基于R245fa工質(zhì)的高溫?zé)岜脵C(jī)組試驗研究

張騰 史佩琦 邵現(xiàn)振 劉鵬 趙永杰

摘 要：高溫?zé)岜脵C(jī)組以30～60 ℃的工業(yè)廢水為低溫?zé)嵩矗瑸榭蛻籼峁?0 ℃以上高溫?zé)崴噍^于電熱鍋爐，其具有顯著的節(jié)能優(yōu)勢?，F(xiàn)針對客戶需求，設(shè)計了一臺以環(huán)保制冷劑R245fa為工質(zhì)的高溫?zé)岜脵C(jī)組，測試了其在不同工況下的性能參數(shù)。結(jié)果表明：隨著冷凝溫度的上升，高溫?zé)岜脵C(jī)組COP由5.46降至3.10;在各運行工況下，壓縮機(jī)的排氣過熱度正常，能夠保證機(jī)組長期穩(wěn)定運行。

關(guān)鍵詞：高溫?zé)岜?R245fa;冷凝溫度;過熱度

0? 引言

市場上的熱泵產(chǎn)品主要應(yīng)用于家用供暖和商業(yè)供暖領(lǐng)域，一般可以提供不超過60 ℃的熱水。近年來，熱泵產(chǎn)品已逐步應(yīng)用到工業(yè)領(lǐng)域。在工業(yè)生產(chǎn)中，雖然高溫?zé)崴男枨罅亢艽骩1]，但大量低溫余熱被浪費的情況仍然存在。高溫?zé)岜卯a(chǎn)品可以利用30～60 ℃的低溫?zé)嵩?，提?0 ℃以上的高溫?zé)崴?，?jié)能優(yōu)勢較電鍋爐更加明顯，同時又避免余熱排放對環(huán)境造成的污染，在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用前景十分廣闊。

目前，對于高溫?zé)岜眉夹g(shù)的研究主要集中在尋找物理性質(zhì)合適的環(huán)境友好型工質(zhì)上[2]。高溫?zé)岜美淠齻?cè)溫度較高，從產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)性方面考慮，要求工質(zhì)具有較高的臨界壓力、較低的工作壓力以及良好的傳熱性能;從環(huán)保角度考慮，要求工質(zhì)ODP為0，且具有較低的GWP[3]。

之前一些學(xué)者已經(jīng)對R245fa高溫?zé)岜谜归_了研究，Guo Qiang等[4]對R245fa、R134a與R245fa混合工質(zhì)進(jìn)行實驗研究，得出R134a與R245fa混合工質(zhì)在相同條件下比純R245fa工質(zhì)傳熱系數(shù)高的結(jié)論，但非共沸混合工質(zhì)存在溫度滑移;楊文娟等[5]對比了高溫?zé)岜贸Ｓ玫?種工質(zhì)的熱物理性質(zhì)，并對在相同工況下高溫?zé)岜弥械腃OP、壓縮機(jī)排氣溫度等性能參數(shù)進(jìn)行了理論分析，得出R245fa更適合作為高溫?zé)岜霉べ|(zhì)的結(jié)論;楊金文等[6]優(yōu)化高溫?zé)岜脵C(jī)組的膨脹閥與水路系統(tǒng)后，通過過熱度調(diào)節(jié)機(jī)組供液量，測得機(jī)組在蒸發(fā)器平均水溫60 ℃、冷凝器出水溫度105.8 ℃工況下的COP為2.701;趙兆瑞等[7]設(shè)計了一套R245fa高溫?zé)岜脵C(jī)組，通過理論與實驗對比分析的方法，測得不同工況下機(jī)組的相對COP為0.55～1.3，換熱管傳熱系數(shù)為1.7～2.8 kW/（m2 · K）。

之前相關(guān)的研究結(jié)果多由理論計算或軟件模擬得出，在試驗室內(nèi)制作的樣機(jī)也主要用于驗證理論數(shù)據(jù)，所以對企業(yè)生產(chǎn)的借鑒意義不大。本文根據(jù)客戶實際需求，設(shè)計制造了一臺以R245fa為工質(zhì)的高溫?zé)岜脵C(jī)組，并測試了該機(jī)組在不同工況下的性能參數(shù)。

1? 理論循環(huán)計算

1.1? ? 客戶工況

客戶提供45 ℃的工業(yè)廢水，并以此作為機(jī)組的低溫?zé)嵩?，制取生產(chǎn)工藝所需的80～95 ℃的高溫?zé)崴?/p>

1.2? 理論計算條件設(shè)定

將不同工質(zhì)的飽和曲線繪制在溫熵圖上，并根據(jù)工質(zhì)飽和蒸汽曲線傾斜的方向?qū)⒐べ|(zhì)分為兩類：一類工質(zhì)的飽和蒸汽曲線自蒸汽臨界點開始向左傾斜（ds/dt ≤0），一般稱之為“干性”工質(zhì)或者“過熱增”工質(zhì)，其被壓縮時的過熱度隨著壓力的升高而上升;相反地，另一類飽和蒸汽曲線自蒸汽臨界點開始向右傾斜（ds/dt >0）的工質(zhì)，其被壓縮時過熱度隨著壓力的升高而降低，一般稱之為“濕性”工質(zhì)或者“過熱減”工質(zhì)。R245fa屬于“濕性”工質(zhì)，在被壓縮的過程中會進(jìn)入濕蒸汽區(qū)，造成排氣帶液。排氣帶液會導(dǎo)致油分離器的分油效率降低，從而引起機(jī)組失油報警停機(jī)。為避免濕壓縮，機(jī)組必須保證有一定的吸氣過熱度。

考慮上述原因，并根據(jù)客戶的實際需求，我們在進(jìn)行高溫?zé)岜脵C(jī)組理論循環(huán)計算時做出如下設(shè)定：

（1）依據(jù)客戶提供的需求，蒸發(fā)溫度設(shè)定為42 ℃，冷凝溫度范圍設(shè)為78～98 ℃。

（2）不考慮熱泵機(jī)組與環(huán)境之間的換熱。

（3）吸氣過熱度設(shè)定為8 ℃，過冷度設(shè)定為3 ℃。

（4）根據(jù)以往設(shè)計經(jīng)驗，將蒸發(fā)器、冷凝器中的壓力損失定為15 kPa。

（5）工質(zhì)在管路內(nèi)流動損失較小，忽略不計。

（6）壓縮機(jī)Vi（內(nèi)容積比）為3.5，絕熱效率、電機(jī)效率、機(jī)械效率按實際工況下的數(shù)值選取。

1.3? 理論計算模型

本臺高溫?zé)岜脵C(jī)組整體遵循質(zhì)量守恒定律及能量守恒定律，其基本方程可以描述為：

式中：m為工質(zhì)質(zhì)量（kg）;Q為制熱量（kJ）;W為輸入功率（kW）;h為比焓（kJ/kg）;in、out為機(jī)組的進(jìn)口、出口。

螺桿壓縮機(jī)為噴油壓縮機(jī)，被壓縮的工質(zhì)氣體不能視為理想氣體，因此，壓縮機(jī)的絕熱效率需要通過焓差計算：

式中：Pad為等熵絕熱壓縮所需要的功率（kW）;qm為壓縮機(jī)質(zhì)量流量（kg/s）;hs為吸氣狀態(tài)下氣體比焓（kJ/kg）;hds為排氣壓力下，與吸氣狀態(tài)熵相等的狀態(tài)下氣體比焓（kJ/kg）;ηad為絕熱效率，反映了壓縮機(jī)能量利用的完善程度，是等熵絕熱壓縮所需要的功率與壓縮機(jī)實際軸功率的比值;P為壓縮機(jī)實際軸功率（kW）[8]。

換熱器的換熱面積、傳熱系數(shù)及管內(nèi)水的流速都決定了換熱效率，可針對不同的換熱模型選取不同的經(jīng)驗計算公式。換熱器管外為清潔的制冷劑，故不考慮管外壁污垢熱阻。本機(jī)組使用的換熱器換熱基本方程可以描述為：

對數(shù)平均溫差?T可按照下式進(jìn)行計算：

式中：?th為熱端溫差（℃）;?tc為冷端溫差（℃）[9]。

2? 高溫?zé)岜脵C(jī)組設(shè)計

2.1? 機(jī)組設(shè)計注意要點

由于R245fa屬于“濕性”工質(zhì)且高溫?zé)岜脵C(jī)組的排氣側(cè)溫度較高，在設(shè)計機(jī)組時需要注意以下幾點：

（1）以吸氣過熱度控制電子膨脹閥開度，設(shè)定在排氣過熱度低時進(jìn)行閥門調(diào)節(jié)并開啟機(jī)組報警程序，避免機(jī)組長時間處于濕壓縮狀態(tài)。