（工程热物理专业论文）基于r134a常温热泵系统的中高温热泵工质的研究.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。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。 在中高温热泵工质的研究方面，国内外研究人员针对r 2 2 系统硬件，开展 了大量的循环性能理论和实验对比评价研究。随着h c f c 类工质的加速淘汰， h f c 类工质成为目前中高温热泵工质的主要研究对象，与其相适用的系统硬件 将逐渐替代现有r 2 2 系统，这使得开展中高温热泵工质在r 1 3 4 a 系统中的循环 性能研究工作十分必要。 本文基于r 13 4 a 常温热泵系统硬件，以工质与系统硬件的匹配为原则，以筛 选、提出冷凝温度7 0 9 0 0 c 的中高温热泵工况范围内的新型、实用中高温热泵工 质为目标，对多种纯质和混合工质，开展了循环性能理论与实验研究。 采用改进的理论循环性能分析计算方法，对1 0 种o d p 为0 或较低，g w p 较低，循环参数适宜的工质进行了理论循环性能对比研究，初选出了理论循环性 能优良的混合工质m l b 、m l c 和m 2 。 基于研究中高温热泵工质在r 1 3 4 a 系统中循环性能的需要，更换了以r i3 4 a 为工质的高效活塞式压缩机，同时对原有系统存在的问题进行了相关改进，并以 纯质r 1 4 2 b 以及r 2 4 5 f a 为研究对象，考察系统改进对工质循环性能的影响。结 果表明，系统改进后，两种工质的c o p h 提高了1 5 2 5 ，制热量提高了1 5 3 0 ； 循环性能的提升是压缩机性能的提高和工质与压缩机匹配关系改善的综合结果。 对本文筛选出的理论循环性能优良的四种混合工质m i b 、m 1 c 、m 2 以及 前期研究推荐的纯质r 2 4 5 f a 与混合工质m 1 a ，采用改进型的对比实验评价方法， 在冷凝温度7 0 9 0 0 c 的工况范围内，进行循环性能对比实验研究。研究结果表明， m 2 的综合性能随冷凝温度的增加而降低；m 1 b 与m 1 c 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，循环性能优于r 2 4 5 f a ，同时也优 于课题组前期研究结果m b l b ；m 1 a 的综合循环性能不及m 1 b 与m 1 c ，主要 原因在于压缩机的更换使导致m 1 a 并不能与现有系统保持良好的工质硬件匹配 关系。m i b 的综合性能最优，通过考察该工质的应用性能，发现m 1 b 与r 1 3 4 a 压缩机有良好的溶油性，输运性质与r i3 4 a 相似，可直接充灌于r l3 4 a 系统， 能够产生7 5 9 0 0 c 的热水，c o p 在3 7 左右，具有较好的应用前景。 关键词：中高温热泵，工质，r 13 4 a 压缩机，循环性能 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 st 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 o n ei m p o r t a n t a 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 b 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 os c r e e na n dp r o p o s ea l t e r n a t i v ew o r k i n gf l u i d s w i t he x c e l l e n te n v i r o n m e n t a la n d t h e r m o d y n a m i cc h a r a c m i s t i c s 。 an u m b e ro f i n v e s t i g a t i o n so nw 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 t p u m p sw e r ec a r r i e do u tb yr e s e a r c h e r sc i v i la n da b r o a d ，a i m i n gt ol o o kf o r a p p r o p r i a t e l y “d r o p - i n ”o n e sf o rr 2 2s y s t e m s ，w h i c hb e l o n g st ot h eh c f c s w i t ht h e p h a s i n go u to fh c f c s ，h f c sb e c a m et h eh o t s p o t a n dt h es y s t e mo fr 2 2w a s r e p l a c e db yt h a to fr 13 4 aw h i c hb e l o n g st ot h eh f c s ，m a k i n gi tn e c e s s a r yt os c r e e n a p p r o p r i a t ew o r k i n gf l u i d sb a s e do nr i3 4 as y s t e m s i nt h i st h e s i s ，t h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a l i n v e s t i g a t i o n so np u r ef l u i d sa n d m i x t u r e sw e r gc a r r i e do u tb a s e do nr 13 4 as y s t e mw i t ht h ep r i n c i p l eo f m a t c h i n g d e g r e eb e t w e e nw o r k i n gf l u i da n dt h es y s t e m ，a i m i n gt op r o p o s ea p p r o p r i a t ew o r k i n g f 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 i nt h ec o n d e n s i n gt e m p e r a t u r er a n g e o f 7 0 t 09 0 0 c t h e o r e t i c a l p e r f o r m a n c e so f10f 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 la n d t h e r m o d ) 7 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 la n a l y s i s m e t h o d o l o g y a n d4m i x t u r e sm a r k e dm1a ( a l s or e c o m m e n d e db yp r e v i o n ss t u d y ) m i b ，m 1 ca n dm 2w e r ep r o p o s e d s o m ei m p r o v e m e n t sw e r ec a r r i e do u to nt h ee x i s t i n ge x p e r i m e n ts e t u pb e f o r e e x p e r i m e n t st oi m p r o v et h ee f f i c i e n c y ，f a c i l i t a t e e x p e r i m e n t sa n dg u a r a n t e e e x p e r i m e n tr e s u l t sm o r ec r e d i b l ew h i c hi n c l u d es u b s t i t u t i n gr 13 4 ac o m p r e s s o rf o r r 2 2o n e e x p e r i m e n t a lp e r f o r m a n c e so fr 14 2 ba n dr 2 4 5 f aw e r ec a r r i e do u to nt h e i m p r o v e de x p e r i m e n ts e t u pt ov e r i f yt h ee n h a n c e m e n to ft h ep e r f o r m a n c ea f t e r i m p r o v e m e n t s i ti ss h o w e dt h a tc o p ha n dh e a tc a p a c i t yo ft h et w of l u i d sr i s eb y15 t o2 5 a n d15t o 3 0 r e s p e c t i v e l yw h i c hm a i n l yd e p e n d so nt h en e w l ve f f i c i e n t c o m p r e s s o ra n dt h ee x c e l l e n tm a t c h i n gd e g r e eb e t w e e nt h ew o r k i n gf l u i d sa n d c o m p r e s s o r t h ee x p e r i m e n t a lp e r f o r m a n c e so f4m i x t u r e sm a r k e dm 1b ，mlc ，m 2 a n dm 1a r 2 4 5 f aw h i c hw e r ee x c e l l e n tw o r k i n gf l u i d sv e r i f i e db yp r e v i o u ss t u d y , c a r r i e do u t w i t hn e a r - f a i ra s s e s s m e n te x p e r i m e n t a lm e t h o d o l o g yi nt h ec o n d e n s i n gt e m p e r a t u r e r a n g eo f7 0t o9 0 * c i ti ss h o w e dt h a tm 1ba n dm 1cp r e s e n tb e t t e re x p e r i m e n t a l p e r f o r m a n c e st h a nr 2 4 5 f a ，m b1bw h i c ha r er e c o m m e n d a t i o n si np r e v i o u ss t u d y t h e m i x t u r em a r k e dm1as c r e e n e df o rt h ep r e v i o u se x p e r i m e n ts e t u pw e r en o tt h eb e s to n t h ei m p r o v e ds y s t e mb e c a u s eo fs u b s t i t u t i n gr i3 4 ac o m p r e s s o rf o rr 2 2o n e l e a d i n g t oac h a n g e dm a t c h i n gd e g r e eb e t w e e n w o r k i n gf l u i da n dt h es y s t e m a m o n gw o r k i n g f l u i d s i n v e s t i g a t e d ，m 1bw h i c h s h o w st h em o s te x c e l l e n te n v i r o n m e n t a la n d t 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 sh a dp e r s p e c t i v ef o ra p p l i c a t i o n t h eo i lc o m p a t i b i l i t y a n dt r a n s p o r tp r o p e r t i e so fm ibw e r ed i s c u s s e d t h er e s u l ts h o w st h a ti ti sap r o p e r d r o pi n 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 pw o r k i n gf l u i d sf o rr 13 4 ah e a tp u m p s 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 p s ，w o r k i n gf l u i d s ，r 13 4 a c o m p r e s s o r , c y c l ep e r f o r m a n c e 天津大学硕士学位论文符号表 尸 压力 t 温度 4 f 温差 p 密度 1 。! * 自_ 。 b压比 g ， 单位容积制热量 幺制冷量 c o p 循环性能系数 白 定压比热 ， 潜热 五 导热系数 s 比熵值 而 质量流量 上角标 下角标 e v a p a r i t h m d e w s u p g h w c d i s c h h h t f 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 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 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 工质制冷剂 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 w m 2 k 0 6 ，肥懈 届 、2 3 r 3 k 矗o w n g p r 彳 v 劬绕y岛办七 一跏汕b o r 洲能l 心 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，也不包含为获得苤注叁鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我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。一 学位论文作者签名：繇舞蠕签字日期：私岬年多月r 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权：苤鲞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) 7l ，啊1 学位论文作者签名：多火公为 导师签名： 孔俄 签字魄呷年月r 日 签字日期砷年钿歹日 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 课题研究背景 第一章绪论 随着当今人口迅速增长和现代化经济的快速发展，能源使用的速度和规模都 急剧增长，然而能源生产发展相对滞后，能源利用率较低，这一方面导致我国能 源紧张，另一方面能源浪费现象严重，加剧了矿物能源的消耗并导致环境的污染 日益严重。因此，人们正在以极大的努力通过各种途径去寻找未来能源的出路。 目前进行的有关研究集中于两个方向：开发和利用可再生能源，研究和推广节能 技术。近年来，节能技术在全球范围内所受到的重视和取得的进展越来越明显。 它一方面是以热力学第一定律为基础，从量的角度着手，减少各种损失和浪费； 另一方面是从热力学第二定律出发，从能源质的方面进行研究，利用低位能源( 空 气、土地、水、太阳能、工业废热等) 来代替一部分高位能源( 煤、石油、电能等) ， 以达到节约高位能源的目的。 中国科学院( 8 8 ) 能字0 0 4 号关于印发“热泵在我国开发与应用的可行性论证” 的通知中指出，热泵技术是节能的手段之一，对低位热能的开发和利用具有重要 意义【1 1 。 1 2 热泵的节能与环保效益 根据热力学第二定律，把高品位能量作为低品位能量使用是不等位的交换， 要浪费一次能源，与传统供热方式使高品位能直接贬值为等量的低品位热能不 同，热泵供热技术以输入高品位能的可用能中的大部分( 数值为输入能量中的可 用能与等量的输出热能中的可用能之差) ，推动一个逆向热力循环，将一部分因 温度太低而不可能被别的设备加以利用的热量，提高其到符合供热要求的品位， 得到数量上c o p ( 热泵系统的性能系数) 倍于输入高质能的供热量输出，使其在较 高温度下，作为可以利用的的能源装置，故与传统供热方式相比，热泵是节能的。 在热泵技术适用的条件( 热泵的热输出温度水平符合加热过程的对热能的温 度要求、有适宜的热源) 下，在热泵系统的c o p ( 性能系数) 有保证的前提下，采 用热泵供热技术取代传统的供热方式，可提高次能源利用率，减少了由于一次能 源消耗带来的c 0 2 、s o ：、n o 。等大气污染物的排放，带来节能( 综合考虑同等 供热量下制造热泵系统和传统供热设备所消耗的材料、资源、能源，热泵供热方 天津大学硕士学位论文第一章绪论 式和传统供热方式的运行能耗) 和与节能相应的环保效益。 1 3 热泵技术高温化研究的意义 本文将冷凝温度为7 0 1 0 0 0 c 的热泵系统称为中高温热泵系统，冷凝温度为 1 0 0 0 c 以上的热泵系统称为高温热泵系统。目前，常温热泵系统，包括小型家用 冷暖空调、利用风机盘管机组的中央冷暖空调、以及用于各类工业过程的热泵机 组，主要用于房屋的采暖、空调和提供生活热水，该系统具有与常规空调相近的 硬件组成、工质、控制方式等，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。一方面，绝大多数余热资源的温度范围为 5 0 0 c 1 5 0 0 c t2 | ，这些低品位热能若不能得到有效利用，不仅会造成大量的能源资 源浪费，排向环境还会造成对环境的热污染，中高温热泵技术可以有效利用几乎 全部的工业余热资源；同时，生产和生活中的各类加热过程，消耗着大量的一次 能源，在那些过程本身对热能品位要求较低( 所需加热温度低于15 0 0 c ) 的加热环 节上【3 j ，如食品和木材的干燥、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，热泵技术能够满足 向相应工业过程提供符合品位要求的热输出的需要。研究开发中高温蒸汽压缩式 热泵机组，提高供热温度是开拓热泵技术的应用空间的一条有效途径。 有鉴于此，在日本的s u p e rh e a tp u m pe n e r g ya c c u m u l a t i o ns y s t e m 项目1 4 j 、 美国i e a 热泵中心和i i r 的热泵发展计划1 5 j 及欧洲的大型热泵研究计划中，高温 化热泵技术都是重点研究内容。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 6 - 1 2 】。 1 4 热泵技术的研究现状 文献【1 3 】将今后热泵技术研究的要点归纳为高效率化、出力高温化和新型工 质的开发。高效率化，即提高热泵循环性能系数c o p ，这是热泵技术研究永恒 的主题；出力高温化可使具有较高温度( 5 0 1 5 0 0 c ) 的余热资源得以利用，满足 工业过程对更高供热温度的需求；而新型适用工质的研究是实现高效率化、出力 高温化的前提，是整个技术研究的关键。 不少文献对已商品化和新合成的物质，进行了中高温热泵工质的研究。 在理论方面，f a h o l l a n d 等1 1 4 】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1 5 j 对 天津大学硕士学位论文第一章绪论 环氟化物进行了研究；s u k u m a rd e v o t t a t l 6 1 综述了r 1 2 、r i1 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 ll ；且r 1 4 3 、r 13 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 l1 4 1 5 , 1 6 gs e l a h a t t i ng o k t u n l l7 】在蒸发温度9 0 0 c ，冷凝温度1 5 0 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 e b 等作为高温热泵工质；已有文献表明， h f c l 4 3 、h f e l 3 4 和h f c 2 5 4 c b 在分析工况下的理论循环性能系数优于 c f c l1 4 1 8 , 1 9 1 ；对h f c 2 3 6 e a 、h f c 2 3 6 f a l 2 0 2 1 、h f e l 4 3 、h f c 2 4 5 c a t 2 2 2 3 1 的循环特 性研究，基本限于冷凝温度小于6 0 0 c 的制冷空调装置。s u k u m a rd e v o t t a 2 4 等于 1 9 9 4 年对当时已提出的3 0 余种h f c s 和h f e s 纯物质进行了理论循环分析，计 算中考虑的冷凝温度变化范围为8 0 0 c 一1 2 0 0 c ，对所有物质均假定循环条件为无 过冷、无过热、绝热压缩、无压降，温升取为4 0 0 c ；结果表明，h f c l 4 3 ( 可燃) 和h f e i3 4 的c o p 相对较好。g 6 k t u n 等b 5 j 于1 9 9 5 年理论计算提出了h c f c l 2 3 、 h c f c 2 3 5 c a 、h c f c 2 4 4 c a 、h f c l 5 2 、h f c 2 4 5 c a 和h f e 2 4 5 、h f e 2 4 5 c b 、h f e 2 4 5 f a 等中高温热泵工质，用于蒸发温度9 0 0 c 、冷凝温度1 5 0 0 c 的热泵工况。在实验 方面，m i y a r a l 2 6 】以h c f c 2 2 c f c l l 4 为工质、l i e b e n b e r g 等1 27 j 以 h c f c 2 2 h c f c14 2 b 为工质、v a n c ep a y n ew 1 2 8 j 等以h f c 3 2 h c 2 9 0 、 h f c 3 2 h f c l 5 2 a 、h c 2 9 0 h c 6 0 0 a 为工质进行了实验，使热泵出水温度达到6 0 0 c 。 n a k a t a n i 等瞄叫对以h c f c 2 2 h f c1 3 4 a 、h c f c 2 2 h f c l 5 2 a 、h c f c 2 2 h c f c l 4 2 b 、 h c f c 2 2 h c f c l 2 3 为工质、冷凝温度为7 0 0 c 的热泵工况进行了测试。b r a k h e s h 掣3 0 】对h f c 2 2 7 进行了实验研究，测得蒸发温度为3 0 0 c 以上、冷凝温度为7 5 。c 时，制热c o p 在3 5 4 5 之间。 陈东1 9 1 1 9 9 7 年在固定温升为4 0 0 c 、冷凝温度为6 0 8 0 。c 、过热度为1 0 0 c 左 右、过冷度为5 0 c 左右的条件下，对h c f c l 4 2 b 、h f c 2 2 7 e a h c 6 0 0 ( 0 2 5 0 7 5 ) 、 h c f c 2 2 h c f c l 4 2 b ( 0 4 0 6 ) 、h c f c l 2 4 h c f c l 4 1 b ( 0 7 0 3 ) 进行了理论循环分析 和热泵性能实验研究。赵力【1 0 1 2 0 0 1 年以4 0 0 c 4 5 0 c 地热尾水为低温热源，利用 混合 工质h c f c 2 2 h c f c14 2 b h c f c 21、h c f c 2 2 h c f c 2l、 h c f c 2 2 ，h c f c l 5 2 删c f c 2 1 进行了实验研究，经鉴定可为建筑面积为3 5 0 0m 2 房间提供7 0 0 c 以上的热水，制热c g l p 一般在3 5 以上，热泵系统的冷凝压力在 1 8 m p a 以下，为以后中高温水源热泵的产业化发展提供了方向。在本课题组的 前期研究【1 1 1 2 ，3 4 】中，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| 3 l j 以r 2 4 5 f a 为工质，使冷凝器出e l 水温达到1 1 5 3 0 c ；周湘江等 3 4 3 5 】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，且压力水平低，可以应用常温热泵的部件。清华大学热能工程系史琳 3 - 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 s l 等对新的中高温环保工质h t r 0 1 进行了实验研究，申报了h c f c 类混合工质 专利，给定高温水源热泵工况的冷凝温度为9 0 。c 。广州能源研究所 6 , 7 1 也对非共 沸混合工质r 2 2 r 1 4 1 b 进行了高温热泵工况下的计算机模拟和实验研究，在冷水 入口温度4 0 0 c ，热水入口温度7 0 。c ，出口温度8 0 0 c 的前提下，当r 2 2 的摩尔 组成为7 5 时，热泵获得2 5 7 的最大制热c o p 。 在应用方面，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 0 c ，并有较高的c o p ，已经得到应用p 刀；史 琳等1 3 8 , 3 9 1 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 0 c 的热水，性能系数较高，并已实现商业化生产。 上述已有研究，在中高温热泵工质的研究方面做出了积极的探索，取得了一 定的成果。 1 5 本文主要内容 国内外研究人员 6 1 0 - 1 2 , 3 1 - 3 4 , 3 8 , 3 9 在基于r 2 2 系统硬件的，中高温热泵工质循环 性能理论和实验对比评价的研究方面，已经开展了大量的工作。随着h c f c 类工 质的加速淘汰，h f c 类工质成为目前中高温热泵工质的主要研究对象，与其相 匹配的系统硬件将逐渐替代现有r 2 2 系统，这使得开展中高温热泵工质在r 1 3 4 a 系统中的循环性能研究工作十分必要。 本文将立足于r 1 3 4 a 热泵系统的硬件条件，结合生产、生活中实际的热需求 ( 如石油工业中对油气的加温降黏、散热器供暖、医院用热水等) ，以筛选、提 出冷凝温度7 0 9 0 0 c ( 得到7 5 9 0 。( 2 温度水平的热能) 的中高温热泵工况范围内的 新型、实用工质为目标，开展中高温热泵工质的循环性能理论与实验研究。 主要包含以下几部分内容： ( 1 ) 中高温热泵工质的理论循环性能研究 基于当前r 1 3 4 a 的中高温热泵系统，在所考察工况范围内，以1 0 种热工性 能与r 1 3 4 a 相似，o d p 为0 或较低、g w p 较低、循环热力参数适宜的工质为研 究对象( 其中m i a 为前期研究优选工质) ，采用改进的理论循环性能分析计算方 法【4 0 4 1 1 ，开展理论循环性能研究，筛选与现有实验系统理论性能匹配，理论循环 性能优良的混合工质。 ( 2 ) 中高温热泵实验台的改进及改进效果验证 为了开展基于r 1 3 4 a 压缩机的中高温热泵工质的研究，同时解决前期实验研 究由压缩机效率较低而引起的工质循环性能较差的问题，将以高效r 1 3 4 a 压缩机 替换原有实验台的r 2 2 压缩机；为了解决前期实验存在蒸发器水侧流量逐渐减 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 小，水侧流量计测量存在误差以及水侧测量实验结果缺少对比验证的问题，提高 数据测量的准确性及实验结果的可靠性，在实验前将清洗系统蒸发器水侧管路， 校核水侧的涡轮流量计，安装工质质量流量计，提高测量结果的准确性。 在改进后的实验台上，以r 2 4 5 f a 、r 1 4 2 b 为工质，考察系统改进对工质实验 循环性能的影响。 ( 3 ) 中高温热泵工质循环性能实验研究 以得到7 5 9 0 0 c 温度水平的热能为应用背景，在改进的实验台上，采用改进 型的对比实验评价方法【z 4 1 ，考察冷凝温度为7 0 9 0 0 c 的工况范围内，理论循环计 算优选的混合工质的实验循环系能，并与前期实验研究推荐的性能较优工质 r 2 4 5 f a 进行对比，筛选得到该温度区间内性能最优的混合工质；同时，通过考 察针对r 2 2 系统筛选的优良工质m 1 a 在现有实验台上的循环性能，分析系统匹 配性对工质循环性能的影响。 ( 4 ) 使用工质侧参数评价系统循环性能 掌握使用工质侧参数评价系统循环性能的方法，对综合性能最优的混合工 质，结合工质侧测量结果与水侧参数测量结果进行对比，增强实验结果的可信度。 讨论其应用性能，给出其热力学性质表和压焓图，为该工质的应用提供理论基础。 上述研究内容，是课题组关于新型中高温热泵工质研究计划中的一部分，是 课题组前期研究工作的延续。 天津大学硕士学位论文第二章中高温热泵工质的理论循环性能分析 第二章中高温热泵工质的理论循环性能分析 理论制冷( 空调、热泵) 循环性能分析，通过忽略一些次要因素的影响，将工 质在系统中经历的实际过程与循环，简化提炼为理论循环模型，通过工质的热力 学性质计算，得出各过程的初、终态参数( 循环节点参数) ，过程的功量、热量， 和循环的性能系数( c o p ) 、单位质量制冷量或制热量( 鳓或q h ) 、单位容积制冷量 或制热量( g ，0 或q v h ) 、压缩比功w 、压缩机排气温度( “s c h ) 、压缩比( 力、冷凝压力 ( 尸c o 。d ) 等性能指标。理论循环性能分析简洁、易行，可给出工质的基本循环性能， 因而广泛用于近似反映实际系统的循环性能、为工质应用系统的设计提供依据、 和在工质研究中对比评价不同工质的循环性能，是从众多物质中筛选出适宜工质 的切实可行的办法1 43 i 。 2 1 计算方法 2 1 1 理论循环性能分析方法 理论循环性能分析具有简洁易行的突出优点，在提炼理论制冷循环模型的过 程中，忽略了工质实际过程中的某些枝节，并对保留下的主要过程进行了理想化。 例如，对工质在两器中经历的实际过程，忽略其( 因流动摩擦而致的) 压降并将非 平衡态理想化为平衡态，简化为准静态定压过程。必要而合理的简化与理想化， 保证了过程分析计算的简洁性、并使方法限定下的计算偏差最小化。 现有理论制冷循环模型中，以单一的绝热压缩过程来模拟工质在压缩机中经 历的实际过程，存在过度简化的问题。在实际压缩过程开始前，工质被腔体内的 电机线圈( 对于封闭式压缩机而言) 、其它部件( 包括壳体) 、润滑油、压缩终了的 高温高压工质等所加热，经历温度升高、比容增大的状态变化过程；离开机械压 缩组件后、到达压缩机的排气口之前，工质向压缩机腔体内放热，经历温度下降、 比焓减小的状态变化过程。对比实际压缩过程，简化的压缩模型会造成排气温度 理论计算结果与实验结果的过大偏差，影响到计算结果的应用参考价值。 课题纠4 4 】在前期研究中，基于对工质在压缩机中经历的实际过程的分析，提 出了一种在理论制冷循环中与之相应的过程模型一由定压加热子过程、绝热压缩 子过程、定压放热子过程组成的复合过程。改进的过程处理方式更接近于实际压 缩过程，对排气温度的计算结果也将更加接近实验结果，提高了分析结果的有效 天津大学硕士学位论文第二章中高温热泵工质的理论循环性能分柝 性。 如圈2 1 所示，现有理论循环中与工质在压缩机中经历的实际过程相应的理 论过程为凰中的过程5 - 6 ，改进后的过程为5 - 5 - 6 7 。引入压缩机舶相关效率 讣( 压缩机的热效率) 、1 ，咖 电机效率) 、1 吣n ( 压缩组件的机械效率) ，以及对于括 塞式压缩机的余隙容积系数x 的经验值，结合绝热压缩于过程的定墙效率即 可完成计算。具体步骤，详见文献 4 q 。 i 1 “ “一6 k 2 1 2 计算工具 s 】c 、 n 圈2 l 理论热泵循环示意图 课题组附】的前期研究表明，三参数通用立方型p t 状态方程及其混合规则在 制冷、空调、热泵、中高温热泵工质的热力学性质与理论循环性能分析计算中， 有较高的计算精度和较好的性能( 计算快速、稳定可靠) 郑臣明【| ”对a s 玎l a e 数据手册中所列全部制冷剂，利用汽液平衡实验数据拟台了盯状态方程的参数 使具体物质的p t 方程达到更高的精度。 所以，本文仍然选择p t 状态方程及其混台规则m j 作为计算工具。p t 状态 方程及其混合规则口“的形式简列如下。 n 而a t 一鼎 a 【明= o 。恤2 2 ，只k i 】6 = o 。( r l 只) c = q 。0 i c ) a ：6 + ，6 一i ”矛 q = i 一瑶见= 霹+ 3 0 2 玉地+ 瑶+ l 一瑶 而n b 是方程 n ：+ ( 2 3 如：+ 3 岔n 。一f = 0 的最小正根。f 、缸为信心因子的函数 f = 0 4 5 2 4 1 3 + 1 3 0 9 8 2 w 一02 9 5 9 3 7 口2 丘= 0 3 2 9 0 3 2 - 0 0 7 6 7 9 9 d , + 00 2 1 1 9 4 7 m 2 吣m 岫 岣岫 弘口 弘 弘弘 天津大学硕士学位论文第二章中高温热泵工质的理论循环性能分析 式中，忙t t c 。对于每一种具体的流体，确定状态方程的三个参数a 、b 、c ， 只需要流体的临界压力p c 、临界温度t c 和偏心因子c o 。在流体汽液平衡实验数 据充足的情况下，亦可由实验数据求取特定物质的f 、琴，将使具体物质的p t 方程达到更高的精度m 。 与p t 方程相应的混合规则为： 口。= x ，x j 口口 ( 2 2 a ) 屯= 鹕 1 ( 2 - 2 b ) c m2 乙薯q ( 2 2 c ) = 岛h ，y 2 ( 2 2 d ) 其中邑是二元交互作用系数，需要由二元汽液平衡实验数据求解得到。课 题组前期研刭4 7 1 表明，毒，在一定范围上的取值误差，对相平衡强度参数影响明 显，但对于循环性能参数的影响不大，所以对缺乏汽液平衡实验数据的二元系， 计算中将彘取为l 。 一般理想气体比热带公式表示成下面的形式： 够= c o + q t + c 2 t 2 + c 3 t 3 + c 4 t 4 2 2 工质的理论循环性能 2 2 1 研究对象的提出 ( 2 3 ) ( 1 ) 中高温热泵工质的筛选原则1 4 舡5 1 】 环境性能：课题组【3 2 】认为综合考虑保护臭氧层和控制温室效应，综合考评 o d p 、g w p 和c o p ，较之单追求其中之一的最优更为合理。 理化和输运性能：无毒或低毒、不燃烧、不爆炸，使用安全；与润滑油有良 好的互溶性；化学、热稳定性好，在高温下不易分解，不与接触的系统构件发生 化学作用；导热系数高，粘度小，流动性好。 热力参数和循环性能：有适中的压力水平一蒸发压力不低于大气压力，中高 温热泵工况下，冷凝压力在常温热泵系统部件可承受的压力范围之内；较低的压 缩机排气温度，以免润滑条件恶化( 粘性下降、结焦) 或工质本身在高温下分解； 较大的汽化潜热、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 。 ( 2 ) o d p 较低、g w p 较低的h c f c 物质的选择 在本实验室前期工作中】已对2 2 种零o d p 的纯质在中高温热泵工况下的理 论循环性能做了分析，在混合工质的循环性能筛选中，将以2 2 种纯质中已商品 天津大学硕士学位论文第二章中高温热泵工质的理论循环性能分析 化的为研究对象，通过组合得到循环性能优良的混合工质。同时本着综合环境性 能最优的出发点，对部分o d p 值较低、g w p 较低但c o p h 较高的h c f c 类物质 进行考察。 ( 3 ) 继续筛选性能优良的混合工质 本文以筛选和提出与现有r 1 3 4 a 常温热泵系统硬件相匹配，理论循环性能优 良的工质为目的，采用改进的理论循环性能分析计算方法1 4 0 , 4 1 1 ，在中高温热泵工 况下开展理论循环性能研究。由于在中高温热泵工况下，与r 1 3 4 a 保持相似热工 性能的纯质数量有限、，而按照优势互补的原则组合混合工质，则可提供更大的工 质选择空间和多样化的性能。所以希望通过理论循环性能分析得到一组适宜于 r 1 3 4 a 系统的中高温热泵的新型混合工质。 为了考察实验室前期推选混合工质在改进后的r 1 3 4 a 实验台的性能，所考察 的工质包括了针对前期实验系统筛选的，实验性能优良的中高温热泵工质 m 1 0 t 1 2 j ，本文编号为m 1 a 。 表2 1 给出了本文提出研究的几种工质的基本物性参数和环境特性参数。 表2 2 给出了计算这4 种工质的理想气体比热时所用公式中的参数值，及偏 心因子数值。 表2 1 工质的基本物性与环境特性【2 8 】 表2 2 研究对象偏心因子及理想气体比热方程系数1 2 9 2 2 2 计算工况与相关参数指定 以日常生产生活中对7 5 9 0 0 c 的热需求( 如散热器供暖，医院用热水，石油 天津大学硕士学位论文第二章中高温热泵工质的理论循环性能分析 工业中对油气的加温降黏等) 为应用背景，立足于当前r 1 3 4 a 热泵系统的硬件条 件，在冷凝温度为7 0 9 0 0 c 中高温热泵工况范围，开展了新型适用工质的循环性 能理论研究。循环温升( f c o n d 之差) ，统一取为4 5 0 c ；蒸发器出口( 理论循环 中即压缩机吸气) 过热度，统一取为5 0 c ；过冷度指定为5 0 c t 2 3 】压缩机的效率取 为：蟹i _ 0 9 、附= o 8 5 、r m 钾h = 0 8 5 ，智。= 0 8 5 ，考虑余隙容积影响时取肛3 。其 中r 。为热效率，印m 咖为电机效率，i m e c h 为机械效率，7 。为定熵效率。 本文以r 1 3 4 a 在常温水源热泵工况( 疋矿7 2 0 c ，t 。o n a = 4 8 9 0 c ， 疋1 1 6 = 8 3 0 c ，瓦旷1 1 1 0 c ) 的计算结果为基准，以典型工况( t 。o a = 8 0 0 c 、疋唧= 3 5 0 c 、 瓦。6 = 5 0 c 、瓦。矿5 0 c ) 下，进入筛选范围工质的理论热力学性能与基准值相似为原 则，进行了中高温热泵工质的理论筛选。 上述4 种纯工质中，r i5 2 a 的临界温度最低，为1 1 3 2 6 0 c ，合理应用其冷凝 温度的上限不宜超过8 0 0 c ，然而为了对冷凝温度为7 0 9 0 0 c 区间的混合工质组 分进行指导，故仍将考察其冷凝温度为7 0 9 0 0 c 的理论循环性能。 2 2 3 计算结果和讨论 在冷凝温度7 0 9 0 0 c 温度范围内，对热工性能与r 1 3 4 a 相似，o d p 为0 或 较低、g w p 较低、循环热力参数适宜的工质进行了考察，经过计算、评价筛选 得到6 种混合工质，表2 3 和图2 2 给出了典型工况下的循环性能参数；图 2 - 3 ( a ，b ，c ，d ，e ，f ) 给出了各工质的变工况循环性能，图中给出了课题组前期研究中推 荐的优良工质i 也4 5 f