高温工质HTR01水源热泵机组的研究.doc

高温工质 H T R01水源热泵机组的研究3刘南希 史清华大学琳韩礼钟朱明善摘要介绍了高温水源热泵对制冷剂的特殊要求 。通过研究工质的基本性质 、材料相容性 、油溶性以及可燃性 ,开发了一种综合性能较好的三元混合工质 H TR01 ,并研制了制热量为300 k W 的高温水源热泵机组 。现场实测数据表明 ,机组运行稳定 ,能产生 85 左右的热水 。 该机组性能系数较高 ,应用前景良好 。关键词高温水源热泵混合工质Hi g ht e m p e r a t u r e w a t e r s o u r c eh e a t p u m p s u s i n g HTR0 I a s r e f ri g e r a n tBy Liu Nanxi , Shi Lin , Han Lizhong and Zhu MingshanA bs t r a c tPr es e n ts t h e sp eci al r e q ui r e me n ts of t h e r ef ri ge r a n t f o r hi g ht e mp e r a t u r e h e a t p u mp s .D e vel op s a t e r n a r y mi xt u r e n a me d H T R 01 wi t h g o o d c o m bi n a t i o n p r op e r t y by s t u d yi ng i ts basic c h a r ac t e r , m a t e ri al c o mp a t i bili t y , oil s ol u bili t y a n d f l a m m a bili t y , a n d de vel op s a 300 k W u ni t . A f iel d me as u r e me n t s h ows t h a t t h e u ni t op e r a t es s t a ble a n d t h e o ut le t w a t e r t e mp e r a t u r e of t h e c o n de ns e r c a n r e ac h t o a b o ut85 . S o t h e u ni t h as hi g h e r c oef f icie n t of p e rf o r m a nce a n d w ell m a r ke t p r osp ec t .Ke yw o r ds hi g ht e mp e r a t u r e , w a t e r s o u r ce h e a t p u mp , mi xt u r e w o r ki n g s u bs t a nce Tsinghua Unive rsit y , Beijing , China0 引言在日常的生产生活中 ,经常需要大量 70 甚 至更高温度 (如 85 ) 的热水 ,如 : 散热器供暖 ,医院医用热水 ,石油工业中对油气的加温降黏等 。过去 ,主要是通过燃烧矿物燃料来获取高温热水 ,随 着能源供应紧张和环境保护问题的突现 ,研发高效 节能供热技术受到国内外的广泛关注 。水源热泵技术是近十几年来国外大力推广的 节能环保技术 ,近几年在国内也受到了广泛重视 。 水源热泵技术就是利用少量电能驱动制冷压缩机 , 将地热水 、高于国家排放标准的地热尾水 、工业废 水 、地表水和土壤热等低位热源中的热量提取出来 ,用以生产热水 。用热泵来获取热水 , 一方面可以解决地热尾水 、工业废水直接排放所造成的能源浪费等问题 ;另一方面 ,减少燃煤和燃油也间接地 减少了对大气的污染 。所以水源热泵技术具有高效节能 ,环境效益显著等特点 。中高温水源热泵需要采用相应的中高温工质 。 对于现在常用的热泵工质 R22 , R134a 等 , 由于工 质本身的性质和一些相关技术问题 ,当用于水源热泵时很难生产 70 以上的热水 ; 对于传统的中高 温工质 R11 和 R114 ,则由于其 O D P 和 GW P 值很 高 ,对环境破坏严重 ,将被淘汰 。目前 ,国外在中高 温工质方面已有了相当多的研究 ,但是处于技术保 刘南希 ,男 ,1979 年 4 月生 ,硕士研究生 ,工学硕士100084 清华大学热能工程系(010) 62787613712 ,冷凝温度 t c = 5414 ,过热度t sup = 1111,过冷度 t sub = 813 , 压缩机定熵效率 s 取0175) 时 ,冷凝压力为 2115 M Pa ,排气温度为 9916。由此可见 , H TR01 在 90 冷凝温度时的冷凝 压力与 R22 在 55 冷凝温度时的冷凝压力相当 。1 . 2 . 2 材料相容性为检验 HTR01/ 矿物油与原 R22/ 矿物油热泵 系统的材料是否相容 ,在综合美国 ASHRA E 密封玻 璃管法和美国保险商实验室 ( UL) 高压釜法3 优点 的基础上组建的试验台上进行了试验 。试验工况参照 美 国 MCL R ( materials compatibilitly and lubricants research on CFC2ref rigerant substitutes) 计 划 的 规 定 : 金属材料试验温度为 150 ,弹塑性材料试验温度 为 70 ,试验压力为 1103 2142 M Pa ,试验时间 为 14 d 。试验选用 R22 作制冷剂的热泵机组的材料 , 试验 材 料 和 试 验 结 果 见 表 2 , 3 。由 此 可 知 , H TR01/ 矿物油中金属材料的质量变化和尺寸变 化均较小 ,在测量误差之内 ;弹塑性材料的质量 、尺 寸变化相对较大 , 经分析认为与它们的材质有关(这些材料略有吸附油的作用) 。H TR01/ 矿物油 与试验材料没有明显的反应痕迹 ,试验后的矿物油 清澈 、透明 ,大部分材料没有沉淀 ,部分塑料有微量 沉淀 ,有金属材料时油的颜色有所加深 ( 油高温氧 化的结果 , 属正常) 。与 R22/ 矿物油试验 数 据 比较 , H TR01/ 矿物油中所有样品的质量变化和尺寸 变化与 R22/ 矿物油中的变化相当 。因此 可 以 认 为 , H TR01/ 矿物油与使用 R22 作制冷剂的热泵系 统材料有很好的相容性 ,可以直接充灌 。1 . 2 . 3 油溶性工质与压缩机润滑油的相溶性决定了工质在 循环中的使用效果 。当润滑油不能与工质相溶或 相溶性不好时 ,从压缩机随制冷剂被排放出的润滑 油将滞留在换热器内部 ,阻碍换热 ,并影响压缩机 的润滑 。为检验 H TR01 与矿物油的相溶性 ,笔者采用H TR01 与矿物油 51 的体积配比 ,在 4 种温度 ( 0 ,5 ,10 ,20 ) 下进行试验 。试验结果 (见图 1) 显示 ,0 时少量油溶入制冷剂中 ; 5 时大多数油溶入 制冷剂中 ;10 , 20 时完全溶入 。由于 H TR01 是应用于中高温热泵 ,因此可以认为 H TR01 的油溶 性符合要求 。密阶段 ;国内已研发出出水温度低于 55 的水源热泵产品 , 使用 R134a 作制冷剂的产品出水温度 可能达到 70 ,但尚没有出水温度高于 75 的高 温水源热泵机组 。天津大学 、广州能源所等少数几家单位在中高温工质方面有所研究 ,但均没有应用 方面的报道1 2 。笔者研究开发了一种新的中高温工质 ,通过试验成功研制了供热量为 300 k W 的 高温水源热泵机组 ,并已实现商业化生产 。1 中高温热泵工质1 . 1中高温工质的筛选原则 选择制冷剂除了要满足筛选工质的一般原则外 ,针对中高温水源热泵的特殊性以及实际要求 ,选择的制冷剂还要达到以下目标 : a) 可以直接充 灌原使用 R22 的热泵机组 ,并不用更换冷冻油 ; b) 保证较高 CO P 的前提下 ,获得高出水温度 ( 85 左右) 。1 . 21 . 2 . 1H TR01 的性质基本性质笔者经过大量筛选计算 ,选择了一种三元亚共沸混 合 物 ( R124/ R142b/ R600a ) , 命 名 为 H TR01 (已获国家发明专利) ,其无毒 ,不燃 ,综合环保性能良好 ,基本物性见表 1 。表 1HTR01 的基本物性参数数 值摩尔质量/ ( kg/ mol)正常沸点/ 临界温度/ 临界压力/ M Pa25 汽化潜热/ ( kJ / kg)25 饱和液密度/ ( kg/ m3)25 饱和气密度/ ( kg/ m3)25 饱和液比热容/ ( kJ / ( kgK) )25 饱和气比热容/ ( kJ / ( kgK) )90 饱和液导热系数/ ( W/ ( mK) )- 20 饱和气导热系数/ ( W/ ( mK) )90 饱和液黏度 / ( mPas)- 20 饱和气黏度/ ( mPas)OD P12913- 121581241331759153151 291221561117501849 90 . 051 010 . 013 3301100 801012 1301032 GW P 616 在计算工况为 :蒸发温度 t e = 45 ,冷凝温度t c = 90 , 过热度 t sup = 5 , 过冷 度 t sub = 2,压 缩 机 定 熵 效 率 s 取 0175 时 , 冷 凝 压 力 为1195 M Pa , 排 气 温 度 为 9915 ; 而 R22 在 美 国A R I Standard 52090 的计算工况 (蒸发温度 t e =表 2HTR01/ 矿物油材料相容性试验中各材料质量和尺寸变化 质量厚度材料样品试验前 / g试验后 / g变化率 / %试验前 / mm试验后 / mm变化率/ %21899 001483 601309 101096 601433 501534 801739 201726 101026 601012 701068 301239 421898 601483 401309 101096 401433 301534 801739 101742 201026 601012 701069 801242 3- 01013 8- 01041 40- 01207 0- 01046 10- 01013 521217 30021196 211211 491720 001911 001416 011163 501704 021255 011209 531158 001316 001138 001081 091735 001913 001408 011158 001703 021260 511200 031220 001319 001139 501081 001154 301219 5- 11923 1- 01472 7- 01142 001243 9- 01785 411963 301949 411087 00铸铁铜阀片漆包线硅钢片铝钢聚四氟乙烯硬聚酯薄膜软聚酯薄膜套管引出线表 3 材料相容性试验目测结果行了可燃性试验 ,试验结果表明 , H TR01 在名义配比时不论与空气按多少比例混合均不可燃 。之后 , 笔者作了泄漏模拟计算 ,对模拟出的最恶劣工况进 行了可燃性试验 , 结果表明 , 对于任何泄漏情况 , H TR01 均不可燃 。2 高温水源热泵样机及样机试验2 . 1高温水源热泵样机 笔者首先进行了小型热泵试验台的设计 、搭建 ,并测试了数据 , 根据实验结果4 和 H TR01 工 质特性 ,笔者设计了高温水源热泵样机 ( 见图 2) 。材料样品油样 品铸铁铜 阀片漆包线硅钢片 铝钢透明 ,试管底部没有沉淀 、色泽变深透明 ,试管底部没有沉淀 、色泽变深 透明 ,试管底部没有沉淀 、色泽变深透明 ,试管底部没有沉淀 、色泽变深透明 ,试管底部没有沉淀 、色泽变深 透明 ,试管底部没有沉淀 、色泽变深 透明 ,试管底部没有沉淀 、色泽变深没有变化没有变化 没有变化没有变化没有变化 略有氧化 没有变化正常 ,未脆化 正常 ,未脆化 正常 ,未脆化有弹性 ,未脆化没有变化聚四氟乙烯 清澈 、透明 ,试管底部没有沉淀硬聚酯薄膜 清澈 、透明 ,试管底部有微量沉淀 软聚酯薄膜 清澈 、透明 ,试管底部有微量沉淀套管引出线清澈 、透明 ,试管底部没有沉淀清澈 、透明 , 试管底部没有沉淀 , 色 泽变深图 2 样机实物照片样机采用 R22 半封闭式双螺杆 SH8561125 Y 压缩机 ,额定电功率92 k W ,制冷剂充灌量为 90 kg ;蒸发器和冷凝器采用卧式壳管换热器及内螺纹铜 管高效强化换热技术 ;机组采用两个不同规格的膨 胀阀 ,在能量调节时 ,不同的膨胀阀开启 ,以保证机组正常运行 ;此外 ,机组还采用先进的控制方法并设有完善的保护系统 ,使机组能够安全 、稳定 、高效 地工作 。机组已达到商业化生产的要求 。图 1 不同温度下 HTR01 与矿物油的相溶性试验结果可燃性1 . 2 . 4为检验 H TR01 的可燃性 ,笔者利用按照目前国际上比较通用的方法 (即美国试验与材料协会标 准 A S TM681) 搭建的一套制冷剂替代物的可燃性试验装置对 H TR01 在空气中的不同容积比下进2 . 2高温热泵样机试验因尚未有高温水源热泵的相应标准 ,样机出厂 性能试验参照相近的国标容积式和离心式冷水(热泵) 机组性能实验方法( GB/ T 108702001) 。均与热力学理论相符 ; 在 t 3 与 t 2 相差 30 以内时 , CO Ph 均大于 310 。2 . 2 . 3用户现场试验 为了解高温水源热泵机组的实际运行状况和运行可靠性 ,笔者利用某地热公司的地热水进行了用户现场试验 。样机的试验台系统与小型热泵试验台系统相近 ,系统简图见图 3 。21211实验内容a) 模 拟 高 温 水 源 热 泵 工 况 , 确 定 工 质 H TR01 的热泵制热性能系数 、制热能力等参 数 ;b) 研 究 在 不 同 的 水 源 温 度 下 , 工 质 H TR01 在系统中的运行状况及水源温度对 热泵制热性能系数等参数的影响 ,通过实际 运行工况 ,了解高温水源热泵机组工作特性 。21212实验结果分析对试验测得的数据进行分析处理 ,得到 了在不同的蒸发器进水温度 t 3 下 ,冷凝器出 水温 度 t 2 与 制 热 性 能 系 数 CO Ph 、制 热 量 Q h 的关系 ,如图 4 ,5 所示 。由此可见 , t 3 与图 3 样机试验台系统简图地热第一轮供热后的尾水经板式换热器换热后 作为高温水源热泵样机的蒸发器进水 ,冷凝器出水向5 900 m2 住宅楼供暖。现场试验水路系统见图 6 。图 4 CO Ph 随 t 2 的变化图 6 现场试验水路系统国家空调设备检测中心对在现场运行的样机 进行了检测 ,具体结果见表 4 。试验发现 , 在相应 的热源水温条件下 , 热泵机组出水温度可稳定在7085 ,性能系数较高 ; 机组运行稳定 ,操作简单 ,能满足用户使用要求 。3结论3 . 1三元混合物 HTR01 用作高温水源热泵的制冷图 5 不同冷凝器出口水温下制热量的变化t 2 相差越小 , CO Ph 与 Q h 越大 ; 并且在 t 3 保持不 变时 , CO Ph 与 Q h 随 t 2 的升高而减小 ,这些结果剂 ,符合环保要求 ,无毒不燃 ,热工性能良好 ,可直接使用技术成熟的原制冷剂为 R22 的压缩机和润滑 油 。3 . 2在相应的热源水温条件下 , 用 H TR01 作制冷剂的热泵机组出水温度可稳定在 7085 ,并能保证较高的性能系数 。3 . 3样机实验和现场实验表明 ,本文的热泵机组 设计合理 ,性能优良 ,运行稳定可靠 。表 4 性能检测结果工况冷 凝器输入功率制热性能系数蒸 发 器/ k WCO Ph进口水温 t 1/ 出口水温t 2/ 水流量制热量进口水温出口水温t 4/ 水流量/ ( kg/ s) / ( kg/ s) / k W t 3/ 127716731685108014919791723111027715841577193168315656115110511346161110611106 3 6311 7012 9174 28915 6610 4139 5019 4516 11106 参考文献1 赵力 , 涂光备 , 张启. 混合工质用于地热热泵系统的实 验研究. 太阳能学报 , 2001 , 22 (3) : 241 2455463 赵晓宇. 制冷剂替代物的应用机理研究 : 博士学位论 文 . 北京 : 清华大学 , 19984 刘南希 ,史琳 ,李扬帆 ,等. 中高温热泵工质及试验台研 究. 工程热物理学报 , 2003 , 24 (1) : 5 82 李廷勋 , 郭开华 , 王如竹 , 等. 混合工质高温水源热泵计算机模 拟. 工 程 热 物 理 学 报 , 2002 , 23 ( 5 ) : 543广告强强联手快速致富中央空调维修 、代维 、清洗连锁经营经营内容 : 中央空调 ( 远大 、双良 、三洋 、开利等) 和大型换热器等维修 、保养 、开机 、代维 、清洗 、溴化锂再生和空 调水质处理等 ( 烟草 、电力 、电信 、金融 、税务 、医院 、制药 、钢铁 、汽车制造 、宾馆 、机关等用户) 。政策支持 : 建设主管部门 、卫生主管部门联合规定 , 建筑 ( 特别是公共场所) 空调必须清洗消毒才能使用 。 公司优势 : 技术全面 , 既会大修 , 又会清洗 , 同时会开机 ; 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