n s t oa c h i e v et h eh i g h e rd e l i v e r yt e m p e r a t u r ea n d u t i l i z ew a s t eh e a t t h eo b je c to fm o d e r a t e h i g ht e m p e r a t u r eh e a tp u m pt e c h n o l o g yi s h i g h - t e m p e r a t u r e a n d h i g h - e f f i c i e n c y a t p r e s e n t t h e m a i nf a c t o r sf o rs y s t e m e f f i c i e n c y a r ec o n d i t i o n s ，w o r k i n gf l u i d s ，s y s t e mc o m p o n e n t se f f i c i e n c ya n dt h e m a t c hb e t w e e nw o r k i n gf l u i d sa n ds y s t e m ；h i g h t e m p e r a t u r em a i n l yd e p e n d so nt h e u p p e rl i m i to f s u c t i o nt e m p e r a t u r ea n de x h a u s tt e m p e r a t u r eo fc o m p r e s s o r a st h e r ei s n oh i g ht e m p e r a t u r ec o m p r e s s o rd e v e l o p e ds p e c i f i c a l l yf o rm o d e r a t e h i g ht e m p e r a t u r e h e a tp u m ps y s t e m ，c o m p r e s s o r sf o rr o o mt e m p e r a t u r eh e a tp u m ps y s t e ma r eu t i l i z e d ， a n dw i t he n v i r o n m e n t a l f r i e n d l yw o r k i n gf l u i d sa sw e l la sc o n f i r m e dc o p , h i g h t e m p e r a t u r ea n dh i g he f f i c i e n c yc a l lb ea c h i e v e dt h r o u g ho p t i m i z i n gt h ew o r k i n gf l u i d ， s o l v i n gt e c h n i c a li s s u e so nh i g ht e m p e r a t u r ea n dt h em a t c hb e t w e e nw o r k i n gf l u i d s a n ds y s t e m i nt h i sp a p e r ，t h e o r e t i c a lp e r f o r m a n c e so f5f l u i d sw i t he x c e l l e n te n v i r o n m e n t a l a n dt h e r m o d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c sw e r ec a r r i e do u tw i t hi m p r o v e dt h e o r e t i c a l a n a l y s i sm e t h o d o l o g ya tc o n d e n s i n gt e m p e r a t u r ef r o m7 5 t o9 5 0 c ，a n d2m i x t u r e s m a r k e dm b 3a n dm b 4w e r ep r o p o s e d m e a n w h i l e ，t h e ya l s ow e r ec h o s e na sd e s i g n w o r k i n gf l u i d sf o re x p e r i m e n t a ls y s t e m f o rp r a c t i c a la p p l i c a t i o no fm o d e r a t e h i g ht e m p e r a t u r eh e a tp u m ps y s t e ma n d r e a l i z a t i o no fh i g h t e m p e r a t u r ea n dh i g h - e f f i c i e n c y ，an e wh e a tp u m pe x p e r i m e n t a l s y s t e m w a sd e s i g n e d t h e r ew e r e p l a t e t y p ee v a p o r a t o r s ，c o n d e n s e r ，p i s t o n c o m p r e s s o r sf o rr o o mt e m p e r a t u r eh e a tp u m ps y s t e mi n t h i ss y s t e m i n o r d e rt o o p t i m i z et h em a t c ho fs y s t e ma n da n a l y z eh i g ht e m p e r a t u r e ，t h en e we x p e r i m e n t a l s y s t e m c o n t a i n e dt w oe v a p o r a t o r s ，a l le l e c t r o n i ce x p a n s i o nv a l v ea n dat h e r m a l e x p a n s i o nv a l v e ，ah e r m e t i cp i s t o nc o m p r e s s o ra n da no p e n - t y p ep i s t o nc o m p r e s s o r a n dt h eo p e n - t y p ep i s t o nc o m p r e s s o rc o u l db ec o u p l e dw i t hd i f f e r e n tm o t o r s e x p e r i m e n t a lv e r i f i c a t i o n sf o rt h ep e r f o r m a n c eo ft h en e we x p e r i m e n t a l h e a t p u m ps y s t e mw e r ec a r r i e do u t ，a n dt h er e s u l t so f t h es y s t e mp e r f o r m a n c eo ft h en e w s y s t e ma sw e l la st h el o a do fe v a p o r a t o ra n dc o n d e n s e rc a c u l a t e db yp a r a m e t e r so f w a t e rs i d ea n dw o r k i n gf l u i ds i d ew e r ec o m p a r e dw i t ht h eo r i g i n a le x p e r i m e n tw h e n r 2 4 5 f aw a sc h o s e na st h ew o r k i n gf l u i d t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ep r i m a r ya n d s e c o n d a r ys y s t e ma n dt h em e a s u r i n gs y s t e ma f es t a b l ea n dr e l i a b l e ：t h ep e r f o r m a n c e p a r a m e t e r so fr 2 4 5 f ai nt h en ex p e r i m e n t a ls y s t e mw e r eb e t t e rc o m p a r e dw i t ht h e o u t c o m eo ft h eo r i g i n a le x p e r i m e n t a ls y s t e m ；t h el o a do fe v a p o r a t o ra n dc o n d e n s e r c a c u l a t e db yp a r a m e t e r so fw a t e rs i d ea n dw o r k i n gf l u i ds i d ew e r ec o n s i s t e n t i nt h en e we x p e r i m e n t a lh e a tp u m ps y s t e m ，c o m p a r a t i v ee x p e r i m e n t a ls t u d yo f c y c l ep e r f o r m a n c eo nt h ep u r er e f r i g e r a n t sr 2 4 5 f aa n dn o n - a z e o t r o p i cm i x t u r e sm b 4 w e r ec a r r i e do u ta tc o n d e n s i n gt e m p e r a t u r ef r o m7 0t o9 0 0 c ，w h i l ee x p e r i m e n t sw i t h h e r m e t i cp i s t o nc o m p r e s s o ra n do p e n t y p ep i s t o nc o m p r e s s o rw e r ea l s oc o n d u c t e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a t ：( 1 ) w h e nm b 4w a sc h o s e na sw o r k i n gf l u i d ，t h eh e a t i n g c o e f f i c i e n tc o p ha n dh e a tc a p a c i t yw e r eh i g h e rt h a nt h eo n ew h e nr 2 4 5 f aw a s w o r k i n gf l u i d ( 2 ) c o m p r e h e n s i v ee f f i c i e n c yo fh e r m e t i cp i s t o nc o m p r e s s o rw a sb e t t e r t h a nt h ee f f i c i e n c yo fo p e n - t y p ep i s t o nc o m p r e s s o r ，b u tt h ee x h a u s tt e m p e r a t u r eo f c l o s e dp i s t o nc o m p r e s s o rw a sh i 【g h e r i na l l ，i tw a sa p p r o p r i a t et ou s et h eo p e n t y p e p i s t o nc o m p r e s s o ri nt h em o d e r a t e h i g ht e m p e r a t u r eh e a tp u m ps y s t e m k e y w o r d s ：m o d e r a t e h i g ht e m p e r a t u r eh e a tp u m pt e c h n o l o g y ，w o r k i n gf l u i d ， c y c l ep e r f o r m a n c e ，e x p e r i m e n t a lr e s e a r c h 第一章绪论 1 1 课题研究背景 第一章绪论弟一早鞲比 目前，能源已经成为全世界关注的焦点问题。作为人类社会进步与发展的主 要推动力，能源的重要性不言而喻。在我国，由于受到国内科技发展水平的制约， 我国在传统能源的利用方面还存在严重不足，一方面，能源的消耗量较多，另一 方面，能源的利用率不高。与此同时，由于传统能源的大量消耗所导致的环境污 染问题也日益严重。因此，如何更有效地利用能源、减轻环境污染现状，是当前 人们需要思考与解决的重要问题之一。 发展节能技术，是目前解决能源问题的有效途径。而热泵供热技术就是主要 的节能技术之一。 1 2 中高温热泵技术研究的意义 能源利用领域中有以下两个基本事实： 一是生产和生活中，有大量需要加热的过程，而这些过程利用低品位的热能 就可以实现，如化工、食品、纺织、造纸、陶瓷、木材加工、皮革加工等生产中 的加热过程，以及日常生活中的洗浴、供暖等。这些生产和生活过程一般采用传 统的供热方式，如利用煤、石油等化石能源燃烧，或者利用电加热。不过，虽然 实现了供热的目的，但是这种供热方式牺牲了高品位的化学能或电能，使高品位 能量直接贬值为等量的低品位热能，从能量利用角度来看，大量的可用能因为能 量品位的降低无法得到有效利用，造成一次能源利用率不高、能源利用存在浪费 的情况。 二是工业生产过程中，经常存在排放含有一定余热值的废气、废水的状况。 根据统计结果【1 1 ，在人们对一次能源进行利用时，约5 8 的低品位热能会随着废 气、废水，或通过产品或排弃物的散热形式排向外界环境。这部分低品位能量的 散失不仅造成了能源浪费，同时，由于其自身含有的热量值，还会对环境造成热 污染。 采用热泵供热技术可以实现节能的目的。这是因为对于一定量的高品位能， 热泵供热技术可以利用其中的部分可用能实现一个逆向热力循环，该热力循环可 第一章绪论 以提升其他低品位热源( 包括环境) 中能量的品位以满足供热的要求。这种方式 与传统供热方式中高品位能直接贬值为等量的低品位热能不同，通过这种方式， 可以有效地减少高品位能的可用能耗散。于是，在保证热泵系统的嘲性能系 数) 并满足热泵对热能的温度要求、热源适宜的条件下，仅利用一部分高品位能， 便可以得到数量上c o p 倍的供热量输出，而其中多出的部分，则是利用逆向热 力循环得到的。 而如果热泵的工作温度范围上移，允许以工业余热为热源、并向工业加热过 程提供温度水平符合要求的热输出，将具备如下应用： 石油、化工、纺织、冶金、建材、木制品加工、造纸、粮食与食品加工、制 药等工业行业中，存在大量的对热能品位要求不高的加热生产过程，同时排放大 量的高于5 0 0 的余热。例如，其中的蒸馏、干燥等生产过程。这些行业或过程， 正是中高温热泵产品广阔的用武之地。采用中高温热泵供热，既可节约高质能， 又可回收余热；不仅为社会带来巨大的节能与环保效益，还将直接为用户带来经 济效益。 采用地热能供暖的过程中，经一次利用的地热尾水，排放温度高达3 0 4 5 。 采用中高温热泵与常温热泵串联，可大幅度降低地热的排放温度，提高地热井的 利用率、地热水的能量利用率，更节约、更充分地利用宝贵的地热资源，同时避 免热污染，具有保护资源、环境和为用户节约费用的效益。采用中高温热泵机组 供热，还可实现以传统暖气片为末端散热器( 而不是常温热泵下的风机盘管) ，从 而减小整个供热系统的投资。 在油田的原油管道输送过程中，需要在沿程不断地( 一般每隔4 k m 运程) 对原 油加热升温以减小输送阻力。目前的加热方式为采用燃油锅炉，使得一部分宝贵 的原油份额不能实现其应有的价值，而是被直接燃烧掉了，燃烧产物还造成c 0 2 排放和环境污染。与此同时，油田中有大量的余热和地热资源( 例如，废井中的 资源) 得不到利用。以清洁、节能、环保、经济、运行平稳、易于管理的中高温 热泵机组取代燃油锅炉，有助于解决上述问题，带来经济和社会效益。 即便是在宾馆、商场、医院中，高温热泵也可发挥其独到作用：回收中央空 调冷凝器排出的热量，用于提供热水。其它例子不再一一枚举。 热泵技术高温化研究扩大了节能的热泵技术的应用空间，并通过更广泛的应 用带来更大的节能与环保效益；使大量的余热得到回收利用，节能与环保效果进 一步、且显著地增大。这正是热泵技术高温化研究的意义所在。 2 第一章绪论 1 3 中高温热泵技术国内外研究概况、水平存在问题和发展趋势 目前，国内外研究机构越来越重视热泵技术高温化技术的研究，都将高温化 热泵技术作为重点研究内容。例如，日本开展了s u p e rh e a tp u m pe n e r g y a c c u m u l a t i o ns y s t e m 项目【3 】、美国l e a 热泵中心和1 1 r 制定了热泵发展计戈l j t 4 ，5 】， 欧洲也有相关的大型热泵研究计划，国内的清华大学、中科院广州能源研究所、 天津大学等单位，也开展了相应的理论和实验研究1 6 - 3 t 。由于尚无中高温热泵专 用系统部件例如耐高温的压缩机等，现阶段的蒸汽压缩式热泵技术高温化研究 只能立足于常温热泵系统部件，在后者允许的温度压力水平范围内追求尽可能高 的c o p 和热输出温度。考虑到现有压缩机以全封闭或半封闭式为主，存在允许 排温和电机线圈温度的限制，能够实现的最高冷凝温度约在1 2 0 ( 2 左右。这里将 冷凝温度为6 0 1 2 0 。c 的工况范围，称为蒸汽压缩式热泵的中高温工况范围。 目前，已经有学者对冷凝温度在6 0 8 0 。c 之间的蒸汽压缩式热泵高温化技术 进行了研究 由i i i ；清华大学的史琳等【1 2 】通过改变热泵系统蒸发器和冷凝器的进口 水温的方法，对h t r 0 1 的综合性能进行了考察，其中蒸发器进口水温在2 5 6 0 变动，冷凝器进水温度在4 5 8 5 变动。本课题组利用自建的水水蒸汽压缩式热 泵实验台进行了热泵高温化的相关实验研究，该实验台采用常温热泵系统，在保 证冷凝压力、排气温度处于系统允许值条件下，实现了冷凝温度1 1 6 3 、正常 载热流体流量下冷凝器载热流体出口温度l1 5 3 的高温化水平【2 3 】，是迄今蒸汽 压缩式热泵系统高温化研究中的最高实验温度水平。这一研究成果的取得，关键 在于我们自主研发了适宜的工质和相关技术。可以说，在现有常温热泵系统硬件 的条件下，适宜工质及其循环参数优化的研究，是整个热泵技术高温化研究中的 关键环节。 在工质的提出方面，早期的中高温热泵技术研究中，涉及的工质主要是 c f c l l 、c f c l l 3 和c f c l l 4 等；近期的研究中，提出采用的工质以h c f c s 物质 为主，包括h c f c l 2 3 、h c f c l 2 4 和h c f c l 4 2 b 等 6 - 1 2 。这些工质在中高温工况 范围内热力参数适宜，但根据蒙特利尔议定书的规定，具有高o d p ( 臭氧破 坏势) 值的c f c s 类物质，已经禁用；h c f c s 物质也在蒙特利尔议定书的限 制范围内，禁用时限最迟为2 0 3 0 年，但不少国家早己提前禁用，h c f c s 物质不 再是新型工质研究的目标物系。京都协议关于温室气体排放的限制，进一步 要求工质的g w p ( 温室效应势) 和总等效温室效应( t e w i ) 应较低。符合环保要求 ( 即o d p 为0 、g w p 较低) 的新一代热泵工质的研究，是当前亟待解决的问题。 在技术开发和应用方面，目前市场上已有的、称作高温热泵的产品，主要是 以h f c l 3 4 a 为工质的机组，冷凝温度在7 5 以下；北京清源世纪公司的产品， 第一章绪论 据产品介绍，冷凝温度可达9 0 。c 。采用o d p 为0 、低g w p 工质的、冷凝温度 超过9 0 。c 的蒸汽压缩式中高温热泵产品，目前还未成熟。 1 4 本文的主要工作 本论文拟在前期应用基础研究成果的基础上，进一步展开应用基础和技术研 究，形成立足于常温蒸汽压缩式热泵系统部件、采用新型环保工质、冷凝温度为 7 5 9 5 的蒸汽压缩式中高温热泵技术。主要开展新型适用工质，工质系统间的 优化匹配，工质系统优化匹配条件下的不同工质、采用不同压缩机的系统的性 能对比评价，以及集成各项技术研究成果的中高温热泵实验热泵系统的设计建 立、性能测试与改进完善等研究。包括以下具体内容： ( 1 ) 中高温热泵系统工质的理论循环性能研究 采用改进的理论循环性能分析计算方法【，z 】，开展理论循环性能研究，在冷凝 温度为7 5 9 5 。c 的工况范围内，对一种纯质和四种混合工质进行理论循环性能研 究，筛选出理论循环性能优良的工质，并选为实验热泵系统设计使用的工质。 ( 2 ) 实验热泵系统的设计建立，性能测试及效果验证 着眼于中高温热泵系统的实际应用并实现高温化和高效化技术措施实验研 究设想，结合优选出来的工质，在系统硬件优化匹配原则下，设计建立新的实验 热泵系统。该实验系统采用与实际应用系统相一致的板式蒸发器和冷凝器，排气 温度上限相对较高的活塞式常温热泵压缩机，和电子膨胀阀。着眼于系统优化匹 配研究、高温化研究，新的实验热泵系统包含两个面积不等的蒸发器，用以考察 不同工质系统的压缩机换热器容量匹配性；一个电子膨胀阀和一个热力膨胀阀， 用以考察电子膨胀阀自动控制调节流量特性研究和混合工质热力膨胀阀的研究； 一台全封闭活塞压缩机和一台开启式活塞压缩机，且允许开启式活塞压缩机采用 不同功率的电动机。由此考察全封闭活塞压缩机和开启式活塞压缩机对高温工况 的适应性、各自的效率和系统性能，以及不同的机电组合对压缩机效率的影响。 对新的实验热泵系统的性能进行实验验证，包括采用指定工质蒸发温度、冷凝温 度的工况指定方式，对以r 2 4 5 f a 为工质的系统性能进行测量并与课题组原实验 系统测量结果、理论循环性能计算值进行对比，以及对分别按水侧参数和工质侧 参数得到的两器负荷值进行对比。 ( 3 ) 中高温热泵工质循环性能实验研究 在新的实验热泵系统上，在冷凝温度7 0 9 0 0 c 的工况范围内，循环温升为 4 5 0 c 的条件下，开展了纯工质r 2 4 5 f a 和实验热泵系统设计工质的循环性能对比 实验研究，和分别采用全封闭式活塞压缩机和开启式活塞压缩机的系统性能对比 4 笙二童竺笙 实验研究。 第二章中高温热泵实验系统工质理论循环性能对比评价 第二章中高温热泵实验系统工质理论循环性能对比评价 着眼于中高温热泵实验系统的设计建立，本章将利用理论性能循环分析方 法，对实验室前期筛选出来的中高温热泵性能较优纯质及混合工质，在冷凝温度 7 5 - 9 5 工况范围内，进行理论循环性能考察，筛选出适合于该温度工况的工质， 并将其作为中高温热泵实验系统设计工质。 在对比评价不同工质时，采用指定相同的压缩机效率和工质侧循环参数( 即 蒸发温度、冷凝温度、过冷度、过热度) ，对工质的c o p h 、单位体积制热量、单 位质量制热量、压缩机排气温度、压比等循环性能指标进行考察。 2 1 理论循环工质的提出 中高温热泵工质的选择一般要考虑，工质的环境性能( o d p 为0 ，g w p 较 低) 、工质的理化和输运性能( 包括使用安全、溶油性、化学稳定性、导热系数、 动力粘度、流动性) 、适中的压力、压比、压缩机排气温度、单位质量制热量和 单位容积制热量；较高的性能系数c o p 。 实验室前期研究中，提出了多种性能优良的工质，本文对实验室前期研究的 工质，在冷凝温度7 5 9 5 温度工况内，进行了筛选，并对在该工况下性能优良 的五种工质进行了理论循环性能对比，来评出适合的中高温热泵实验系统的设计 工质。 王继霄【2 2 对纯质r 2 4 5 f a 在冷凝温度为7 5 1 2 0 的工况范围内进行研究，并 指出纯质r 2 4 5 f a 性能优良。曹志勇 2 6 1 提出的混合工质即本文中的m b 2 进行了理 论循环性能分析，指出m b 2 的制热系数比r 2 4 5 f a 高，理论循环性能优良。马利 敏1 2 】、张宇 1 6 】、王继霄 2 2 1 、张圣君 3 1 1 对与m b 4 相同组元不同组成的混合工质进 行考察，指出几种不同组成下的理论与实验循环性能优良，适合于冷凝温度7 5 9 5 工况。陈晨【3 8 】论文中提出的混合工质即本文中的m b 3 ，实验循环性能优良， 较r 2 4 5 f a 的性能高，且适合在9 5 的高温度工况下应用。 本文对以上实验室前期提出的性能优良的工质进行了理论循环性能对比评 价研究，原因有：一是前期研究中，考察的温度范围并不相同；二是本文不仅考 察工质本身的性能，还有结合中高温热泵实验系统的设计的目的，对工质的 c o & 、单位体积制热量、单位质量制热量、压缩机排气温度、压比等循环性能指 标综合考虑。 第二章中高温热泵实验系统工质理论循环性能对比评价 2 2 理论循环性能计算方法 理论循环性能分析，忽略了工质在实际循环过程中的一些次要影响因素，使 得理论模型相对简单，但是过于简单的理论模型又会使得理论循环与实际过程的 偏差较大，降低了理论循环的可靠性，是理论循环分析的可参考价值降低。 考虑到将工质在压缩机中的压缩过程简化成一个绝热压缩过程，与实际过程 偏差较大，在实际过程中，工质在开始压缩之前，首先受到压缩机的腔体及由于 余隙容积存在而未排除压缩机气缸的高温工质的加热，温度升高、比容增大，使 得压缩机容积效率降低、压比增大、比压缩功增大。工质在压缩过程中，随着压 力升高、温度升高，当温度高于气缸壁面温度时工质又会向气缸壁散热，使得温 度下降，散失掉一部分热能，比焓减小。 为了改善现有理论循环分析过于简单且严重偏离实际过程的现状，课题组改 进了现有理论循环模型。使得理论分析模型更接近实际过程。 如图2 一l 所示，现有理论中压缩机压缩过程是图2 。l ( a ) 中的过程5 - 6 ，改 进了的过程是5 5 - 6 t77 。引入压缩机的相关效率可以来逼近上述实际过程，具体 的计算步骤见文献 2 7 1 。 t ( a ) 纯质 图2 - 1 理论热泵循环示意图 ( b ) 非共沸混合工质 如图2 - l ( b ) 所示，过程8 - l 和过程3 4 为非共沸混合工质的等压变温相变示 意图。本课题幺且 3 0 】提出，对于非共沸混合工质进行理论循环性能分析时，非共沸 混合工质的冷凝蒸发温度取为发生相变过程中真实温度的平均值，比温度的算 术平均值，结果更可靠。 计算工具为盯方程，详细见文献 2 7 。 第二章中高温热泵实验系统- t 质理论循环性能对比评价 2 3 工质的理论循环性能 2 3 1 工质的基本物性与环境特性 五种工质的基本物性参数与环境性能如表2 1 所示。其中，混合工质的相关 参数以摩尔组成为基准进行计算的。 表2 1 工质的基本物性与环境特性【3 6 】 为2 0 的饱和状态参数 2 3 2 计算工况与相关参数指定 本章是着眼于中高温热泵实验系统的设计，在冷凝温度7 5 9 5 工况范围 内，进行理论循环性能考察，筛选出适合于该温度工况的工质，并将其作为中高 温热泵实验系统设计工质。但考虑到7 5 9 5 的温度跨度较大，对于工质而言， 很难保证同一种工质在整个工况范围内都有较好的循环性能；对系统设计而言， 在设计温度跨度比较大时，对系统的匹配度的要求更高，如果按最大工况设计实 验系统，就会导致在低工况时，系统换热器等部件会有较大的裕度，将偏离实际 应用的状况。综上考虑以上情况，将冷凝温度分段考虑，即冷凝温度7 5 8 5 和 8 5 - 9 5 两个温度区间。在希望这两个温度区间内优选出的工质，在各自的温度 范围内具有相近的循环性能，例如，单位容积制热量，单位容积压缩机耗功等。 第二章中高温热泵实验系统工质理论循环性能对比评价 本文出于对工质自身环境特性和系统运行性能对环境的综合影响的考虑，研 究对象既包括h f c s 类物质又包括h c s 类物质，通过理论循环性能分析，筛选确 定适与用冷凝温度7 5 9 5 。c 的中高温热泵工况范围的工质。 在理论计算中，过冷度为5 c ；过热度为5 c ；确定工质循环温升( 冷凝温 度与蒸发温度的差值) 为4 5 。 压缩机的效率取为：定熵效率为0 9 5 、电机效率为0 8 5 、机械效率为0 8 5 ， 热效率为0 9 8 ，考虑在后面设计实验热泵系统时要用到活塞压缩机，应考虑余隙 容积影响，取余隙容积系数为3 。 在冷凝温度9 5 。c ，蒸发温度5 0 。c 的工况下的循环性能参数见表2 2 。 表2 2 五种考察工质的理论循环性能 ( 志。n d 2 9 5 。c ，店、a p 2 5 0 。c ，a t s u b 2 5 。c ，z 5 t s u p = 5 。c ) 由表2 2 可见，五种工质混合工质m b 4 的压力水平最高，压比较小，不过 并没有超过工程上一般允许上限( - v 程上一般要求压力不得高于2 5 m p a ，但一般 限定在2 2 m p a 以下) ；r 2 4 5 f a 、混合工质m b l 、m b 3 的压力水平居中；混合工 质m b 2 的压力水平最低，压比最高。五种工质的压比大小呈现与压力水平同样 的趋势，混合工质m b 4 、m b l 这两种压力水平较高的工质拥有较小的压比；而 混合工质m b 2 压力水平最低的工质，拥有最高的压比。相同工况下压力大的工 质，在实际热泵系统中具有更高的压缩机容积效率。 混合工质m b l 的排气温度最低，混合工质m b 4 的排温最高，最高和最低排 气温度的理论计算值相差将近1 5 0 c ；r 2 4 5 f a 、混合工质m b 3 与m b l 的排气温 度非常接近，都较低。 压力水平与单位体积制热冷量有相同的发展趋势系，单位体积制热冷量大 的工质压力水平也较高；压力水平最高的混合工质m b 4 有最大的单位体积制热 量；纯质r 2 4 5 f a 、混合工质m b l 、m b 3 的单位体积制热量相差不大；压力水平 最低的混合工质m b 2 具有最小的单位体积制热量。在相同的热负荷要求下，m b 4 的单位体积制热量比m b 2 的大6 7 - 3 9 。 第二章中高温热泵实验系统工质理论循环性能对比评价 所有工质中m b l 的c o p h 最低，比m b 4 低2 0 ；m b 2 的c o p h 最高，比 r 2 4 5 f a 高3 9 。m b 3 的c o p h 和r 2 4 5 f a 一样大，m b1 的c o p h 略小于r 2 4 5 f a 。 综上，从典型工况分析，五种工质中m b l 的压力适中，压比较小，排气温 度较低，制热系数c o p h 较低；m b 2 虽然具有最高的c o p h ，但其单位容积制热 量较小，压力水平较低，但排气温度较高，限制了其向更高温度水平的应用，不 利于系统设计；m b 3 的性能参数与r 2 4 5 f a 极为相近；m b 4 在典型工况下的性能 最低，由于其压力较高，可能在低温度区间的性能会更好。 为了全面考察在整个温度工况冷凝温度范围7 5 9 5 0 c 下的循环性能，下面对 其循环温升( 乓。a p 、f c o n d 之差) 为4 5 。c 时的变工况性能进行分析，图2 2 为主要循 环性能参数随工况的变化情况。 从图2 - 2 ( a ) 可以看出，m b 4 的压力明显高于r 2 4 5 f a ，m b l 和m b 3 的压力水 平与r 2 4 5 f a 相当，m b 2 的压力水平低于r 2 4 5 f a 。随着冷凝温度的升高，冷凝压 力逐渐升高，9 5 时的五种工质冷凝压力都不超过1 8 m p a ，低于系统所能承受 的压力，所以这几种工质都有在考察温度工况下运行的压力。 如图2 - 2 ( b ) 所示，m b 2 的压比最高，m b l 和m b 3 的压比与r 2 4 5 f a 相近， 但略低于r 2 4 5 f a ，m b 4 的压比最低，比r 2 4 5 f a 的压比低得多。随着冷凝温度的 升高压比呈逐渐减小的趋势，这说明压缩机效率随着冷凝温度的上升而提高。由 于m b 4 的压比较低，因此更利于压缩机运行。 从图2 - 2 ( c ) 可以看出，排气温度随着冷凝温度的升高而升高。m b 2 和m b 4 的排气温度高于r 2 4 5 f a ，在9 5 冷凝温度时的排气温度已接近1 1 8 ，不适合 于更高的温度工况，但在冷凝温度7 5 9 5 的工况下，仍处于安全运行状态。m b1 和m b 3 的排气温度与r 2 4 5 f a 相近，在9 5 。c 时，排气温度1 0 3 。c ，有在更高温工 况应用的潜力。排气温度严重制约着工质的适用工况范围，过高的排气温度会有 一系列的安全隐患。 一 山 善 口 c 8 山 ( a ) 足。n d ( b ) p r 第二章中高温热泵实验系统丁质理论循环性能对比评价 薹 i 洲) ( c ) 压缩机排温 ( d ) 单位容积制热量 ( e ) 制热系数 图2 - 2 性能参数随冷凝温度的变化 如图2 - 2 ( d ) 所示，五种工质的单位容积制热量都随着冷凝温度的升高而升高， m b 4 的单位容积制热量最大，明显高于r 2 4 5 f a 。m b l 的单位容积制热量也略高 于r 2 4 5 f a 。m b 3 与r 2 4 5 f a 的单位容积制热量几乎相等，m b 2 远低于r 2 4 5 f a ， 是五种工质中最低的，单位容积制热量表征制热能力的大小，说明相同的负荷下， 选用单位容积制热量大的工质有利于减小系统工质充灌量，要求较小的系统体 积。 如图2 - 2 ( e ) 所示，五种工质的c o p h 随着冷凝温度的变化趋势有所不同，其 中m b 3 的c o p h 在考察的冷凝温度范围内是五种工质中最大的，在冷凝温度9 5 是达到最大为4 4 3 ，比r 2 4 5 f a 高0 1 8 。m b 3 与r 2 4 5 f a 几乎相等，m b l 的c o p h 最小。但当冷凝温度大于8 5 。c 后，m b 4 的c o p h 逐渐小于m b l ，成为五种工质 中最小的。 综上所述，由上面分析可知： m b l 的压力略高于r 2 4 5 f a ，压比小于r 2 4 5 f a ，单位容积制热量略大于 r 2 4 5 f a ，但在考察工况下的性能系数c o p h 较低：但随着冷凝温度的升高，m b i m似御啦强“ 第二章中高温热泵实验系统工质理论循环性能对比评价 的c o i h 在增加；排温较低，有在更高温工况应用的潜力。 m b 2 的c o p h 是五种工质中最高的；但是它的压比太大，导致在实际运行时 压缩机效率太低；单位容积制热量太小，相同的压缩机排量下，制热负荷太小， 就是在相同制热量负荷下，要求更大的工质质量流量。这些都不利用系统设计选 型。 m b 3 和r 2 4 5 f a 循环性能相近，但是压比比r 2 4 5 f a 略低，可提高实际运行 中压缩机效率。单位容积制热量比r 2 4 5 f a 稍大，排气温度和( 幽，极为相近。 但在实验室前期研究中，m b 3 在实验循环性能上要优于r 2 4 5 f a 。但由于它的单 位容积制热量较小，排气温度较低，所以不适合在低温度工况下应用，而适合在 高温工况下应用。 m b 4 的压力水平最高，单位容积制热量也最大，排气温度最高。但是可以 发现冷凝温度在7 5 8 5 工况下时，m b 4 的压力不超过1 5 m p a ，远远低于系统 允许压力上限；m b 4 的压比很低，在7 5 时的压比比r 2 4 5 f a 在8 5 时的压比 高0 1 3 7 ，较低的压比利于压缩机实际运行时的效率；不能在更高的温度水平下 工作。在冷凝温度8 5 的排气温度为1 0 9 ，远低于压缩机允许范围。在冷凝温 度8 5 时的单位容积制热量仍大于r 2 4 5 f a 在9 5 。c 时的单位容积制热量。由图中 可知m b 4 的制热系数低于r 2 4 5 f a ，但在实验室前期研究【3 l 】中，与m b 4 组元相同其他组分的混合工质m l b ，在实验过程中表现出比r 2 4 5 f a 优良的实验 循环性能。 在上述性能参数中直接影响中高温热泵实验系统设计的参数是单位容积制 热量。当选定的压缩机排量一定时，单位容积制热量越大的工质，要求的换热器 负荷越大。由图2 - 2 ( d ) 可以看出，混合工质m b 4 在冷凝温度9 5 时的单位容积 制热量，是冷凝温度为7 5 时的单位容积制热量的1 6 倍，所以如果根据最大工 况进行实验热泵系统选型时，在做低温度工况下运行时，会有较大的裕度；如果 不按最大工况进行选择又会出现换热器换热面积不足等现象，为了避免上述情 况，采用分温度阶段筛选工质。在冷凝温度较低的温度工况下，选择单位容积制 热量较大的工质；相反，在冷凝温度较高的温度工况下选择单位容积制热量较小 的工质。 综合考虑以上分析因素，在所研究的五种工质中，m b 4 适合于冷凝温度 7 5 8 5 工况，且在这个工况下综合循环性能最优；m b 3 适合于冷凝温度8 5 9 5 工况，并有在更高温度工况使用的潜力。 签于上面的分析，将选为m b 3 和m b 4 作为实验热泵系统选型工质。 第二章中高温热泵实验系统t 质理论循环性能对比评价 2 4 小结 采用改进后的理论循环计算方法，在冷凝温度7 5 9 5 。c 温度区间内对不同的 中高温热泵工质进行了理论循环分析 研究结果表明，这五种工质理论循环性能较优。 m b l 的压力略高于r 2 4 5 f a ，压比小于r 2 4 5 f a ，单位容积制热量略大于 r 2 4 5 f a ，但在考察工况下的性能系数c o p h 较低；但随着冷凝温度的升高，m b l 的c o p h 在增加，不适合在该温度工况下使用；排温较低，有在更高温工况应用 的潜力。 m b 2 的c o p h 是五种工质中最高的：但是它的压比太大，导致在实际运行时 压缩机效率太低；