采用非共沸工質(zhì)機(jī)械過冷跨臨界CO2熱泵供暖性能分析

代寶民 張 鵬 劉圣春 王銘慧 孫悅桐 王嘉豪 徐田雅慧 肖 鵬

(1 天津商業(yè)大學(xué) 天津市制冷技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 天津 300134；2 天津市丹華宏業(yè)制冷技術(shù)有限公司 天津 300354)

節(jié)能提效是實(shí)現(xiàn)我國“2030碳達(dá)峰，2060碳中和”的重要舉措[1]。為改善我國北方地區(qū)冬季大氣污染問題，相比于常規(guī)電加熱或燃煤等供暖方式，空氣源熱泵技術(shù)可顯著提升能效，降低碳排放[2]。目前市場上空氣源熱泵產(chǎn)品多采用HFCs工質(zhì)，《〈蒙特利爾議定書〉基加利修正案》[3]規(guī)定我國于2045年前對HFCs的使用消減80%，尋找環(huán)境友好的新型環(huán)保工質(zhì)迫在眉睫。

自然工質(zhì)與低GWP工質(zhì)備受關(guān)注。其中CO2因環(huán)保、無毒、不可燃等優(yōu)點(diǎn)成為極具潛力的替代工質(zhì)[4]。然而對于供暖應(yīng)用場景，回水溫度高(≥30 ℃)導(dǎo)致CO2節(jié)流損失大，CO2熱泵供暖系統(tǒng)效率低于常規(guī)工質(zhì)系統(tǒng)，限制其推廣應(yīng)用[5]。采用機(jī)械過冷可對氣體冷卻器出口的CO2流體進(jìn)一步冷卻，減小節(jié)流損失[6]。機(jī)械過冷存在最優(yōu)過冷度，但其數(shù)值過大(14～30 ℃)[7]，采用常規(guī)工質(zhì)導(dǎo)致過冷器中的恒溫蒸發(fā)過程與超臨界CO2流體的降溫過程熱匹配較差，造成顯著的換熱不可逆損失，影響系統(tǒng)效率，可利用非共沸工質(zhì)相變溫度滑移的特性解決CO2過冷過程溫度不匹配問題[8]。對于制冷工況，空氣側(cè)進(jìn)出口溫差較小(<10 ℃)，分析結(jié)果表明，采用非共沸工質(zhì)可使系統(tǒng)COP提升46.53%[9]。對于供熱應(yīng)用，末端為常規(guī)散熱片時(shí)供回水溫差較大(≥20 ℃)[10]，預(yù)測采用非共沸工質(zhì)可提升系統(tǒng)熱泵供暖性能，但影響規(guī)律尚不明確，非共沸工質(zhì)組元及組分的選取對CO2供暖系統(tǒng)的影響機(jī)制需進(jìn)一步研究。

綜上所述，本文提出采用非共沸工質(zhì)用于機(jī)械過冷CO2跨臨界熱泵系統(tǒng)，對系統(tǒng)性能進(jìn)行優(yōu)化，并與采用純質(zhì)的機(jī)械過冷CO2熱泵系統(tǒng)進(jìn)行對比分析，進(jìn)一步提升CO2熱泵系統(tǒng)能效，為盡早實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”和“碳中和”的承諾提供理論支撐。

1 模型建立

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

機(jī)械過冷CO2熱泵系統(tǒng)如圖1所示。循環(huán)1-2-3-4-5-1為CO2跨臨界熱泵循環(huán)；循環(huán)1′-2′-3′-4′-1′為蒸氣壓縮機(jī)械過冷循環(huán)，循環(huán)工質(zhì)可為純質(zhì)或非共沸工質(zhì)。CO2進(jìn)入壓縮機(jī)被壓縮為高溫高壓的超臨界流體，然后進(jìn)入氣體冷卻器加熱回水并在過冷器中冷卻，再經(jīng)節(jié)流降壓進(jìn)入蒸發(fā)器吸收空氣中的熱量變?yōu)榈蜏氐蛪旱臍鈶B(tài)CO2，再被壓縮機(jī)吸入完成循環(huán)。過冷器也為機(jī)械過冷循環(huán)的蒸發(fā)器，兩循環(huán)通過過冷器聯(lián)接起來。回水分為兩路，分別流經(jīng)氣體冷卻器和冷凝器，加熱后混合作為供水為用戶供暖。

圖1 機(jī)械過冷CO2熱泵循環(huán)原理Fig.1 The principle of CO2 air-source heat pump system with mechanical subcooling

圖2 純質(zhì)與非共沸工質(zhì)機(jī)械過冷CO2跨臨界熱泵循環(huán)T-s圖Fig.2 T-s diagram of transcritical CO2 refrigeration cycle with mechanical subcooling using pure and zeotropic refrigerant

1.2 工質(zhì)選擇

本文所選工質(zhì)如表1所示，均為低GWP工質(zhì)，ODP均為0，并按照各自沸點(diǎn)高低由低至高排列。

表1 所選工質(zhì)的物理性質(zhì)、安全特性與環(huán)保特性[11]Tab.1 The physical properties,safety and environmental characteristics of refrigerant[11]

1.3 熱力性能模型

1.3.1 假設(shè)條件

本文模型基于如下假設(shè)建立：1)系統(tǒng)均在穩(wěn)定工況下運(yùn)行；2)換熱器及管路的熱損失與壓降忽略不計(jì)；3)用戶供水溫度Tw,out和回水溫度Tw,in分別為65 ℃和40 ℃[10]；4)過冷循環(huán)冷凝器出口為飽和液態(tài)；5)氣體冷卻器、冷凝器、過冷器窄點(diǎn)溫差均為5 ℃[12]；6)環(huán)境溫度T0為-12 ℃，環(huán)境溫度比蒸發(fā)溫度高10 ℃[13]。

1.3.2 熱力性能計(jì)算模型

1)CO2循環(huán)

壓縮機(jī)：

Wcom,CO2=mCO2(h2-h1)

(1)

ηg,CO2=(h2 s-h1)/(h2-h1)

(2)

ED,com,CO2=T0mCO2(s2-s1)

(3)

ηg,CO2為CO2壓縮機(jī)總效率，通過式(4)計(jì)算[14]：

0.732 5

(4)

氣體冷卻器：

Qh,CO2=mCO2(h2-h3)

(5)

ED,gc,CO2=T0[mw,gc(sw,out-sw,in)-

mCO2(s2-s3)]

(6)

節(jié)流閥：

ED,tv,CO2=T0mCO2(s2-s1)

(7)

蒸發(fā)器：

ED,eva,CO2=T0[mCO2(s1-s5)-

mair(sair,in-sair,out)]

(8)

2)機(jī)械過冷循環(huán)

過冷器：

msub=mCO2(h3-h4)/(h1′-h4′)

(9)

ED,eva,sub=T0[msub(s1′-s4′)-

mCO2(s3-s4)]

(10)

壓縮機(jī)：

Wcom,sub=msub(h2′-h1′)

(11)

ηs,sub=(h2s′-h1′)/(h2′-h1′)

(12)

ED,com,sub=T0msub(s2′-s1′)

(13)

ηg,sub為壓縮機(jī)等熵效率，通過式(14)計(jì)算[14]：

0.370 1

(14)

節(jié)流閥：

ED,tv,sub=T0msub(s4′-s3′)

(15)

冷凝器：

Qh,sub=msub(h2′-h3′)

(16)

ED,cond,sub=T0[mw,sub(sw,out-sw,in)-

msub(s2′-s3′)]

(17)

3)系統(tǒng)整體

COP=Qh,tot/Wtot

=(Qh,CO2+Qh,sub)/(Wcom,CO2+Wcom,sub)

(18)

ηtot=1-ED,tot/Wtot

(19)

πg(shù)lide=ΕD,comp/ΕD,pinch

=(ΕD,fluid+ΕD,pinch)/ΕD,pinch

(20)

模型中設(shè)計(jì)的工質(zhì)及換熱流體的物性通過REFPROP軟件計(jì)算[16]。

2 結(jié)果與討論

系統(tǒng)COP和溫度滑移隨第一組元質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化如圖3所示。本文選取6種非共沸工質(zhì)研究溫度滑移對系統(tǒng)性能的影響，其中包括3種大溫度滑移工質(zhì)對，最大溫度滑移為35.64～47.33 ℃，3種小溫度滑移工質(zhì)對，最大溫度滑移為11.03～14.77 ℃。由文獻(xiàn)[7]可知本系統(tǒng)存在最優(yōu)排氣壓力和過冷度，以下結(jié)果均在最優(yōu)工況下進(jìn)行討論。由圖3可知，采用不同溫度滑移非共沸工質(zhì)的系統(tǒng)性能顯著不同。圖3(a)所示3種大溫度滑移工質(zhì)系統(tǒng)COP隨X增大呈“M”型變化，系統(tǒng)COP均在X=0.6附近取得最大值，3種大溫度滑移工質(zhì)最大COP分別為2.42、2.43和2.45。3種小溫度滑移工質(zhì)系統(tǒng)COP與溫度滑移變化規(guī)律一致，均隨X的增大先增大后減小，但COP小于大溫度滑移工質(zhì)。R600在5種純質(zhì)中取得最高COP為2.14?？梢钥闯鱿鄬冑|(zhì)，采用混合工質(zhì)可顯著提高系統(tǒng)COP，采用R1234ze(E)/R601(60/40)相對純R1234ze(E)和R601分別提高了13.82%和12.99%。因此，相對于使用純質(zhì)和小溫度滑移工質(zhì)，大溫度滑移工質(zhì)可顯著提高系統(tǒng)能效，但對應(yīng)的最大COP未出現(xiàn)在最大溫度滑移處，這是由于溫度滑移直接影響工質(zhì)與CO2流體以及熱水的溫度匹配。

圖3 系統(tǒng)COP和溫度滑移隨第一組元質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化Fig.3 Variation of COP and temperature glide with mass fraction of the first component

采用純質(zhì)與非共沸工質(zhì)機(jī)械過冷CO2熱泵系統(tǒng)的COP隨環(huán)境溫度的變化如圖4所示?？芍?30～20 ℃的全工況環(huán)境溫度范圍內(nèi)，非共沸工質(zhì)的COP均遠(yuǎn)高于采用純質(zhì)機(jī)械過冷CO2熱泵和傳統(tǒng)CO2熱泵，且采用大溫度滑移工質(zhì)的系統(tǒng)COP比小溫度滑移工質(zhì)高。采用R1234ze(E)/R601(60/40)的COP最高，與純R1234ze(E)、R601相比分別提高8.93%～13.11%和9.64%～11.27%。因此，在全工況環(huán)境溫度范圍內(nèi)，采用大溫度滑移非共沸工質(zhì)均可顯著改善機(jī)械過冷CO2熱泵系統(tǒng)的能效。下面以R1234ze(E)/R601為例進(jìn)行解釋。

圖5 R1234ze(E)/R601溫度匹配圖Fig.5 Temperature matching of R1234ze(E)/R601

在XR1234ze(E)為0.4時(shí)，溫度滑移最大為47.18 ℃，但COP未取得最大值，這是由于較大的溫度滑移遠(yuǎn)大于CO2和熱水的進(jìn)出口溫差，冷凝器僅存在唯一窄點(diǎn)，位于工質(zhì)出口，為“過匹配”，導(dǎo)致溫度匹配出現(xiàn)偏離，性能未達(dá)到最佳。在XR1234ze(E)為0.9時(shí)，溫度滑移降至8.63 ℃，此時(shí)溫度滑移遠(yuǎn)小于CO2和熱水的進(jìn)出口溫差，冷凝器僅存在唯一窄點(diǎn)，為“欠匹配”，導(dǎo)致系統(tǒng)性能不佳。因此，需要選取溫度滑移適宜的非共沸工質(zhì)，過大過小均會導(dǎo)致系統(tǒng)性能欠佳。

傳統(tǒng)CO2熱泵、采用純質(zhì)與非共沸工質(zhì)的機(jī)械過冷CO2熱泵系統(tǒng)的最優(yōu)排氣壓力如圖6所示。由圖6可知，過冷系統(tǒng)采用非共沸工質(zhì)可有效降低系統(tǒng)最優(yōu)排氣壓力，非共沸工質(zhì)對應(yīng)的排氣壓力遠(yuǎn)低于采用純質(zhì)和傳統(tǒng)CO2熱泵，使用R290/R601(70/30)時(shí)最優(yōu)排氣壓力達(dá)到了7.50 MPa，COP為2.43，與采用純質(zhì)R290、R601時(shí)和傳統(tǒng)CO2熱泵相比，最優(yōu)排氣壓力分別降低了27.85%、23.35%和34.49%。綜上所述，采用混合工質(zhì)可有效降低CO2壓縮機(jī)排氣壓力，提高壓縮機(jī)效率，同時(shí)降低了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的承壓要求和成本，提高系統(tǒng)運(yùn)行的安全性。

圖6 不同工質(zhì)對應(yīng)的系統(tǒng)最優(yōu)排氣壓力Fig.6 Optimum discharge pressure corresponding to different refrigerant

圖7所示為系統(tǒng)過冷循環(huán)采用純質(zhì)和非共沸工質(zhì)時(shí)CO2最優(yōu)過冷度。由圖6可知，相對純質(zhì)采用非共沸工質(zhì)時(shí)CO2流體獲得更大過冷度，當(dāng)使用R1234yf/R601(60/40)時(shí)最優(yōu)過冷度達(dá)到了38.17 ℃，與純質(zhì)R1234yf和R601相比分別提高13.70 ℃和16.11 ℃?？芍獙τ趫D中的6種非共沸工質(zhì)，最優(yōu)過冷度與溫度滑移及COP呈正相關(guān)。這是由于過冷度越大，CO2節(jié)流前溫度越低，節(jié)流不可逆損失越小，系統(tǒng)COP越高。

圖7 不同工質(zhì)對應(yīng)的最優(yōu)過冷度Fig.7 Optimum subcooling temperature corresponding to different refrigerant

采用非共沸工質(zhì)壓縮機(jī)功耗占系統(tǒng)總功耗的比值隨第一組元質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化如圖8所示。由圖8可知，采用非共沸工質(zhì)時(shí)的功耗比顯著大于純質(zhì)。采用純R600功耗比最低為0.195 6，而采用R1234yf/R600(10/90)的功耗比高達(dá)0.352 0，這主要是由于采用非共沸工質(zhì)的過冷度遠(yuǎn)大于純質(zhì)，導(dǎo)致過冷器換熱量較大，即過冷循環(huán)制冷量增加，壓縮機(jī)功耗提高。雖然采用非共沸工質(zhì)時(shí)過冷循環(huán)功耗比較大，但CO2壓縮機(jī)的功耗仍顯著大于過冷循環(huán)壓縮機(jī)功耗，表明CO2系統(tǒng)仍然占主導(dǎo)，非共沸工質(zhì)過冷系統(tǒng)起輔助作用。

圖8 過冷循環(huán)壓縮機(jī)功耗比隨第一組元質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化Fig.8 Variation of compressor power consumption ratio of subcooling cycle with mass fraction of the first component

圖9 系統(tǒng)火用效率隨第一組元質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化規(guī)律Fig.9 The exergy efficiency of system with mass fraction of the first component

圖10 R1234ze(E)/R601系統(tǒng)單位制熱量火用損Fig.10 Exergy loss of system unit heat control of R1234ze(E)/R601

3 結(jié)論

本文對采用非共沸工質(zhì)的機(jī)械過冷跨臨界CO2熱泵進(jìn)行了性能分析，得到結(jié)論如下：

1)機(jī)械過冷循環(huán)采用非共沸工質(zhì)可有效提高系統(tǒng)COP，且非共沸工質(zhì)優(yōu)于純質(zhì)，大溫度滑移工質(zhì)優(yōu)于小溫度滑移工質(zhì)。使用R1234ze(E)/R601(60/40)的系統(tǒng)COP高達(dá)2.45，相對使用純質(zhì)組元最高提升13.82%。

2)采用非共沸工質(zhì)可有效降低系統(tǒng)排氣壓力并獲得更大的過冷度。當(dāng)使用R290/R601(70/30)時(shí)，最優(yōu)排氣壓力可降低27.85%，使用R1234yf/R601(60/40)時(shí)最優(yōu)過冷度高達(dá)38.17 ℃。

4)非共沸工質(zhì)選取不僅要考慮具有較大溫度滑移，其溫焓曲線的凹凸性也要與換熱流體的溫度曲線相匹配。推薦采用大溫度滑移非共沸工質(zhì)R1234ze(E)/R601(60/40)用于機(jī)械過冷跨臨界CO2熱泵。

本文受天津市自然科學(xué)基金項(xiàng)目(20JCQNJC00600)、天津市研究生科研創(chuàng)新項(xiàng)目(2020YJSS060)和大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目(202110069067)資助。(The project was supported by the Natural Science Foundation of Tianjin (No.20JCQNJC00600),Tianjin Research Innovation Project for Postgraduate Students (No.2020YJSS060)and Student′s Platform for Innovation and Entrepreneurship Training Program (No.202110069067).)

符號說明

E——火用效率，kJ/kg

h——比焓，kJ/kg

m——質(zhì)量流量，kg/s

p——壓力，MPa

Q——熱容量，kW

s——比熵，kJ/(kg·K)

T——溫度，℃

W——功，kW

X——質(zhì)量分?jǐn)?shù)

η——效率

π——溫度匹配指數(shù)

COP——性能系數(shù)

GWP——全球變暖潛力值

ODP——臭氧消耗潛力值

LEL——爆炸下限

w——水

下標(biāo)

0——參考狀態(tài)點(diǎn)

b——沸騰

c——臨界

CO2——二氧化碳

com——壓縮機(jī)

comp——部件

cond——泠凝器

D——損失

eva——蒸發(fā)器

fluid——流體

g——壓縮機(jī)整體

gc——?dú)怏w冷卻器

glide——溫度滑移

h——加熱

in——進(jìn)口

out——出口

pinch——窄點(diǎn)

s——等熵

sc——過冷器

sink——熱沉側(cè)

source——熱源側(cè)

sub——過冷循環(huán)

tot——系統(tǒng)整體

tv——節(jié)流閥

w——水