R1234ze(E)/R41混合工質用于熱泵系統(tǒng)的可行性分析

唐向陽， 巨福軍,2， 范曉偉， 王團結， 歐陽懷瀑， 鄺阿敏， 馬勝飛

(1.中原工學院 能源與環(huán)境學院， 河南 鄭州 450007； 2.東南大學 能源與環(huán)境學院， 江蘇 南京 210096；3.鄭州大學 土木工程學院， 河南 鄭州 450001)

近年來，全球臭氧層破壞、溫室效應加劇引起了人們對環(huán)境保護的重視。熱泵作為一種高效節(jié)能技術，越來越多地應用于建筑供熱空調和一些工業(yè)用熱領域。目前常用的熱泵工質是R22，以及無臭氧層破壞作用的替代制冷劑R134a、R410A和R407C等，但這些合成工質均具有較高的GWP值，在未來發(fā)展中終將被并入消減行列[1]。因此，尋找低GWP值的制冷劑將成為未來制冷空調行業(yè)的重要研究內容。R1234ze(E)制冷劑具有環(huán)保(ODP=0，GWP<1)、化學性質穩(wěn)定及阻燃性等優(yōu)點，但其單一成分的汽化潛熱值較小，蒸發(fā)壓力偏低，導熱系數(shù)也較低，直接應用于熱泵系統(tǒng)會導致系統(tǒng)性能系數(shù)低于目前常用工質R134a和R410A[2]。R41具有優(yōu)良的熱物性及傳輸特性，ODP為0，GWP值較低，運行壓力較高，臨界溫度較低。但是，R41的可燃性限制了其使用范圍[3]。因此，將R1234ze(E)與R41混合組成新型混合工質，有望實現(xiàn)彼此優(yōu)勢互補。

宋琦等將二元混合工質R41/R1234ze(E)用于-60 ℃溫區(qū)精餾型自復疊制冷系統(tǒng)中，并進行了理論分析和實驗對比，結果表明，采用R41/R1234ze(E)時系統(tǒng)的COP值稍低，單位容積制冷量相對偏低，但單位質量制冷量有明顯的提高[4]。目前，國內外關于R1234ze(E)混合工質的研究雖已逐步開展，但尚未見到將R1234ze(E)和R41的混合工質用于熱泵系統(tǒng)的研究。本文將R1234ze(E)和R41按一定比例組成混合工質，并對其替代R22應用于熱泵系統(tǒng)中的可行性展開分析，為當前熱泵工質替代研究提供一定參考。

1 R1234ze(E)/R41的相關物性分析

1.1 環(huán)境與安全性能

表1所示為制冷劑R41和R1234ze(E)的環(huán)保與安全性能對比。從表1可以看出，制冷劑R41和R1234ze(E)的ODP值均為0，GWP值遠小于R22(1810)，符合國際限制高GWP值制冷劑的要求。因此，由R41和R1234ze(E)組成的混合工質在環(huán)境性能方面有明顯的優(yōu)勢。

表1 熱泵工質的環(huán)保和安全性能

國外權威檢測機構已證實R1234ze(E)不具有助燃或爆炸性[5]。利用混合工質燃燒極限估算公式[6]計算不同R1234ze(E)質量配比下R1234ze(E)/R41的燃燒極限，見表2。

表2 不同R1234ze(E)質量配比所對應的燃燒極限

由表2可知，R1234ze(E)的加入較大程度地提高了影響燃燒的關鍵參數(shù)燃燒下限，可以有效地降低R41的可燃性。

1.2 溶油性

制冷劑與潤滑油的相溶性情況直接關系到使用該制冷劑的熱泵系統(tǒng)壓縮機的選型和系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。R41屬于HFCs工質，與礦物油、烷基苯油完全不相溶，但是與聚烯烴乙二醇油和聚酯類油的互溶性很好，而R1234ze(E)與常見的潤滑油均有良好的互溶性[7]。R22系統(tǒng)常用的潤滑油為礦物油或烷基苯油，因此R1234ze(E)/R41因R1234ze(E)的存在而與原系統(tǒng)潤滑油有很好的互溶性。

1.3 溫度滑移

混合工質在相變過程中的非等溫相變現(xiàn)象被稱為溫度滑移。利用這種變溫特性，可以實現(xiàn)混合工質與變溫熱源之間良好的溫度匹配，減小傳熱引起的不可逆損失，提高系統(tǒng)的循環(huán)性能。圖1給出了在不同壓力下混合工質的溫度滑移隨質量配比的變化關系?？梢钥闯?，不同壓力下溫度滑移均呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，且在R1234ze(E)質量配比為80%附近均出現(xiàn)最大溫度滑移。相同質量配比下隨著壓力的增加，溫度滑移減小，這是由于壓力靠近臨界點時，氣、液兩相態(tài)的差別減小，從而使溫度滑移減小。

圖1 不同壓力下混合工質的溫度滑移隨R1234ze(E)質量配比變化而變化的曲線

2 熱泵系統(tǒng)熱力學模型

2.1 熱泵系統(tǒng)組成

熱泵循環(huán)系統(tǒng)由壓縮機、冷凝器、膨脹閥和蒸發(fā)器等部件組成，系統(tǒng)流程如圖2所示。

圖2 混合工質熱泵熱水器循環(huán)系統(tǒng)流程圖

2.2 系統(tǒng)模型與計算工況

本文參照文獻[8]中的計算模型進行計算。在計算中假設：①忽略潤滑油對制冷劑熱物性的影響；②制冷劑在冷凝器出口為飽和液體狀態(tài)，在蒸發(fā)器出口為飽和氣體狀態(tài)；③壓縮過程的絕熱壓縮等熵效率為0.7；④系統(tǒng)與外界環(huán)境間無散熱損失，并忽略制冷劑在連接管和換熱設備中的壓降；⑤節(jié)流過程為絕熱節(jié)流；⑥蒸發(fā)器和冷凝器內換熱流體間的傳熱系數(shù)足夠大；⑦冷凝器和蒸發(fā)器中的最小傳熱溫差設為6 ℃。系統(tǒng)循環(huán)性能的計算公式如下:

制熱性能系數(shù)COPh:

COPh=(h2-h3)/(h2-h1)

(1)

單位質量制熱量qh:

qh=h2-h3

(2)

單位容積制熱量qhv:

qhv=(h2-h3)/v1

(3)

壓縮機單位功耗w:

w=h2-h1

(4)

壓縮機壓比r:

r=pc/pe

(5)

式中：h為混合工質的比焓，單位為kJ/kg，下標1、2、3對應圖2中的1、2、3點；Pc為系統(tǒng)冷凝器中的壓力，Pe為蒸發(fā)器中的壓力，單位為MPa；v1為混合工質的比熱容，單位為m3/kg。

熱泵模型通過EES求解計算，涉及到的所有制冷工質的熱力學參數(shù)均由接口程序調用美國NIST開發(fā)的軟件Refprop9.1得到。

根據(jù)國家標準GB/T 23137-2008《家用和類似用途熱泵熱水器》[9]規(guī)定的名義工況，設定熱匯與熱源進出口溫度參數(shù)：熱匯進、出口溫度分別為15 ℃和55 ℃；熱源進、出口溫度分別為20 ℃和15 ℃。

3 計算結果及分析

為便于對比，表3列出了在上述熱泵工況下，R22作為工質時的熱泵系統(tǒng)循環(huán)性能主要參數(shù)的模擬計算結果。為了實現(xiàn)在現(xiàn)有R22熱泵系統(tǒng)中對R22進行直接灌注式替代，R1234ze(E)/R41的冷凝壓力不能高于R22壓縮機允許的極限壓力3.0 MPa。因此，本文僅將R1234ze(E)質量配比范圍為65%～100%的R1234ze(E)/R41用于熱泵系統(tǒng)的循環(huán)性能模擬計算分析。

表3 名義工況下R22熱泵系統(tǒng)循環(huán)性能參數(shù)

3.1 系統(tǒng)制熱循環(huán)性能系數(shù)COPh

制熱性能系數(shù)與R1234ze(E)質量配比的關系如圖3所示。從圖3可以看出，R1234ze(E)/R41系統(tǒng)的制熱循環(huán)性能系數(shù)COPh隨著R1234ze(E)質量配比的增大，先緩慢上升，在到達波峰后迅速降低。R1234ze(E)/R41系統(tǒng)存在一個最優(yōu)質量配比91/9，使COPh達到最大值4.977，較R22系統(tǒng)提高了14.15%；R1234ze(E)/R41系統(tǒng)存在一個最優(yōu)質量配比區(qū)間85/15～95/5，在最優(yōu)質量配比區(qū)間內混合工質系統(tǒng)的COPh值均高于4.91，且波動幅度較小，僅為1.36%。這有利于R1234ze(E)/R41在熱泵系統(tǒng)中的應用。

圖3 制熱性能系數(shù)與R1234ze(E)質量配比的關系

3.2 系統(tǒng)單位質量制熱量和單位容積制熱量

單位質量制熱量qh和單位容積制熱量qhv隨混合工質質量配比的變化而變化的曲線如圖4所示。

圖4 單位質量制熱量和單位容積制熱量與R1234ze(E)質量配比的關系

由圖4可知，隨著R1234ze(E)質量配比的增加，混合工質單位質量制熱量呈先緩慢降低后降速加快的下降趨勢，在R1234ze(E)質量配比為65%～100%的范圍內，混合工質單位質量制熱量均小于R22的單位質量制熱量181 kJ/kg。與單位質量制熱量下降規(guī)律不同，混合工質單位容積制熱量呈均勻減小的變化趨勢，這是由R1234ze(E)的比熱容較小引起的。在R1234ze(E)質量配比為65%～80%的范圍內，混合工質單位容積制熱量較R22系統(tǒng)的高。在相同工況下，較高的單位容積制熱量有利于壓縮機的小型化。

3.3 壓縮機運行參數(shù)

圖5給出了R1234ze(E)/R41混合工質熱泵系統(tǒng)冷凝壓力、蒸發(fā)壓力及壓比隨R1234ze(E)質量配比變化的趨勢。

圖5 冷凝壓力、蒸發(fā)壓力及壓比與R1234ze(E)質量配比的關系

由圖5可以看出，隨著混合工質中R1234ze(E)的增加，系統(tǒng)冷凝壓力逐漸降低，在R1234ze(E)質量配比為85%～100%時，系統(tǒng)的冷凝壓力與蒸發(fā)壓力均低于R22系統(tǒng)，且蒸發(fā)壓力都高于0.1 MPa，不會出現(xiàn)吸氣壓力過低現(xiàn)象，有利于系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。壓比隨著R1234ze(E)質量配比的增加逐漸上升，并在其質量配比達到95/5后增速加快。在R1234ze(E)質量配比為65%～70%范圍內，混合工質壓比低于R22系統(tǒng)。較低的壓比有利于提高壓縮機的效率和系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性。

R1234ze(E)質量配比與排氣溫度的關系如圖6所示。

圖6 排氣溫度與R1234ze(E)質量配比的關系

由圖6可以看出，隨著R1234ze(E)質量配比的增大，R1234ze(E)/R41系統(tǒng)的排氣溫度不斷降低，混合工質系統(tǒng)排氣溫度在R1234ze(E)質量配比為65%～100%的區(qū)間內均低于R22系統(tǒng)。較低的排氣溫度有利于壓縮機壽命的提高和運行的穩(wěn)定。

4 結 論

本文對R1234ze(E)/R41混合工質在熱泵熱水器系統(tǒng)中替代R22的可行性進行了理論分析，得到以下結論：

(1)R1234ze(E)/R41混合工質系統(tǒng)的最優(yōu)質量配比為91/9，其對應的制熱性能系數(shù)COPh較R22系統(tǒng)提高了14.15%，同時冷凝壓力和排氣溫度均遠低于R22系統(tǒng)，但其壓比略高于R22系統(tǒng)。

(2)R1234ze(E)/R41(91/9)具有良好的環(huán)境與安全性能、溶油性和優(yōu)異的溫度滑移特性。

(3)在最優(yōu)質量配比為85/15～95/5區(qū)間內，R1234ze(E)/R41混合工質系統(tǒng)的COPh值波動幅度較小，僅為1.36%。

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