熱泵熱水器中R1234ze(E)/R32替代R22的可行性分析

王團(tuán)結(jié)巨福軍，2范曉偉*唐向陽鄺阿敏

1中原工學(xué)院能源與環(huán)境學(xué)院 2東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院

0 引言

據(jù)中國(guó)制冷空調(diào)工業(yè)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)[1]：HCFCs消耗總額中，R22（ODP=0.055，GWP=1700）占 99%，但 R22 屬于被替代制冷劑。鑒于《京都議定書》限制高GWP值制冷劑的使用，作為R22主要替代物的R410A和R407C也只能作為過渡性的替代制冷劑[2]。因此尋找安全高

效且環(huán)保性能優(yōu)良的替代制冷劑，是目前學(xué)術(shù)界一個(gè)重要的研究方向。由于大氣壽命短，ODP=0，GWP=6，新型環(huán)保工質(zhì)R1234ze(E)被作為潛在的熱泵替代工質(zhì)[3]。Adrian[4]和張雷[5]研究發(fā)現(xiàn)，與R22相比，R1234ze(E)在冷凝壓力、排氣溫度上有較大優(yōu)勢(shì)，但潛熱較小，導(dǎo)熱系數(shù)偏低，單位容積制熱量較小是其主要的制約因素。R32市場(chǎng)可獲性好，GWP=675，是GWP較低的替代制冷劑，在美國(guó)ARI Standard 520標(biāo)準(zhǔn)的空調(diào)工況下，其單位容積制冷量高于R22，但COP偏低、排氣壓力與排氣溫度偏高，且具有弱可燃性，限制了其作為替代制冷劑的使用[6-7]。因此，將兩種工質(zhì)有目的的混合有望克服各自的缺點(diǎn)，組成非常具有潛力的環(huán)保替代工質(zhì)。

目前，Koyama在R410A實(shí)驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了R1234ze(E)/R32(50/50)混合工質(zhì)的實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)添加R32能夠提高R1234ze(E)系統(tǒng)的制冷量[8]，F(xiàn)ukuda在水-水壓縮制冷實(shí)驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了替代研究，發(fā)現(xiàn)在熱泵模式和制冷模式下，質(zhì)量配比分別為20/80和50/50時(shí)制冷劑COP最高[9]。目前已公開發(fā)表的文獻(xiàn)少有將R1234ze(E)/R32用于熱泵熱水器系統(tǒng)的研究，基于此，本文將對(duì)不同配比下R1234ze(E)/R32混合工質(zhì)在熱泵熱水器循環(huán)系統(tǒng)中替代R22的可行性進(jìn)行分析研究，為熱泵工質(zhì)R22的替代研究提供理論依據(jù)。

1 R1234ze(E)/R32混合制冷劑的物性

1.1 環(huán)保及安全特性

如表1所示，與常用熱泵工質(zhì)相比，可以看出R1234ze(E)和R32的ODP為0，GWP較小。因此，R1234ze(E)/R32混合制冷劑具有優(yōu)異的環(huán)保特性。ASHRAE標(biāo)準(zhǔn)34和ISO/FD IS 817-2013均將R1234ze(E)劃分為A2L類制冷劑，即輕微可燃，但ASTME-681及歐盟A-11方法測(cè)試結(jié)果表明R1234ze(E)為不可燃?xì)怏w，且英國(guó)Chilworth Technologies Ltd試驗(yàn)結(jié)果也表明其不具有助燃或爆炸性特性[10]。本文采用田貫三[11]所提出的混合工質(zhì)燃燒極限估算公式，計(jì)算了不同質(zhì)量配比下的燃燒極限，如圖1所示，R1234ze(E)的加入有效降低了R32的可燃性。

表1 幾種制冷劑的環(huán)保及安全特性

式中：Ce為不含阻燃工質(zhì)的燃燒極限，%；Cz為混合工質(zhì)的燃燒極限，%；B為阻燃工質(zhì)的體積百分比，%。

圖1 R1234ze(E)/R32的燃燒極限與質(zhì)量配比的關(guān)系

1.2 飽和蒸氣壓力

根據(jù)混合工質(zhì)篩選原則，替代工質(zhì)應(yīng)與被替代工質(zhì)應(yīng)有相似的飽和蒸氣壓曲線，即組成混合工質(zhì)的組元蒸氣壓曲線應(yīng)位于被替代工質(zhì)的蒸氣壓曲線兩側(cè)，這樣才有可能使混合工質(zhì)的飽和蒸氣壓曲線接近被替代工質(zhì)[12]。從圖2可以看出R1234ze(E)和R32的飽和蒸氣壓力曲線分別位于R22飽和蒸氣壓力曲線的兩側(cè)，且配比為45/55的混合工質(zhì)與R22相似且接近，所以R1234ze(E)/R32（45/55）混合工質(zhì)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)R22系統(tǒng)的直接充注替代，降低替代成本。

圖2 R1234ze(E)、R22和R32飽和蒸氣壓曲線

1.3 溫度滑移特性

溫度滑移是非共沸混合工質(zhì)所具備的獨(dú)特性質(zhì)。非共沸混合工質(zhì)的使用可實(shí)現(xiàn)其與載熱流體在換熱器中較好的溫度匹配，從而減少傳熱不可逆損失，達(dá)到提高系統(tǒng)循環(huán)性能的目的。圖3表示不同壓力下溫度滑移與R32質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系，可看出相同質(zhì)量配比下壓力越高溫度滑移越小，而同一壓力下溫度滑移呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力下混合工質(zhì)的最大溫度滑移可達(dá)14.06℃，對(duì)應(yīng)的R32質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%。熱泵熱水器試驗(yàn)工況下熱源與熱匯測(cè)溫差分別為5℃和40℃，R32質(zhì)量配比范圍為10%～50%時(shí)混合工質(zhì)各壓力下的溫度滑移均大于5℃，因此能夠?qū)崿F(xiàn)較好的溫度匹配。

圖3 不同壓力下混合制冷劑溫度滑移與R32質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系

1.4 溶油性

制冷劑與潤(rùn)滑油的互溶性直接影響壓縮機(jī)的潤(rùn)滑效果，從而影響壓縮機(jī)的使用壽命和系統(tǒng)性能穩(wěn)定性。目前制冷和熱泵系統(tǒng)中最常用的潤(rùn)滑油為礦物油（MO）、烷基苯油（AB）和POE。作為HCFCs工質(zhì)，R22系統(tǒng)常用的潤(rùn)滑油為烷基苯油，而R32屬于HFCs工質(zhì)，完全不溶于礦物油和烷基苯油，但能很好的溶于聚酯類油（POE等）。從表2中可以發(fā)現(xiàn)，R1234ze(E)與常見潤(rùn)滑油均具有良好的互溶性[13]，因此，R1234ze(E)的加入能夠有效提高混合工質(zhì)與潤(rùn)滑油的相溶性，無需更換R22采用的潤(rùn)滑油。

表2 制冷劑與潤(rùn)滑油的互溶性

2 模型建立

熱泵熱水器循環(huán)系統(tǒng)流程如圖4所示，主要部件包括蒸發(fā)器、壓縮機(jī)、冷凝器和膨脹閥。

圖4 熱泵熱水器循環(huán)系統(tǒng)流程圖

本模型采用文獻(xiàn)[14]提出的熱泵模型。通過EES軟件進(jìn)行求解計(jì)算，所有的熱物性參數(shù)均是調(diào)用美國(guó)NIST開發(fā)的數(shù)據(jù)庫(kù)Refprop9.1[15]。系統(tǒng)理論循環(huán)性能計(jì)算公式如下：

1）制熱性能系數(shù)COPh

2）單位質(zhì)量制熱量qh

3）單位容積制熱量qhv

4）壓縮機(jī)壓比r

式中：h為混合制冷劑的比焓，kJ/kg；P為系統(tǒng)中的壓力，MPa；v為混合制冷劑的比熱容，m3/kg；1～4為圖 4中各狀態(tài)點(diǎn)；c為冷凝器；e為蒸發(fā)器。

3 計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 23137-2008《家用和類似用途熱泵熱水器》[16]規(guī)定的名義工況，設(shè)定熱匯與熱源進(jìn)出口溫度參數(shù)，如表3所示。

表3 熱泵熱水器名義工況參數(shù)

為便于分析混合制冷劑的循環(huán)系統(tǒng)特性并與常見的幾種制冷劑進(jìn)行對(duì)比，在相同工況下，分別計(jì)算了熱泵系統(tǒng)純工質(zhì)R22、R32和R1234ze(E)的循環(huán)性能參數(shù)。如表4所示，可以看出R1234ze(E)循環(huán)系統(tǒng)的排氣溫度最低，僅為65.15℃，比R22低19.52℃，單位容積制熱量比R22低54.16%。雖然R32循環(huán)系統(tǒng)的排氣溫度最高，但其單位容積制熱量比R22高61.80%，COPh高3.44%。

表4 熱泵熱水器系統(tǒng)循環(huán)性能參數(shù)

3.1 系統(tǒng)制熱COPh和壓比r

如圖5所示，R1234ze(E)/R32系統(tǒng)的COPh隨R32質(zhì)量配比的增大，先增大到峰值再逐漸減小，主要原因是當(dāng)R32較少時(shí)，R1234ze(E)為主要成分，其等熵線斜率較大，此時(shí)壓縮機(jī)耗功較小，制熱量的增加大于壓縮機(jī)功耗的增加，COPh呈現(xiàn)持續(xù)增大趨勢(shì)；隨著R32質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，R32占主要成分，而R32等熵斜率較小，制熱量的增加無法彌補(bǔ)壓縮機(jī)功耗的增加，因此循環(huán)性能逐漸降低?；旌现评鋭┑膲罕萺由4.148逐漸下降到2.903，再緩慢增加到2.971，壓比低于R22和R32系統(tǒng)的質(zhì)量配比范圍分別為30%～100%和50%～100%，較低的壓比有利于提高壓縮機(jī)的容積效率，降低功耗。

圖5 制熱性能系數(shù)、壓比與R32質(zhì)量配比的關(guān)系

R1234ze(E)/R32（90/10）系統(tǒng)制熱循環(huán)性能為4.565與R22相當(dāng)，R32的質(zhì)量配比在10%～100%范圍內(nèi)時(shí)混合制冷劑的COPh高于R32系統(tǒng)和R22系統(tǒng)。R1234ze(E)/R32系統(tǒng)最優(yōu)質(zhì)量配比為45/55，如表4所示，此時(shí)壓比低于R22系統(tǒng)，制熱COPh值為4.744，比R22系統(tǒng)和R32系統(tǒng)分別提高8.81%和5.19%，與R22系統(tǒng)相比，排氣溫度降低了3.92℃，單位質(zhì)量制熱量和單位容積制熱量分別增加了3.59%和27.59%，而冷凝壓力升高了0.377 MPa。

3.2 壓縮機(jī)運(yùn)行參數(shù)

圖6所示為不同R32質(zhì)量配比下，R1234ze(E)/R32系統(tǒng)的冷凝壓力、蒸發(fā)壓力及排氣溫度的變化趨勢(shì)，可以看出：隨著R32質(zhì)量配比的增大，混合制冷劑系統(tǒng)的冷凝壓力從1.237MPa線性增加到3.192 MPa。R32質(zhì)量配比在0～35%范圍內(nèi)時(shí)，系統(tǒng)冷凝壓力和蒸發(fā)壓力分別低于R22系統(tǒng)，在整個(gè)質(zhì)量配比范圍內(nèi)，冷凝壓力與蒸發(fā)壓力均低于R32系統(tǒng)，且蒸發(fā)壓力最小為0.298 MPa，大于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，不會(huì)出現(xiàn)吸氣壓力過低現(xiàn)象，有利于系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。排氣溫度是壓縮機(jī)的一個(gè)重要安全性指標(biāo)，較低的排氣溫度有利于循環(huán)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。由圖6可以看出，隨著R32質(zhì)量配比的增加，系統(tǒng)排氣溫度最高可達(dá)93.92℃，而質(zhì)量配比在0～70%范圍內(nèi)的系統(tǒng)排氣溫度均低于R22系統(tǒng)。

圖6 冷凝壓力、蒸發(fā)壓力及排氣溫度與R32質(zhì)量配比的關(guān)系

3.3 系統(tǒng)的單位質(zhì)量制熱量qh和單位容積制熱量qhv

如圖7所示，R1234ze(E)/R32系統(tǒng)的單位質(zhì)量制熱量與單位容積制熱量隨R32質(zhì)量配比的增加均呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)。其中單位質(zhì)量制熱量從145.8 kJ/kg增長(zhǎng)到279.4 kJ/kg，增長(zhǎng)速率逐漸變小，R32質(zhì)量配比為45%的混合制冷劑單位質(zhì)量制熱量與R22系統(tǒng)（181 kJ/kg）相當(dāng)，在相同的制熱量和熱泵工況下，制冷劑單位質(zhì)量制熱量越大則灌注量越小，可減少工質(zhì)的充注量，降低制冷劑成本，從而降低工質(zhì)泄露時(shí)燃爆以及污染環(huán)境的可能性。與單位質(zhì)量制熱量增長(zhǎng)規(guī)律不同，混合工質(zhì)的單位容積制熱量增長(zhǎng)速率逐漸增大，從2321 kJ/m3增加到8192 kJ/m3，單位容積制熱量高于R22系統(tǒng)（5063 kJ/kg）的混合制冷劑中R32質(zhì)量配比范圍為35%～100%。在相同制熱能力下，具有較大的單位容積制熱量的循環(huán)系統(tǒng)所需的壓縮機(jī)排量小，壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)更為緊湊。

圖7 單位質(zhì)量制熱量和單位容積制熱量與R32質(zhì)量配比的關(guān)系

4 結(jié)論

本文對(duì)混合工質(zhì)R1234ze(E)/R32應(yīng)用于熱泵熱水器上的制熱循環(huán)在名義工況下進(jìn)行了理論分析，并在相同計(jì)算條件和工況條件下與R22系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比，得出以下結(jié)論：

1）R1234ze(E)/R32混合制冷劑的最優(yōu)質(zhì)量配比為45/55，最優(yōu)配比下COPh達(dá)到4.744，與R22系統(tǒng)相比，COPh提高8.81%，壓比減小，排氣溫度降低了3.92℃，單位質(zhì)量制熱量和單位容積制熱量分別增加3.59%和27.59%，但冷凝壓力升高了0.377MPa。

2）R1234ze(E)/R32（45/55）具有良好的環(huán)保與安全性、溶油性和優(yōu)異的溫度滑移特性，且與R22有相似的飽和蒸汽壓力曲線。

3）在冷凝壓力滿足系統(tǒng)要求，R1234ze(E)/R32系統(tǒng)制熱循環(huán)性能優(yōu)于R22系統(tǒng)，且壓比、排氣溫度低于R22系統(tǒng)的條件下，可替代R22的混合制冷劑中的R32的質(zhì)量配比范圍為30%～70%。