淺析蒸汽生產(chǎn)熱泵系統(tǒng)性能的研究

張雪琳

摘要：蒸汽生產(chǎn)熱泵系統(tǒng)是一種高溫狀態(tài)下的熱力學(xué)模型，為了探究熱泵蒸汽系統(tǒng)的性能，將該系統(tǒng)與傳統(tǒng)的高溫?zé)岜孟到y(tǒng)之間進行對比。本文將冷凝溫度維持在120攝氏度至140攝氏度之間，蒸發(fā)溫度控制在60攝氏度左右，隨后對傳統(tǒng)高溫?zé)岜霉べ|(zhì)與熱泵蒸汽系統(tǒng)之間的純工質(zhì)的循環(huán)性能進行比較，結(jié)果顯示熱泵蒸汽系統(tǒng)的制熱效果最好，循環(huán)性能也更加優(yōu)越，下文就將對高溫?zé)岜谜羝到y(tǒng)的性能進行具體的探究。

關(guān)鍵詞：工質(zhì)、高溫?zé)岜谜羝到y(tǒng)、性能

序言

能源問題是當(dāng)前世界關(guān)注的一個重點話題，隨著能源的枯竭和耗盡，各種節(jié)能減排措施也開始推廣并應(yīng)用于各個領(lǐng)域。在我國余熱能十分的豐富，如果能過將工業(yè)余熱進行合理的回收和利用，那么將會對我國的能源問題帶來極大的幫助，因此，熱泵蒸汽系統(tǒng)的發(fā)展引起了人們的關(guān)注。借助高溫?zé)岜谜羝到y(tǒng)，我們可以回收常溫?zé)岜孟到y(tǒng)所無法回收的工業(yè)余熱，同時還可以將熱泵與工業(yè)加熱相結(jié)合實現(xiàn)直接的應(yīng)用。相關(guān)技術(shù)的發(fā)展對于我國資源的利用和保護而言意義重大，眾多學(xué)者也在展開相關(guān)的研究。在研究高溫?zé)岜玫臅r候，一大難點在于工質(zhì)的選擇，工質(zhì)不僅要有較高的循環(huán)性能，還要對環(huán)境有很好，一次你工質(zhì)的選擇是研究高溫?zé)岜谜羝到y(tǒng)的前提。傳統(tǒng)的高溫工質(zhì)隨著技術(shù)的革新已經(jīng)不再適用，新型工質(zhì)的出現(xiàn)給高溫?zé)岜谜羝到y(tǒng)的發(fā)展提供了可能。

1、工質(zhì)的選擇

在環(huán)境問題不容樂觀的前提下，選擇工質(zhì)首先應(yīng)當(dāng)考量的就是其溫室效應(yīng)的指數(shù)以及對臭氧層的破壞指數(shù)，指數(shù)越低的工質(zhì)就越理想。除此之外，還應(yīng)當(dāng)考察工質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)、可燃性、毒害性以及油溶性等因素。高溫?zé)岜谜羝到y(tǒng)對溫度的要求較高，因此工質(zhì)的臨界溫度要高達一定的水平，這也是高溫?zé)岜谜羝到y(tǒng)與傳統(tǒng)熱泵系統(tǒng)的不同之處。

能夠符合上述多種條件的工質(zhì)并不多，因此對這些要求應(yīng)當(dāng)有所側(cè)重并有所調(diào)整。此次研究對各種工質(zhì)進行了綜合的考察，最終挑選出R245fa、R245ca、R141b以及R123四個工質(zhì)來進行研究和對比。

2、高溫?zé)岜谜羝到y(tǒng)工質(zhì)的循環(huán)性能研究

2.1能效系數(shù)COP的比較

在評估工質(zhì)循環(huán)性能的過程中，首先要考慮的就是系統(tǒng)自身的能效系數(shù)，也就是在提取出的蒸汽的焓值同壓縮機輸入功率之間的比值，在此前提下對各個工質(zhì)的循環(huán)性能進行對比。

實驗結(jié)果表明，當(dāng)冷凝溫度開始升高的時候，各個工質(zhì)的COP開始下降，但是其下降的速率不同。在R245fa、R245ca、R141b以及R123四種工質(zhì)當(dāng)中，R141b在高溫?zé)岜谜羝到y(tǒng)中的COP比傳統(tǒng)熱泵系統(tǒng)的高出了四分之一，是四種工質(zhì)中表現(xiàn)最好的。除了R141b之外，其它三種工質(zhì)在高溫?zé)岜谜羝到y(tǒng)中的表現(xiàn)也優(yōu)于傳統(tǒng)熱泵中，其中最差的R245fa在高溫?zé)岜谜羝到y(tǒng)中的COP也比傳統(tǒng)熱泵系統(tǒng)中使用R141b的系統(tǒng)COP值要高。從工質(zhì)的系統(tǒng)COP值我們就能夠看出高溫?zé)岜谜羝到y(tǒng)所具有的優(yōu)勢。

2.2冷凝壓力的比較

在系統(tǒng)運作的過程中，冷凝壓力是評估其安全性能的核心要素之一。所謂的冷能壓力，值得就是在蒸發(fā)器和冷凝器當(dāng)中工質(zhì)循環(huán)的壓力。按照一般條件來看，當(dāng)冷凝壓力在2，5MPa以下且蒸發(fā)壓力高于0.1MPa時，其系統(tǒng)部件的密封條件和耐壓能夠得到滿足，在這樣的狀態(tài)下，空氣便不會進入到系統(tǒng)當(dāng)中。

在同樣的實驗條件下，我們來對四種工質(zhì)在不同系統(tǒng)當(dāng)中的冷凝壓力來進行比較。首先，此次研究所選用的四種工質(zhì)的標(biāo)沸點都在60攝氏度之下，也就是比此次實驗假定的要低，因此在原有的蒸發(fā)壓力的基礎(chǔ)上提升0.1MPa，研究的過程中則僅考慮冷凝壓力。實驗數(shù)據(jù)顯示，R114的冷凝壓力在任何系統(tǒng)中都高于其他的工質(zhì)，余下的三種工質(zhì)在冷凝溫度區(qū)域當(dāng)中的冷凝壓力均在2.5MPa之下。在冷凝壓力的測試當(dāng)中R141b的表現(xiàn)更加的出色。即便是將溫度提升至130攝氏度，R141b的飽和壓力也僅有1.25MPa。

2.3單位制熱量的比較

在制熱量相同的情況下，系統(tǒng)工質(zhì)的循環(huán)量將會受到工質(zhì)單位容積制熱量的影響，因而也會對壓縮機的選擇和機組的尺寸選擇帶來直接的影響。在實驗環(huán)境中，四種工質(zhì)在冷凝溫度逐步升高的狀態(tài)下，單位容積制熱量都呈現(xiàn)出下降的趨勢，其中R114的熱量降低速率最快，且僅有R245fa的單位溶劑制熱量比R114的要高。

2.4排氣溫度之間的比較

除了冷凝壓力會給熱泵系統(tǒng)的穩(wěn)定運作帶來影響之外，排氣溫度也會帶來同樣的影響。如果排氣溫度過高，那么壓縮機的容積效率就會大大降低，而能量的消耗就會進一步的增大。且隨著溫度的增高，潤滑油的粘度也會有所降低從而影響潤滑效果，在這樣的狀況之下，壓縮機會面臨燒毀的風(fēng)險。當(dāng)然，排氣溫度過低也會給設(shè)備帶來一定的負擔(dān)。排氣溫度過低會導(dǎo)致工質(zhì)產(chǎn)生濕壓縮，這對于壓縮機也會有消極影響。當(dāng)冷凝溫度在120-140攝氏度之間是，R245ca和R114會出現(xiàn)濕壓縮的狀況。在冷凝溫度為140攝氏度時，R245fa的排氣溫度是141攝氏度，相比起其他的工質(zhì)而言排氣溫度較高。

3、四種工質(zhì)的比較

3.1R245fa

該工質(zhì)對環(huán)境較為友好，其優(yōu)點在于單位容積制熱量很高，且系統(tǒng)COP偏低。排氣溫度不高但也不會出現(xiàn)濕壓縮的問題，因此循環(huán)性較為優(yōu)良，但其缺點在于高溫下的冷凝壓力過高，容易給機組帶來壓力，是當(dāng)前最佳的高溫?zé)岜谜羝到y(tǒng)工質(zhì)。

3.2R245ca

該工質(zhì)不可燃，卻無毒無害對環(huán)境友好。在冷凝壓力、COP、循環(huán)性以及單位容積制熱量方面的表現(xiàn)處于中等水平。其關(guān)鍵性問題在于容易出現(xiàn)濕壓縮的狀況，因此需要保障壓縮機當(dāng)中工質(zhì)的熱度。

3.3R141b

大氣壽命值很低，COP表現(xiàn)優(yōu)良，冷凝壓力偏低，單位溶劑制熱表現(xiàn)適中。但是該工質(zhì)不適合高溫下使用，且該工質(zhì)的毒性也使其不適用于高溫?zé)岜谜羝到y(tǒng)。

3.4R141b

該工質(zhì)的循環(huán)特性很好，冷凝壓力最低卻不會產(chǎn)生濕壓縮的現(xiàn)象，COP值很高，這些是其優(yōu)點。但是它的單位溶劑制熱小，排氣溫度高，且毒性不確定，不是最佳的選擇。

總結(jié)

本文通過實驗對各種工質(zhì)的系統(tǒng)循環(huán)性進行了對比研究，發(fā)下R245fa是最適合高溫?zé)岜谜羝到y(tǒng)的工質(zhì)，希望此次研究能夠給高溫?zé)岜谜羝到y(tǒng)的發(fā)展和使用帶來一定的參考和思考。

參考文獻：

[1]連紅奎，李艷，束光陽子，等.我國工業(yè)余熱回收利用技術(shù)綜述[J].節(jié)能技術(shù)，2011，29（2）：123-133.

[2]產(chǎn)業(yè)在線.風(fēng)起云涌的全球采暖市場[J].中國電子商情，2011. 12： 51-53.

[3]關(guān)西文，劉學(xué)武，龔麗，等.二甲醚作為中高溫?zé)岜霉べ|(zhì)的性能分析[J].制冷與空調(diào)，2013，13（5）：31-34.

[4]王懷信，陳清瑩，潘利生.二元混合工質(zhì)MB85中高溫?zé)岜玫男阅躘J].天津大學(xué)學(xué)報，2011，44（12）：1106-1110.

[5]陳成敏.高溫?zé)岜眉夹g(shù)及系統(tǒng)性能研[D].天津：天津大學(xué)，2012.

[6]馬利敏，王懷信，楊強.高溫?zé)岜孟到y(tǒng)穩(wěn)態(tài)仿真[J].太陽能學(xué)報2011，32（8）：1144-1150.