（工程热物理专业论文）中高温热泵工质理论与实验循环性能研究.pdf

中文摘要 开展中高温热泵技术研究，具有拓展热泵节能技术的应用空间、提供工业余 热资源回收利用手段的节能与环保意义。现阶段，中高温热泵技术研究的重点为， 基于常温热泵系统硬件，寻找环境性能和循环性能俱优的中高温热泵适用工质。 本文以筛选、提出冷凝温度为6 0 1 0 0 。c 的中高温热泵工况范围的适用工质为目 标，对多种纯质和混合工质，开展了循环性能的理论和实验对比评价研究。 非共沸混合工质相变过程温焓关系的非线性，导致了相变温度的算术平均值 与真实平均值之间的差异；故现行的不同工质间理论循环性能对比研究中，以各 工质有分别相同的算术平均冷凝蒸发温度作为比较的基础，造成了不公平比较 因素。本文分析了非共沸混合工质相变算术平均温度与真实平均温度之间差值的 影响因素，考察了二者差值对理论循环性能的影响，并指定相变真实平均温度作 为冷凝蒸发温度，对非共沸混合工质的理论循环性能计算方法进行了改进，改 进结果更加接近实际。 指定非共沸混合工质相变真实平均温度作为冷凝蒸发温度，结合改进的理 论循环性能计算方法，对多种h f c s 和h c f c s 类纯质和混合工质、在冷凝温度 6 0 - 8 0 0 c 和8 0 1 0 0 0 c 两个温度区间上进行了理论循环性能分析，初选出了各个温 度区间上理论循环性能优良的纯质以及7 种非共沸混合工质m l - m 7 ；对m 1 m 7 的温度滑移匹配分析表明，m 2 m 5 温焓关系呈现较好的线性，更易实现两器中 工质与载热流体温度的较好匹配。 采用改进型的循环性能对比实验评价研究方法，在水水蒸汽压缩式热泵实 验台上，首先以考察纯质实验循环性能为目的，在冷凝温度6 0 9 0 0 c 工况范围内 对多种纯质进行循环性能实验研究；然后在冷凝温度9 0 1 0 0 0 c 工况范围内，对 理论循环性能优良、样品可得的非共沸混合工质m 3 和m 4 以及前期研究中得到 的优良纯质r 2 4 5 f a 进行循环性能对比实验研究。研究结果表明，m 3 和m 4 的制 热量和c o p h 均明显高于r 2 4 5 f a ，排温比r 2 4 5 f a 高1 0 0 c 左右，综合性能优于 r 2 4 5 f a ；两种混合工质中，m 3 的环境性能和循环性能最优。 关键词：中高温热泵工质，循环性能，理论分析，实验研究 a bs 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 s i 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 st oa c h i e v e t 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 dm a k e u s eo fw a s t eh e a t o n ei m p o r t a n ta s p e c to ft h er e s e a r c h e so nt h em o d e r a t e h i g h t 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 st of i n do u tn e w a l t e r n a t i v ew o r k i n gf l u i d sw i t h e x c e l l e n te n v i r o n m e n t a la n dc y c l ep e r f o r m a n c e s b a s e do nc o n v e n t i o n a lh e a tp u m p s y s t e m s i nt h i st h e s i s ，s o m ew o r k i n gf l u i d s a tc o n d e n s i n gt e m p e r a t u r ef r o m6 0t o l0 0 0 cw e r ep r o p o s e da n de v a l u a t e df o rt 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 pi n t h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o n s i nt h ee x i s t e dm e t h o d so ft h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n so fh e a tp u m pc y c l ep e r f o r m a n c e s ， i ng e n e r a l ，t h ec o n d e n s i n g e v a p o r a t i n gt e m p e r a t u r eo ft h ez e o t r o p i cm i x t u r e si s d e s i g n a t e dt ob et h ea r i t h m e t i c a lm e a nv a l u eo f t h ep h a s ec h a n g et e m p r e a t u r e b u tt h e a r i t h m e t i c a la n da c t u a lm e a nt e m p e r a t u r e sa r ed i f f e r e n tb e a c a u s eo ft h en o n - l i n e a r e n t h a l p y - t e m p e r a t u r er e l a t i o n s h i p ，b r i n g i n g a nu n f a i rf a c t o rt o c o m p a r i s o na n d e v a l u a t i o n i nt h i st h e s i s ，t h ef a c t o r sw h i c hl e a dt ot h ed i f f e r e n c eb e t w e e na b o v et w o m e a nt e m p e r a t u r e sa n di n f l u e n c e so nc y c l ep e r f o r m a n c e sc a u s e db yt h ed i f f e r e n c e w e r ea n a l y z e d a n dt h ea c t u a lm e a nt e m p e r a t u r ew a sa d o p t e dt oi m p r o v ee x i s t e d m e t h o d s ，m a k i n gi m p r o v e dr e s u l t sm o r ep r a c t i c a l t h e o r e t i c a lc y c l ep e r f o r m a n c e so fm a n yh f c s ( h y d r o f l u o r o c a r b o n s ) a n dh c f c s ( h y d r o c h l o r o f l u o r o c a r b o n s ) h a v eb e e na s s e s s e d s o m eg o o dp u r e o n e sa n ds e v e n z e o t r o p i cm i x t u r e s ( m1 m 7 ) h a v eb e e nr e c o m m e n d e d t od i f f e r e n tt e m p e r a t u r er a n g e s a c c o r d i n gt og l i d em a t c h i n ga n a l y s i s ，m 2 一m 5a r ep r o n et oh a v et h ep e r f e c tg l i d e m a t c h i n g s o m ee x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o n so np u r ec o m p o n e n t sw e r ef i r s t l yc a r r i e do u ti n t h ec o n d e n s i n gt e m p e r a t u r er a n g eo f 6 0t o9 0 。c ，w i t hf i x e dt e m p e r a t u r el i f to f 4 5 。c t h e nz e o t r o p i cm i x t u r e sm 3a n dm 4w h i c hh a v ee x c e l l e n tt h e o r e t i c a lc y c l e p e r f o r m a n c e sw e r ei n v e s t i g a t e de x p e r i m e n t a l l y , a l s ot h er 2 4 5 f aa sac o m p a r i s o n ，a t t h ec o n d e n s i n gt e m p e r a t u r eo f 9 0a n d9 5 。c ，w i t hv a r i o u st e m p e r a t u r el i f t s i ti ss h o w n t h a t ，c o m p a r e dw i t hr 2 4 5 f a ，m 3a n dm 4o f f e r e dh i g h e rh e a t i n gc a p a c i t ya n dc o p e x c e p t f o r10 。ch i g h e rd i s c h a r g et e m p e r a t u r e a n dm 3h a s am o r ee x c e l l e n t e n v i r o n m e n t a la n dc y c l ep e r f o r m a n c et h a nm 4 k e yw o r d s ：w o r k i n gf l u i d sf o rm 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 p s ，c y c l e p e r f o r m a n c e ，t h e o r e t i c a la n a l y s i s ，e x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o n 天津大学硕士学位论文符号表 压力 温度 温差 密度 压比 单位容积制热量 制冷量 循环性能系数 定压比热 潜热 导热系数 比熵值 质量流量 进口 蒸发、蒸发器 算术平均 露点 过热 滑移 制热 特指水 临界校正 排气 热源 载热流体 m p a o c o c k g m 3 k j m 3 w k j k g k k j k g w m k k j k g 。k k g s 符号表 c o n d a c t u a i b u b s u b b 0 r l m t d a e l r e f 温度 平均温度 换热面积 比容 单位质量制热量 制热量 压缩机排量 逆卡诺循环性能系数 定容比热 动力粘度 比焓值 传热系数 循环热力学完善度 出口 冷凝、冷凝器 真实平均 泡点 过冷 标准沸点 制冷 工质n 冷剂 对数平均温差 面积当量 冷源 参考 k j k g k g p a s k j k g | 耐k n 1 0 y ， 尿搿 倍亳秆机挑 耐 r 彳 v 劬绕y岛厅七 胪 尸，加p b吼g仪勺r a s 廊 标 标 n 埔，确唧一咖叩g h w ch m 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫叠本堂或其他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。 学位论文作者签名： 弩冯 签字日期：v 纠稻年o6 月，p 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解叁鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤壅盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 、 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 墨 萌 导师签名： 、 0 矛1 乙 签字日期：_ 眇罗年p 多月7 夕日签字日期：如8 年月，p 日 天津大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 中高温热泵技术的研究背景 建立在煤炭、石油、天然气等化石燃料基础上的能源体系极大地推动了经济 的发展和人们生活水平的提高，但大量化石燃料的消耗导致了严重的环境污染和 资源枯竭，中国面临着巨大的能源和环境压力。未来几年，一方面，中国经济要 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 提高能源利用率，尤其是一次能源利用率，会鼓励各种节能设备和技术的推广。 而热泵供热技术就是主要的节能技术之一： ( 1 ) 采用热泵供热技术可以大大降低一次能源的消耗( 以电动热泵为例) 热泵供热技术的比较对象是以化石燃料或电能为主要能源的传统供热技术， 最常见的就是已经大量使用，技术相对简单和成熟的各种中小型锅炉。电动热泵 的驱动能源是电，锅炉可用煤、油、电作能源，由于热泵的性能系数( c o p ) 大于 1 ，故与电锅炉相比是节能的；电动热泵与其它使用燃料的锅炉所使用的能源不 同，故不能直接将电动热泵的c o p 与锅炉效率进行比较，对此采用一次能源利 用率进行分析。图1 1 是在不同发电效率下热泵c o p 与所对应的一次能源利用 率。由图1 1 可知，当发电效率为3 0 ，热泵c o p 为2 3 3 时，其一次能源利用 率为o 7 ，与中小型煤锅炉的一次能源利用率相当；设油发电总效率为4 0 ，则 热泵c o p 为2 2 5 时，其一次能源利用率为0 9 ，与油锅炉的一次能源利用率相 当；而一般热泵c o p 在3 以上，当前的发电效率也大于3 0 ，故从一次能源利 用率的角度考虑，应用热泵供热技术是节能的。而且，随着发电效率和热泵c o p 的增加，一次能源利用率也随之增大，节能优势更大；同时还减少了由于一次能 源消耗带来的c 0 2 、s o z 、n o 。等大气污染物的排放，而且随着利用可再生能 源发电的比重逐渐增加，环保效果更加显著，图1 - 2 为不同采暖装置的c 0 2 相对 排放量1 1 】。由图1 2 可知，以燃油锅炉的c 0 2 排放量为l ，则燃气锅炉为o 8 ；电 动热泵和燃气热泵差不多，在0 5 左右；而以可再生能源为动力源的热泵，其 c 0 2 排放量远小于0 1 。 ( 2 ) 采用热泵供热技术可以减少可用能的耗散 在那些过程本身对热能品位要求较低的加热环节上，如食品和木材的干燥、 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 化工蒸馏、皮革加工、陶瓷生产以及日常供暖、洗浴等，传统的供热方式以燃烧 化石燃料、甚至直接电加热的方式供热，使高品位能( 燃料化学能、电能、高温 热能等) 直接贬值为等量的低品位热能，造成巨大的可用能耗散。热泵技术能够 充分利用环境中的低品位能源和各种废热，通过热力循环将其转化为符合终端用 户要求的品位，依据高能高用、低能低用的原则，避免了大量的可用能损失。 0 3 0 4 0 5 0 60 70 8 0 9101 1 1 2 1 31 41 5 1 6 1 7 1 8 1 9 2 o 一次能源利用率 图1 1 不同发电效率下热泵c o p 与所对应的一次能源利用率 余 、- ， 咖 餐 靠 靛 翼 f u 图1 - 2 各种采暖装置的c 0 2 相对排放量 目前，常温热泵( 供热温度5 0 0 c 以下) 技术已基本成熟并市场化，热泵技术 更广阔的应用空间，要靠提高供热温度来开拓。中高温热泵技术通过提高蒸发温 度，使无法以常温热泵利用的大量工业余热得到回收利用，同时降低工业余热排 放造成的热污染；通过提高冷凝温度，为相应的工业过程提供符合要求的供热温 度水平，拓展了热泵技术的应用空间。故基于常温热泵的系统硬件，以大量的工 业余热为低温热源，提升到所需的温度供给相应的工业部门的中高温热泵技术， 天津大学硕士学位论文第一章绪论 达到了节能与环保的双重效果。随着能源紧张和环境污染的加剧，中高温热泵技 术也越来越受到国内外研究者的重视。中高温热泵技术研究包括系统部件和循环 工质的研究，当前技术研究的重点，就是寻找环境友好、热力参数适宜、循环性 能优良的中高温热泵适用工质。 1 2 中高温热泵工质的研究现状 1 2 1 循环性能研究 f a h o l l a n d 等1 2 1 对r 2 9 0 、r 6 0 0 、r 6 0 0 a 进行了理论分析，发现它们适宜在 中高温范围( 一般指冷凝温度高于6 0 0 c ) 内使用；s d e v o t t a 掣3 】对环氟化物进行了 研究；s u k u m a rd e v o t t a 4 】综述了r 1 2 、r 11 4 、r 1l 的一些有潜力的替代物， 如r 1 3 4 a 替代r 1 2 ；r 1 4 3 、e 1 3 4 替代r 1 1 4 ；r 2 4 5 c a 、e 1 4 3 替代r 1 1 ；且r 1 4 3 、 r 1 3 4 和r 2 5 4 c b 在分析工况下的理论循环性能系数优于r 1 1 4 【3 4 1 ；s e l a h a t t i n g o k t u n 5 1 在蒸发温度9 0 0 c ，冷凝温度1 5 0 。c 理论筛选出了r 1 2 3 、r 2 4 5 c a 、e 2 4 5 、 e 2 4 5 c b 等作为高温热泵工质；b r a k h e s h 等1 6 j 对r 2 2 7 和r 114 进行了实验研究， 表明r 2 2 7 适宜在蒸发温度高于3 0 0 c 使用；m i y a r a 等i7 】在蒸发器载热流体侧进 出口3 0 1 0 。c ，冷凝器载热流体侧进出口4 0 6 0 0 c 工况下，对r 2 2 11 4 进行了实 验研究；l i e b e n b e r g 等【8 1 在中高温热泵中利用r 2 2 1 4 2 b 得到6 0 0 c 的热水：n a k a t a n i 等【9 j 在冷凝温度6 0 0 c 时，对r 2 2 1 3 4 a 、r 2 2 1 5 2 a 、r 2 2 1 4 2 b 、r 2 2 1 2 3 进行了实 验研究；日本从1 9 9 4 2 0 0 1 年，实施的名为“新制冷剂和其它物质研究开发”的国 家项目，此项研究的最终报告指出，e 2 4 5 m c 有望成为替代r 1 1 4 的物质，并在 8 5 9 0 0 c 出水温度下进行了实验研究 1 0 , 1 1j 。 赵力【】2 1 以4 0 4 5 。c 地热尾水为低温热源，利用混合工质r c 2 2 1 4 2 b 2 1 等， 制取7 0 0 c 以上热水，c o p 一般在3 5 以上。史琳等1 1 3 , 1 4 , 1 5 利用h t r 系列中高温 热泵工质，h t r 0 1 ，h t r 0 2 以及h t r 0 4 可分别产生8 5 0 c ，7 0 0 c 以及8 0 0 c 的热 水，在冷凝器出口水温和蒸发器进口水温之差3 0 0 c 以内，c o p 在3 0 以上。李 廷勋等1 1 6 】在蒸发器进口4 0 0 c 冷凝器进出水温度7 0 8 0 。c ，对r 2 2 1 4 1 b 进行了实 验研究；在本课题组的前期研究【1 , 1 7 , 3 1 , 3 2 , 3 3 1 ：p ，对多种纯质和混合工质进行了理论 和实验研究，筛选提出了多种环境特性和循环性能俱优的新型中高温热泵工质， 且王继霄【17 】以r 2 4 5 f a 为工质，使冷凝器出口水温达到1 1 5 3 0 c ；周湘江等【1 8 , 1 9 1 对r 1 2 5 跨临界热泵进行了理论和实验研究，出水温度达到7 5 0 c ，而且性能系数 好于同工况的c 0 2 跨临界热泵，而且压力水平低，可以应用常温热泵的部件。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 2 热物性研究 w i d i a t m o 等p o 测量了e 1 4 3 m r 1 3 4 a 和e 1 4 3 m r 1 2 5 的泡点压力，以及饱和 液与过冷液的密度；p e r k i n sr 等【2 l 】测量了r 1 4 3 、r 2 2 7 e a 、r 2 3 6 e a 、r 2 3 6 f a 、r 2 4 5 c a 等物质在2 8 0 3 4 0 k 温度范围内的气相导热系数；j i h o o ni m 等1 2 2 在 3 1 3 1 5 k - 3 6 3 1 5 k 温度范围内，测量了r 1 5 2 a 6 0 0 混合物的气液平衡数据；j o n g s u n gl i m 等【2 习分别在2 7 3 1 5 - 3 2 3 1 5 k 和2 6 8 1 5 3 0 8 1 5 k 范围内测量了r 2 9 0 1 3 4 a 和r 1 4 3 a 2 9 0 的气液平衡数据；j uh y o kk i m 等【2 4 】在2 5 3 1 5 - 3 2 3 1 5 k 范围内测量 了r 1 2 5 2 9 0 和r 3 2 2 9 0 的气液平衡数据。 段远源等实测了2 9 1 - 3 3 7 k 范围内2 4 对r 1 2 5 饱和蒸汽压的数据；测量了 r 1 4 3 a 在2 51 - 3 4 3 k ，2 9 2 - 3 5 5 3 k p a 和r 2 3 6 f a 在2 5 3 3 9 6 k ，4 3 3 0 6 4 k p a 范围内 的蒸汽压数据1 2 6 j ；在2 5 4 - 3 3 3 k 温度范围内，测量了气液平衡状态下r 2 4 5 f a 和 r 2 3 6 f a 的表面张力怔7 | 。 1 2 3 应用 2 0 世纪9 0 年代，日本超级热泵计划中的高效升温型热泵，采用r 1 2 3 1 4 2 b 可 以达到出水温度8 5 。c ，并有较高的c o p ，已经得到应用【2 8 】；2 0 0 4 年，河北某公 司的热泵系统，供热水温7 0 。c ，c o p 平均为3 1 7 t ”1 ；史琳等 3 0 , 1 3 用自己研制的三 元混合工质h t r 0 1 ，研制了制热量为3 0 0 k w 的高温水源热泵机组，能够产生8 5 。c 的热水，性能系数较高，并已实现商业化生产( 如北京清源世纪科技有限公司 q y h p 系列高温热泵) 。 1 2 4 小结及其存在的问题 ( 1 ) 在理论循环性能研究中，国内外研究者对大量的纯质以及混合工质进行了 理论循环性能分析，筛选出了多种理论热力学性能优良的中高温热泵工质，其中 包括h c f c s 、h f c s 、h c s 和h f e s 类纯质以及混合工质。 在理论循环性能研究中，一般指定相同的工质侧参数对不同工质的循环性能 进行比较；由于非共沸混合工质的等压变温相变特性，为保证工质问的公平比较， 在以往文献中，对于非共沸混合工质的理论循环性能计算，一般指定相变算术平 均温度作为冷凝蒸发温度，并以此作为不同工质循环性能间的比较基准。用非 共沸混合工质相变温度的算术平均值代替真实平均值作为计算基准，在非共沸混 合工质等压相变过程中温焓关系为线性时，其计算、比较结果是合理的；但对于 某些非共沸混合工质，其相变过程中温焓关系呈现非线性化 3 4 3 5 】，如果对此类非 共沸混合工质仍然沿用相变算术平均值代替真实平均值进行理论循环性能计算， 天津大学硕士学位论文第一章绪论 将造成不公平比较因素，影响评价的公平公正性，有可能影响工质循环性能间的 优劣排序。 ( 2 ) 对理论筛选出的部分工质进行了实验循环性能研究，并且把跨临界循环 应用于临界温度较低的工质( 如r 1 2 5 ) ，在性能系数好于同工况c 0 2 跨临界热泵 的前提下，压力水平远远低于c 0 2 跨临界热泵的系统压力，并且可以应用常温 热泵部件。 ( 3 ) - i 质热物性的研究是对工质进行理论分析以及应用研究的基础，在常温 热泵的温度范围内( 一般指冷凝温度温度低于6 0 0 c ) ，国内外研究者对大量的纯质 和混合工质进行了气液平衡数据的测量；但在中高温工况范围内，对适宜的中高 温热泵工质热物性测量的相关文献还很少。 ( 4 ) 在应用方面，国外在上世纪八、九十年代，已经有应用先例，如日本的 超级热泵计划【2 8 】；国内中高温热泵的研究起步较晚，所以应用比国外也有相应的 时间延迟，但是发展势头迅猛，如清华大学史琳的h t r 0 1 已经应用于商品化的 中高温热泵机组中。 1 3 本文主要内容 中高温热泵工质的研究与一般意义上的工质替代研究是不同的，主要在于： 与r 1 2 作为公认的冰箱工质、r 2 2 作为公认的空调工质不同，当前并没有公认的 中高温热泵工质，故并不存在替代问题。中高温热泵工质的研究就是在可选的大 量的工质范围内，对符合中高温热泵工质筛选一般标准【3 2 】的工质进行筛选、对比、 评价和推荐。 本文将在课题组已有研究的基础上，在6 0 1 0 0 。c 的温度范围内，在两个温 度区间6 0 8 0 0 c 和8 0 1 0 0 0 c 上，进行中高温热泵工质理论和实验研究，分别筛 选适合两个温度区间的、符合中高温热泵工质筛选的一般标准【3 2 】的适用性工质。 主要包含以下几部分内容： 1 3 1 改进的非共沸混合工质理论循环性能计算方法 非共沸混合工质具有等压相变温度滑移特性，如果能保证其与载热流体问形 成良好的温度匹配关系，利用此特性可以逼近劳伦兹循环，减小温差传热带来的 不可逆损失，提高系统的性能，所以非共沸混合工质的研究受到众多学者的重视。 以往的研究文献中，在进行非共沸混合工质理论循环性能计算时，一般指定相变 温度的算术平均值作为冷凝蒸发温度；本文考虑到非共沸混合工质等压相变过 程中的温焓非线性关系【3 4 ，3 5 j ，对以相变算术平均温度为基准的理论循环性能计算 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 结果的影响，对非共沸混合工质的理论循环性能计算方法进行改进。 不同形式相变平均温度之间的差值以及影响因素 介绍两种不同的相变平均温度，即相变算术平均温度和真实平均温度，并考 察两种不同相变平均温度之间的差值以及影响二者差值的因素。 相变平均温度之间的差值对循环性能的影响 分别在冰箱标准工况、空调标准工况以及中高温热泵工况下，考察两种相变 平均温度之间的差值对同一非共沸混合工质循环性能的影响，以及对非共沸混合 工质与纯质之间和不同非共沸混合工质之间循环性能相对排序的影响。 1 3 2 中高温热泵工质的理论循环性能分析 在中高温热泵工质筛选的一般标准【3 2 】的指导下，指定非共沸混合工质相变温 度的真实平均值作为冷凝蒸发温度，结合改进的理论循环性能分析计算方法【3 6 1 ， 在冷凝温度6 0 1 0 0 0 c 范围内评价纯质和混合工质的理论循环性能，完成工质的 初选；并从理论上对筛选出的非共沸混合工质进行温度滑移匹配方面的考察。 1 3 3 中高温热泵工质循环性能实验研究 在改进型的对比实验评价方式【37 】的指导下，在冷凝温度6 0 9 5 0 c 工况范围内， 对理论筛选出的综合性能优良、样品可得的纯质和混合工质进行环性能实验研 究，推荐优良的中高温热泵工质。 天津大学硕士学位论文第二章改进的非共沸混合工质理论循环性能计算方法 第二章改进的非共沸混合工质理论循环性能计算方法 对于具有相变温度滑移的非共沸混合工质，在理论循环性能研究中，一般指 定其相交温度的算术平均值作为冷凝蒸发温度，并作为不同工质循环性能间的 比较基准；但受到相变过程温焓关系非线性 3 4 , 3 5 , 3 8 1 的影响，相变算术平均值与真 实平均值之间存在差别，造成了不公平比较因素，影响评价的公平公正性，有可 能影响工质循环性能间的优劣排序。 本文首先定义了两种不同形式的相变平均温度，即相变算术平均温度和真实 平均温度；然后比较了它们之间的差值，并考察了影响二者差值的因素；最后考 察了两种相变平均温度之间的差值对同一非共沸混合工质循环性能的影响，以及 对非共沸混合工质与纯质之间和不同非共沸混合工质之间循环性能相对优序的 影响。 2 1 不同形式相变平均温度之间的差值以及影响因素 2 1 1 两种不同形式的相变平均温度 ( 1 ) 相变算术平均温度 冷凝温度：，。d 面n n n = ( d e w + ) 二 蒸发温度：l c v a p , m i t h m = 去( k d e w + f 0 ) ( 2 ) 相变真实平均温度 冷凝温度：；。正。c h l a l ：h e o n d a c w - - h c o n & b u b s c 正d c w s 咖正b 曲 蒸发温度：；唧，跏al：一hevapdew-hevap 2 1 2 压力水平、配比以及纯质组元间标准沸点差值的影响 首先考察压力水平以及纯质组元间标准沸点差值对两种相变平均温度的影 响。考察压力范围为0 1 1 5 m p a ( 考虑到一般要求蒸发压力大于o 1 m p a ，冷凝压 力小于2 5m p a ，一般在2 0m p a 左右，但计算0 1 一1 5 m p a 的压力范围已足够将 变化趋势表现出来) ；在同一压力水平、同一配比下，纯质组元间标准沸点的差 天津大学硕士学位论文第二章改进的非共沸混合工质理论循环性能计算方法 值大小表现为相变温度滑移的大小，考察工质的相变温度滑移范围为2 - 2 0 k ，计 算结果见图2 1 3 和表2 1 。图2 卜3 为考察工质在0 1 1 5 m p a 压力范围内的两 相区温焓关系曲线，其中图2 1 为r 2 3 6 f a 2 4 5 f a ( 0 2 3 0 7 7 ，记为r 1 ) 的计算结果， 图2 2 为r 1 5 2 a 2 4 5 f a ( 0 7 3 0 2 7 ，记为l 也) 的计算结果，图2 3 为r 1 5 2 a 1 2 3 ( 0 5 0 o 5 0 ，记为r 3 ) 的计算结果( 上述混合工质的组成均为摩尔组成) ，其中r l 、i 毪和 r 3 的纯质组元间标准沸点的差值分别为1 6 4 k 、3 9 3 k 和5 1 9 k 。表2 1 为上述 工质在o 1 1 5 m p a 压力范围内两种相变平均温度的计算结果，以及二者之间的 差值，表中同时列出了各考察工质在计算压力下的相变温度滑移。 始批 ( b ) j p 。= 0 5 m p a ( c ) p = i o m p a( d ) 仁1 5 m p a 图2 - 1r i 在0 1 - 1 5 m p a 压力范围内的温一焓关系变化， = 2 k 焓1 0 k g ( b ) p = 0 5 m p a 天津大学硕士学位论文 第二章改进的非共沸混合工质理论循环性能计算方法 谂旧崦 ( c ) j p 毫1 0 m p a 焓桃 ( d ) j p = 1 5 m p a 图2 - 2r 2 在0 1 1 5 m p a 压力范围内的温- 焓关系变化，= 9 k 焓k j k g ( a ) j p = o im p a 焓k j k g ( c ) p 21 0 m p a 焓k j k g ( b ) 尸2 0 5 m p a 焓k j k g ( d ) p 21 5 m p a 图2 - 3r 3 在0 1 1 5 m p a 压力范围内的温一焓关系变化， = 2 0 k 表2 1 上述工质在0 1 - 1 5 m p a 压力范围内两种相变平均温度的计算结果 工质 尸 f g f 耐t h n if 。n l a i f 抓t l m i f 跏a 】 r 1o 1 o 5 1 o 1 5 2 2 8 1 6 6 1 3 2 1 0 8 8 4 0 5 7 1 0 8 4 3 0 1 0 2 4 6 8 5 4 5 7 1 7 8 4 3 5 1 0 2 4 9 o 1 4 0 0 7 o 0 5 o 0 3 9 天津大学硕士学位论文 第二章改进的非共沸混合工质理论循环性能计算方法 压力m p a 图2 - 4 相变算术平均温度与真实平均温度的差值随压力的变化 由图2 一l 4 和表2 1 可以看出： ( 1 ) 从理论上讲，由于工质以及工况的不同，非共沸混合工质相变温焓关系 的非线性将使得温焓关系曲线产生三种不同的形状：在相变区域内，一种是随着 相变温度的升高，工质焓值的变化率逐渐增大：一种是工质焓值的变化率逐渐减 小；另外一种就是工质焓值的变化率先增大后减小或先减小后增大，即可能出现 拐点。从上图可以直观的看出，图2 1 ，图2 2 和图2 3 分别反映了上述三种情 况。 ( 2 ) 随着压力水平的升高，非共沸混合工质温焓关系线性化程度越来越好， 相变温度的算术平均值和真实平均值之间的差别也越来越小；上述工质的相变滑 移温度均呈下降趋势。 ( 3 ) 同一压力水平下，上述工质两种相变平均温度的差值随相变滑移温度的 增大而变大，而上述工质相变滑移温度的相对大小与其纯质组元间的标准沸点差 值的相对大小一一对应，故对于上述工质，纯质组元间标准沸点相差越大，其相 pl趔露牛林蜮锹罂趔露睁*琳锹婴一 天津大学硕士学位论文第二章改进的非共沸混合工质理论循环性能计算方法 变温度的算术平均值与真实平均值之间的差别也越大；但二者的差值很小，最大 仅为0 9 3 0 c ，这可能与所选的物质以及配比恰好使得二者的差值不是很大。 下面将以纯质组元间标准沸点差值不同的二元非共沸混合工质为例，考察配 比对两种不同的相交平均温度之间差值的影响。 表2 2 为两种二元非共沸混合工质( r 1 3 4 a j 2 4 5 f a ，记为r 4 ，纯质组元间标准 沸点差值为4 1 4 k ；i 毪2 1 2 3 ，记为r 5 ，纯质组元间标准沸点差值为6 8 7 k ) 在不 同配比下，压力为1 0 m p a 时，相变算术平均温度和真实平均温度以及二者差值 的计算结果，表中同时列出了不同配比下的相变温度滑移。图2 5 “分别为非共 沸混合工质的相变温度滑移、相变算术平均温度和真实平均温度之间的差值在不 同配比下的变化曲线。 表2 2 不同配比下两种相变平均温度的计算结果 工质摩尔组成 毛 fa r i 岫 f a 删f 缸i 岫一r 删 0 1 0 o 9 03 9 38 3 8 28 4 2 70 4 5 0 2 0 0 8 07 0 57 8 7 67 9 4 2 - 0 6 6 o 3 0 0 7 09 3 67 3 8 87 4 5 5- 0 6 7 r 4 0 4 0 0 6 0 lo 8 66 9 。166 9 5 7- 0 41 0 5 0 0 5 01 1 5 46 4 5 36 4 7 7 - 0 2 4 0 6 0 0 4 0l l - 3 95 9 9 25 9 8 30 0 9 0 7 0 o 3 0 1 0 3 45 5 2 65 4 8 40 4 2 0 8 0 o 2 0 8 2 85 0 4 34 9 7 90 6 4 0 9 0 0 104 9 84 5 2 84 4 6 8 0 6 0 天津大学硕士学位论文第二章改进的非共沸混合工质理论循环性能计算方法 摩尔组成 图2 - 5 相变温度滑移的变化 摩尔组成 图2 - 6 两种相变平均温度之间差值的变化 由表2 2 以及图2 5 6 可知，对上述二元非共沸混合工质而言： ( 1 ) 摩尔配比1 ：l 时相变温度滑移出现极大值； ( 2 ) 在同一压力、同一摩尔组成下，纯质组元间的标准沸点差值越大，非共 沸混合工质的相变温度滑移就越大； ( 3 ) 当低沸点组元的摩尔组成为0 6 0 时( 换算成质量组成分别为0 5 3 和0 4 6 ) ， 相变温度的算术平均值与真实平均值之间的差别最小，即相变的温焓关系线性度 最佳；且低沸点组元的比例增加或减少时，两种相变平均温度的差值变大，并分 别在低沸点组元摩尔组成为o 9 0 和0 3 0 时，二者的差值分别达到极大值。 ( 4 ) 当纯质组元间标准沸点的差值不大时( 本文认为不大于4 0 k ) ，配比对两种 相变平均温度差值的影响规律不变，但不是主要因素，而且两种相变平均温度间 的差值较小；而当组元间标准沸点的差值较大时( 大于4 0 k ) ，配比则成为影响两 种相变平均温度之间差值的主要因素，且二者的差值以及变化幅度均较大。 上述可知，表2 1 中工质r i 、r 2 和r 3 的两种相变平均温度之间差值很小， 由( 3 ) 和( 4 ) 的分析可以对此最作出解释。原因为：r 1 和r 2 的纯质组元间标准沸 点差值分别为1 6 4 k 、3 9 3 k ，由( 4 ) 可知，它们两种相变平均温度间的差别较小； r 3 的纯质组元间标准沸点差值为5 1 9 k ，但其低沸点组元的摩尔组成为0 5 ，与 0 6 很接近，由( 3 ) 可知，其两种相交平均温度间的差别不大。 ( 5 ) 在同一压力、同一组成下，组元间标准沸点差值越大，相变算术平均值 与真实平均值的差别也就越大；如上述工质中，摩尔组成为0 3 0 0 7 0 时，r 5 的 相变温度滑移为9 3 6 0 c ，相变算术平均温度与真实平均温度的差值为o 6 7 0 c ； r 6 的相变温度滑移为2 7 1 5 0 c ，两种平均温度的差别为3 1 9 。c ，故在固定工质侧 参数( 蒸发温度、冷凝温度、过热度、过冷度) 对其进行理论循环性能分析时，将 对循环性能参数的计算产生影响，并导致其与纯质以及其它非共沸混合工质比较 时的不公平因素。 下面将考察相变算术平均温度与真实平均温度的差值对非共沸混合工质循 斟艟邓：已”船寻侣伸坦伸8 o o 0 p簿察魁赠馘霉 天津大学硕士学位论文 第二章改进的非共沸混合工质理论循环性能计算方法 环性能的影响。 2 2 相变平均温度之间的差值对循环性能的影响 考虑到实际应用工况，下面将分别在冰箱标准工况、空调标准工况和中高温 热泵工况下对相变算术平均温度和真实平均温度之间的差值对循环性能的影响 进行考察。在计算中，结合文献i j 6 j 提出的改进型的理论计算方法，压缩机效率取 为：定熵效率r s = 0 8 5 、机械效率铀。h = 0 8 5 、电机效率孙o t o r - 0 8 5 、热效率叩t - o 9 0 ； 考虑余隙容积的影响，取余隙容积比为0 0 3 。 两种计算方式下，冷凝和蒸发温度指定方式不同： 相交算术平均温度计算方式下：指定相变算术平均温度作为冷凝蒸发温度； 相变真实平均温度计算方式下：指定相交真实平均温度作为冷凝蒸发温度； 相变算术平均温度和真实平均温度的定义参见2 1 1 。 2 2 1 冰箱标准工况下的考察 2 2 1 1 计算结果 冷凝温度5 4 4 0 c ，蒸发温度2 3 3 0 c ，过冷度2 2 2 0 c 以及过热度5 5 5 0 c ；考 察工质为r 2 9 0 1 3 1 1 | 3 9 1 ，摩尔组成分别为0 3 5 0 6 5 、0 5 0 0 5 0 ，分别记为z 1 、z 2 ， 并与冰箱工质r 1 2 作比较，见表2 3 ，其中，偏差= ( 相变算术平均温度计算方式 一相变真实平均温度计算方式) 相交真实平均温度计算方式1 0 0 。 表2 - 3 两种计算方式下循环性能参数的计算结果 r 1 20 1 3 1 71 3 5 1 91 0 2 62 4 4 0 52 7 8 71 3 6 9 11 8 6 6 天津大学硕士学位论文第二章改进的非共沸混合工质理论循环性能计算方法 2 2 1 2 分析 由上表可以看出，采用相变真实平均温度进行计算时，冷凝压力没有变化， 这是因为：在计算中，当相变算术平均温度和真实平均温度的绝对差值在o 1 k 以内时，本文认为这种微小的差别对循环性能造成的影响可以忽略不计，故指定 这种情况下两种相变平均温度相同。由上述分析以及结合表2 3 可知，z 1 和z 2 在计算工况下，其冷凝温度的算术平均值与真实平均值的差别在士o 1 k 以内。蒸 发压力下降，表明蒸发温度的算术平均值小于真实平均值，这是因为：考察工质 为二元非共沸混合工质，且低沸点组元的摩尔组成不大于0 5 0 ，由图2 1 反映的 规律性可知，此时，两相区的温焓关系曲线为凸形，故计算的相变真实平均温度 大于算术平均温度，由表2 2 中计算数据所呈现的规律性也可得出上述结论。冷 凝