制冷剂R1234 ze在高温热泵中应用的对比研究

第54卷 第5期2023年9月太原理工大学学报J O U R N A L O F T A I Y U A N U N I V E R S I T Y O F T E C HN O L O G YV o l .54N o .5S e p.2023 引文格式:冯彪,张昭,简琳睿,等.新型高温热泵混合工质替代R 245f a 的性能研究[J ].太原理工大学学报,2023,54(5):941-949.F E NG B i a o ,Z HA N G Z h a o ,J I A N L i n r u i ,e t a l .S t u d y o n t h e p e r f o r m a n c e o f n e w h i g h t e m p e r a t u r e h e a t p u m pm i x t u r e s a s a l t e r n a t i v e s t o R 245f a [J ].J o u r n a l o f T a i y u a n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y,2023,54(5):941-949.收稿日期:2022-12-22;修回日期:2023-03-17基金项目:国家自然科学基金青年基金项目(52106024);山西省基础研究计划青年科学研究项目(20210302124447);中国博士后基金资助项目(2022M 722343) 第一作者:冯彪(1992-),博士,讲师,硕士生导师,主要从事环保工质替代,工质可燃性及其抑制,制冷热泵技术等方面的研究,(E -m a i l )f e n g b i a o @t yu t .e d u .c n 新型高温热泵混合工质替代R 245f a 的性能研究冯 彪,张 昭,简琳睿,赵贯甲,马素霞(太原理工大学电气与动力工程学院,循环流化床高效清洁燃烧与利用山西省重点实验室,太原030024)摘 要:ʌ目的ɔ目前能源供需矛盾日益加剧,高温热泵作为一种节能减排技术,可以将大量低品位余热提升为高品位能量加以利用㊂合适的工质对系统性能的提升至关重要㊂ʌ方法ɔ提出了5种环保热泵工质:R 1233z d (E )/R 1234z e (Z )(0.15:0.85),R 600a /R 1233z d (E )(0.70:0.30),R 600a/R 1233z d (E )/R 600(0.01:0.15:0.84),R 600a /R 1233z d (E )/环氧乙烷(0.34:0.01:0.65)和R 1233z d (E )/R 1234z e (Z )/R 245c a /R 600a (0.39:0.58:0.01:0.02).比较了新工质与现有工质R 245f a 在基础热物性㊁循环性能和安全性等方面的性能㊂ʌ结果ɔ对于基础热物性,所提出的5种替代工质在黏度㊁比定压热容㊁导热系数和冷凝热等参数方面均优于R 245f a ,且环保性能突出;对于循环性能,在冷凝温度110ħ工况下,替代工质性能系数(C O P )与R 245f a 接近,单位容积制热量分别是R 245f a 的111%,144%,125%,144%和108%;用基团贡献法对新工质的可燃性进行预测,结果表明,R 1233z d (E )/R 1234z e (Z )(0.15:0.85)㊁R 600a /R 1233z d (E )(0.70:0.30)和R 1233z d (E )/R 1234z e (E )/R 245c a /R 600a (0.39:0.58:0.01:0.02)预估为不可燃混合物㊂ʌ结论ɔ5种工质都具有替代R 245f a 的潜力,推荐选择R 1233z d (E )/R 1234z e (Z )(0.15:0.85),其综合性能良好㊂关键词:热泵;工质;循环性能;可燃性;全球变暖潜能中图分类号:T K 11 文献标识码:AD O I :10.16355/j .t yu t .1007-9432.2023.05.023 文章编号:1007-9432(2023)05-0941-09S t u d y o n t h e P e r f o r m a n c e o f N e w H i g h T e m pe r a t u r e H e a t P u m p Mi x t u r e s a s A l t e r n a t i v e s t o R 245f a F E N G B i a o ,Z H A N G Z h a o ,J I A N L i n r u i ,Z H A O G u a n ji a ,M A S u x i a (S h a n x i K e y L a b o r a t o r y o f C l e a n a n d H i g h E f f i c i e n t C o m b u s t i o n a n d U t i l i z a t i o n o f C i r c u l a t i n g Fl u i d i z e d B e d ,C o l l e g e o f E l e c t r i c a l a n d P o w e r E n g i n e e r i n g ,T a i y u a n U n i v e r s i t yo f T e c h n o l o g y ,T a i yu a n 030024,C h i n a )A b s t r a c t :ʌP u r p o s e s ɔA t p r e s e n t ,t h e c o n t r a d i c t i o n b e t w e e n e n e r g y s u p p l y a n d d e m a n d i s i n -c r e a s i n g l y i n t e n s i f y i n g ,a n d h i g h -t e m p e r a t u r e h e a t p u m p s ,a s a n e n e r g y -s a v i n g a n d e m i s s i o n -r e -d u c t i o n t e c h n o l o g y ,c a n u p g r a d e a l a r g e a m o u n t o f l o w -g r a d e w a s t e h e a t t o h i g h -g r a d e e n e r g yf o r u t i l i z a t i o n .ʌM e t h o d s ɔF i v e e n v i r o n m e n t a l l y f r i e n d l y h e a t p u m p w o r k i ng f l u i d s a r e p r o po s e d ,R 1233z d (E )/R 1234z e (Z )(0.15:0.85),R 600a /R 1233z d (E )(0.70:0.30),R 600a /R 1233z d (E )/R 600(0.01:0.15:0.84),R 600a /R 1233z d (E )/e t h yl e n e o x i d e (0.34:0.01:0.65),a n d R 1233z d Copyright ©博看网. All Rights Reserved.(E)/R1234z e(Z)/R245c a/R600a(0.39:0.58:0.01:0.02).T h e p e r f o r m a n c e o f t h e n e w w o r k i n g f l u i d a n d t h e e x i s t i n g w o r k i n g f l u i d R245f a i s c o m p a r e d i n t e r m s o f b a s i c t h e r m o p h s i c a l p r o p e r-t i e s,c y c l e p e r f o r m a n c e,a n d s a f e t y.ʌF i n d i n g sɔT h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e f i v e a l t e r n a t i v e w o r k-i n g f l u i d s p r o p o s e d a r e s u p e r i o r t o R245f a i n t e r m s o f v i s c o s i t y,c o n s t a n t p r e s s u r e s p e c i f i c h e a t, t h e r m a l c o n d u c t i v i t y,a n d c o n d e n s a t i o n h e a t,a n d h a v e o u t s t a n d i n g e n v i r o n m e n t a l p e r f o r m a n c e.F o r t h e c y c l e p e r f o r m a n c e,u n d e r t h e c o n d i t i o n o f c o n d e n s i n g t e m p e r a t u r e o f110ħ,t h e a l t e r n a-t i v e w o r k i n g f l u i d C O P i s c l o s e t o R245f a,a n d t h e u n i t v o l u m e o f h e a t p r o d u c t i o n i s111%, 144%,125%,144%,a n d108%o f R245f a,r e s p e c t i v e l y.T h e g r o u p c o n t r i b u t i o n m e t h o d i s u s e d t o p r e d i c t t h e f l a mm a b i l i t y o f t h e n e w w o r k i n g f l u i d,a n d t h e r e s u l t s s h o w t h a t R1233z d(E)/ R1234z e(Z)(0.15:0.85),R600a/R1233z d(E)(0.70:0.30),a n d R1233z d(E)/R1234z e(E)/ R245c a/R600a(0.39:0.58:0.01:0.02)a r e e s t i m a t e d t o b e n o n-f l a mm a b l e m i x t u r e s.ʌC o n c l u-s i o n sɔA l l t h e f i v e w o r k i n g f l u i d s h a v e t h e p o t e n t i a l t o r e p l a c e R245f a,a n d R1233z d(E)/R1234z e (Z)(0.15:0.85)i s t h e m o s t r e c o mm e n d e d,w h i c h h a s g o o d c o m p r e h e n s i v e p e r f o r m a n c e.K e y w o r d s:h e a t p u m p;w o r k i n g f l u i d s;c y c l e p e r f o r m a n c e;f l a mm a b i l i t y;GW P能源是经济和社会发展的基础㊂我国已经进入了高质量发展阶段,需要高质量能源体系的支撑,但目前我国能源利用率远低于发达国家,这也意味着我国经济发展与能源短缺局面呈正相关㊂能源消耗过程中,我国工业能源消耗约占全国能源消耗总量的70%,而工业能源利用率低于世界平均水平,加工工业消耗的能源有50%以上转变为废气和废水形式的余热[1],因此我国中低温热源资源丰富㊂我国已将余热利用工程作为‘节能中长期发展专项规划“中十大重点节能工程之一㊂目前我国节能措施中技术节能占比67.6%,提高技术节能是国家重点发展方向[2],而热泵可利用余热使其变为高品位热能,是节约能源㊁提高能源利用率的一种有效技术措施[3],对其工作性能的研究有重要意义㊂热泵性能的影响因素众多,其中工质循环性能对其影响最大㊂近些年国际社会对工质的环保性要求越来越高, 2019年12月,欧盟委员会正式发布了‘欧洲绿色协议“,提出到2050年欧盟温室气体达到净零排放并且实现经济增长与资源消耗脱钩[4]㊂2021年4月,在中法德领导人视频峰会上,我国已决定接受‘蒙特利尔议定书基加利修正案“,加强氢氟烃类(H F C s)等非二氧化碳温室气体管控[5]㊂这些政策都表明国际社会对热泵工质的环保性将提出更严格要求,因而寻找环保性突出且综合性能优良的工质迫在眉睫㊂适用于高温热泵系统的工质参数[6-7]如表1所示,其中R142b与R114热力性能良好,化学性质稳定,但对臭氧层有破坏作用,根据‘蒙特利尔议定书“,此类物质在2030年将被完全禁用[8]㊂R245f a 具有臭氧消耗潜能(O D P)值为0㊁循环性能良好㊁压缩比低等诸多优点,但其全球变暖潜能(GW P)值较高,属于‘基加利修正案“中被管控工质[9]㊂相对于R245f a,R1233z d(E)具有更低的GW P值,且在热源温度为120ħ时循环效率高7.03%,但其换热特性较差[10]㊂R600a和R600循环性能很好,但具有很强的可燃性,不利于系统安全运行,难以单独作为替代工质[8,11]㊂R245c a的C O P(制冷效率)高于R245f a,且排气温度低,但其GW P(全球变暖潜能值)值较高,可作为混合工质的一种组分平衡混合工质性能[12]㊂环氧乙烷循环性能和换热性能良好,且环氧乙烷(C2H4O)分子式与二甲醚(C2H6O)相似,二甲醚GW P值为1,本文假设环氧乙烷的GW P值也为1.表1高温热泵工质物性参数[6-7]T a b l e1 P a r a m e t e r s o f w o r k i n g f l u i d u s e d i n h e a t p u m p s 工质分子质量/(k g㊃k m o l-1)t c/ħp c/M P a t b/ħO D PGW P(100a) R600a58.12134.663.63-11.75020 R245f a134.05153.863.6515.050858 R114170.92145.683.263.590.8508590 R1233z d(E)130.50166.453.6218.26ʈ01 R142b100.50137.114.06-9.120.0571980 R1234z e(Z)114.04150.123.539.730<1环氧乙烷44.05195.803.7010.5101 R245c a134.05174.423.9425.260716 R152a66.05113.264.52-24.020138 R60058.12151.983.80-0.4904目前,国内外已经对热泵多元混合替代工质进行了大量的研究㊂胡晓微等[13]研究了R134a/ R245f a在不同组分下蒸发温度的改变对循环性能的影响,结果表明工质选用R134a/R245f a(80%ʒ20%)具有显著优势,但其环保性很差㊂孙利豪[14]249太原理工大学学报第54卷Copyright©博看网. All Rights Reserved.将R134a㊁R245f a㊁R1234z e㊁R134a/R245f a以及提出的环保混合工质R1234z e/R245f a在同一冷凝温度下进行对比,发现R1234z e/R245f a循环性能良好,但其排气温度较高㊂C A R L O S[15]分析了H C F O-1224y d(Z)㊁H C F O-1233z d(E)和H F O-1336m z z(Z)替代R245f a应用在高温热泵中的可行性,发现C O P均提升20%以上,但3种工质的单位容积制热量很低,导致更大的压缩机功率和体积㊂Z H A N G e t a l[16]在蒸发温度70~80ħ和冷凝温度110~130ħ的工况下,对工质B Y-5进行热泵性能研究,发现其循环性能良好,且在冷凝温度135ħ下仍可运行㊂上述研究主要关注的是循环性能比较,而实际中替代工质的优选需要考虑多方面因素,比如基础热物性和可燃性等,它们同样决定着系统的高效安全运行㊂综合平衡多种因素见图1,对基于高温热泵工质进行优选,本文提出了5种基础热物性和循环性能优良的新型工质,优选标准为在冷凝温度80ħ的高温工况下单位容积制热量在3000k J/m3以上[17],为保证良好性能,C O P是R245f a的90%以上,5种新型工质分别为二元混合工质R T Y U T-1和R T Y U T-2,三元混合工质R T Y U T-3和R T Y U T-4,四元混合工质R T Y U T-5,具体组分比例及基本物性见表2.热泵工质选择定压比热环保性气化潜热导热性制热量COP冷凝压力排气温度可燃性流动性图1热泵工质选择原则F i g.1 S e l e c t i o n p r i n c i p l e o f h e a t p u m p w o r k i n g f l u i d表2替代工质基础物性及环保性能参数T a b l e2 B a s i c p h y s i c a l p r o p e r t i e s a n d e n v i r o n m e n t a l p e r f o r m a n c e p a r a m e t e r s o f s u b s t i t u t e w o r k i n g f l u i d s新工质组元及质量比例分子质量/(k g㊃k m o l-1)t c/ħp c/M P a O D P GW P(100a) R T Y U T-1R1233z d(E)/R1234z e(Z)(0.15:0.85)116.24118.483.7701R T Y U T-2R600a/R1233z d(E)(0.70:0.30)67.05134.903.59015.44R T Y U T-3R600a/R1233z d(E)/R600(0.01:0.15:0.84)63.39150.933.7603.71R T Y U T-4R600a/R1233z d(E)/环氧乙烷(0.34:0.01:0.65)48.35166.325.7407.46R T Y U T-5R1233z d(E)/R1234z e(Z)/R245c a/R600a(0.39:0.58:0.01:0.02)117.74132.253.8808.53为了研究新工质替代R245f a的潜力,模拟分析比较了新工质与R245f a在基础热物性方面的差别,并比较了新工质在C O P㊁单位容积制热量㊁排气温度㊁冷凝压力和温度滑移等循环特性的差别,对新工质的可燃性进行估算,为指导工质的安全使用提供参考㊂1基础热物性工质的热物性参数影响工质的流动和换热过程,为研究新工质的替代性能,本文对所提出的工质的热物性参数进行理论分析,主要包括比定压热容㊁冷凝热等热力参数和液体黏度㊁密度和导热系数等物性参数㊂显热作为冷凝器换热的一部分,比定压热容直接影响放出的显热,比定压热容越大,过热蒸汽降低相同的温度所放出的热量越多㊂从图2中可以看出,在70~110ħ范围内,R T Y U T-2㊁R T Y U T-3和R T Y U T-4的比定压热容显著高于R245f a,在110ħ时,分别是其232.8%㊁193.1%和165.7%,可能原因是其组分中含有比定压热容较高的工质R600a 和R600.R T Y U T-1和R T Y U T-5的比定压热容也略高于R245f a,分别是R245f a的100.5%和101%以上,但对比上述3种混合工质相对较小,可能原因是含有低比定压热容组分R1233z d(E)较多㊂液体黏度会影响工质的流动状态,工质在管道内流动阻力大,同时黏度越大,工质在管中的热边界层就越厚,换热越差㊂从图3(a)中可以看出, R245f a的黏度最大,热边界层最厚,R600a黏度最小,热边界层最小,5种替代工质从R T Y U T-1到R T Y U T-5的液体黏度依次是R245f a的72.7%㊁44.7%㊁52.1%㊁79.5%和72.9%,相比于传统工质R245f a换热能力都具有显著优势㊂349第5期冯彪,等:新型高温热泵混合工质替代R245f a的性能研究Copyright©博看网. All Rights Reserved.R245faR1233zd （E ）R600R600a环氧乙烷R1234ze （Z ）2.62.42.22.01.81.61.41.21.00.8相对定压比热708090100110冷凝温度/ ℃RTYUT -1RTYUT -42.32.22.12.01.91.81.71.61.51.00.9相对定压比热708090100110冷凝温度/ ℃RTYUT -2RTYUT -5RTYUT -3R245fa（a ）（b ）图2 相对定压比热随温度的变化关系F i g .2 R e l a t i v e c o n s t a n t p r e s s u r e s pe c if i c h e a t a s a f u n c t i o n o f t e m pe r a t u r e 在冷凝换热过程中,液膜的导热系数会影响热量传递[18],液态工质的导热系数越大,促进传热越好㊂从图3(b )可以看出,R T Y U T -3和R T Y U T -4导热系数远高于工质R 245f a ,分别是其115%和144%以上,其余3种替代工质由于低导热系数组分R 1233z d (E )含量较高且无高导热系数组分R 600和环氧乙烷,导致混合工质导热系数相对较低,其值与R 245f a 接近㊂液体密度大,液膜的厚度越小,有利于传热过程的进行[19]㊂从图3(c )可以看出,R 1233z d (E )和R 1234z e (Z )的密度在R 245f a 的85%以上,R T Y U T -1和R T Y U T -5组分中含上述两种工质较多,导致其密度也在R 245f a 的85%以上,110ħ时,5种替代工质从R T Y U T -1到R T Y U T -5的相对液体密度分别是R 245f a 的89.1%㊁45.0%㊁44.2%㊁60.1%和87.1%.冷凝热的大小代表单位质量工质冷凝时所放出的潜热,冷凝热越大,放热能力也就越强㊂混合工质冷凝热的计算方法是由单工质冷凝热质量加权计算得来㊂从图4中可以看出,5种工质的冷凝热都高于R 245f a ,因R 600和R 600a 冷凝热较大,除R T Y U T -1和R T Y U T -5是R 245f a 的106%以上外,其余替代工质是其150%以上,对于R T Y U T -1和R T Y U T -5其组分R 1233z d (E )和R 1234z e (Z )冷凝热与R 245f a 接近,导致其冷凝热与R 245f a 接近㊂RTYUT -1RTYUT -51.00.90.80.70.60.50.4相对液体黏度708090100110冷凝温度/ ℃RTYUT -2R245fa RTYUT -3R600RTYUT -4环氧乙烷R1233zd （E ）R600a R1234ze （Z ）（a ）RTYUT -1RTYUT -51.81.61.41.21.0相对液体导热系数708090100110冷凝温度/ ℃RTYUT -2R245fa RTYUT -3R600RTYUT -4环氧乙烷R1233zd （E ）R600aR1234ze （Z ）（b ）RTYUT -1RTYUT -51.00.90.80.70.60.50.40.3相对液体密度708090100110冷凝温度/ ℃RTYUT -2R245fa RTYUT -3R600RTYUT -4环氧乙烷R1233zd （E ）R600a R1234ze （Z ）（c ）图3 液体特性随温度的变化F i g .3 V a r i a t i o n o f l i q u i d c h a r a c t e r i s t i c s w i t h t e m pe r a t u r e 环保性是选取工质的重要因素,为表明新工质的优良环保性能,与传统工质R 245f a ㊁R 245c a 和R 152a 进行对比,新工质的O D P 值都为0,由图5可知,新工质的GW P 值均小于20,且远小于R 245f a 的GW P 值,环保性良好㊂本节对新工质的基础热物性进行理论分析,发现所提出的5种新工质除密度外,黏度㊁定压比热㊁449太原理工大学学报 第54卷Copyright ©博看网. All Rights Reserved.导热系数和冷凝热等参数在流动和换热方面相较于R 245f a 具有一定优势㊂RTYUT -1RTYUT -43.02.82.62.42.22.01.81.61.41.21.00.8相对冷凝热708090100110冷凝温度/ ℃RTYUT -2RTYUT -5RTYUT -3R245fa图4 相对冷凝热随温度变化规律F i g .4 V a r i a t i o n o f r e l a t i v e c o n d e n s a t i o n h e a t w i t h t e m pe r a t u r e 1 000800600400200G W PR T YU T -115.44R T Y U T -2R T Y U T -3R T Y U T -4R TY U T -5R 600aR 245f a R 245c a R 152a 13.717.468.5320138716858图5 工质GW P 值对比F i g .5 C o m p a r i s o n o f GW P v a l u e s o f w o r k i n g fl u i d s 2 循环性能2.1 热泵原理及计算模型热泵系统是利用少量的电能就可以获得较大的供热量㊂图6为热泵循环的原理图,其中实际循环为1-2-a -b -c -3-4-5-1,为计算方便往往做如下假设:1)忽略蒸发器和冷凝器中流体流动过程中的压降㊂2)压缩过程不是等熵过程,存在等熵效率,且忽略吸排气时的吸气损失和排气损失㊂3)节流过程为绝热节流㊂4)忽略系统与环境的热损失㊂本文理论循环分析采用的是简化后的循环为2'-3ᵡ-4'-5-2',性能参数计算方法为:压缩结束的焓值:h 3ᵡ=h 2'+h 3'-h 2'ηs .(1)lg phba c3211′2′3′3″44′5图6 热泵循环原理图F i g .6 H e a t p u m p c y c l e s c h e m a t i c d i a gr a m 单位质量制热量:q h =h 3ᵡ-h 4'.(2)单位容积制热量:q v =q hv 2'.(3)实际压缩功:w =h 3ᵡ-h 2'.(4)C O P 值:C O P =q hw.(5)式中:ηs 为等熵效率,本文假设ηs 取为0.8;h 2'为压缩机入口焓值,k J /k g,其值由蒸发压力与过热温度下的等温线交点的焓值确定;h 3'为等熵压缩结束点的焓值,k J /k g ,其值由冷凝压力下的等压线与2'的等熵线的交点焓值确定;h 3ᵡ为实际压缩过程焓值,k J /k g ;h 4'为过冷状态点的焓值,k J /k g ,其值由冷凝压力与过冷温度下的等温线的交点的焓值确定;v 2'表示进压缩机时的比体积,m 3/k g.2.2 循环性能比较本文对优选替代工质与传统工质R 245f a ㊁R 600㊁环氧乙烷㊁R 600a 和环保工质R 1233z d (E )㊁R 1234z e (Z )的循环特性进行比较㊂研究工况的确定依据:基于工业废水的温度一般在20~70ħ,本文选择蒸发温度为50ħ[17],高温热泵要求其出水温度在65ħ以上,本文选择其冷凝温度在70~110ħ的范围内变化,过热度和过冷度均取5ħ,研究的性能参数包括C O P ㊁单位容积制热量㊁排气温度㊁冷凝压力和温度滑移㊂本文基于2.1中理论计算模型,采用E X C E L调取R E F P R O P 10中不同组元工质的基本物性参数,在上述设定工况下进行理论循环分析㊂R E F -549 第5期 冯 彪,等:新型高温热泵混合工质替代R 245f a 的性能研究Copyright ©博看网. All Rights Reserved.P R O P 是基于目前可用的精确纯流体和混合流体模型㊂混合物计算采用混合规则适用的混合物组分亥姆霍兹能量模型,它使用偏离函数来说明与理想混合的偏离[7]㊂所有性能比较均以同工况下R 245f a参数为基准㊂C O P 值越大,意味着在相同的制热条件下,所消耗的电能越少㊂从图7中可以看出,在冷凝温度大于85ħ时,工质R T Y U T -1和R T Y U T -4的C O P 值优于R 245f a ,且R T Y U T -4替代优势最大,110ħ时C O P 分别可提升2.5%和10%.冷凝温度在70~100ħ范围内变化时,R T Y U T -3和R T Y U T -5的C O P 亦在R 245f a 的94%以上㊂在冷凝温度70ħ时,工质R T Y U T -5的C O P 值最小,而R 1233z d (E )和R 1234z e (Z )的C O P 在R 245f a 的100.5%以上,R T Y U T -1和R T Y U T -5两种混合工质中组元R 1233z d (E )和R 1234z e (Z )含量都很大,对比R T Y U T -1,R T Y U T -5的C O P 值小的原因是少量的R 600a 和R 245c a 的加入改变了其循环特性,使其C O P 值对温度的依赖关系增强,且在低冷凝温度下对C O P 值降低显著,不过也在R 245f a 的89.1%以上㊂其余所有替代工质在70ħ与R 245f a 的C O P 都非常接近,R T Y U T -2的相对C O P 值随冷凝温度的增加逐渐减少,在110ħ时达到R 245f a的89.7%.1.201.151.101.051.000.950.90相对C O P 708090100110冷凝温度/ ℃RTYUT -1RTYUT -2RTYUT -3RTYUT -4RTYUT -5R245faR600环氧乙烷R1233zd （E ）R600a R1234ze （Z ）图7 相对C O P 随冷凝温度的变化F i g .7 R e l a t i v e C O P a s a f u n c t i o n o f c o n d e n s a t i o n t e m pe r a t u r e 单位容积制热量影响着压缩机尺寸,在相同的换热条件下,单位容积制热量越大,压缩机的尺寸越小[20],同时对于可燃工质,高容积制热量也意味着可充入更少的工质来满足换热要求,间接减少工质可燃带来的危险㊂从图8中可以看出除R 1233z d (E )外,其余纯工质单位容积制热量值都较R 245f a 高,而所有替代工质中R T Y U T -2和R T Y U T -5的R 1233z d (E )的含量较高,但R T Y U T -2其单位容积制热量超过其组分的任何一种,可知将R 600a 与R 1233z d (E )混合具有增强单位容积换热量的优势;而R T Y U T -5其单位容积换热量介于R 1233z d (E )与R 1234z e (Z )之间,且更偏向于组分更大的R 1234z e (Z ).5种替代工质的单位容积制热量都高于R 245f a ,在冷凝温度为110ħ时,R T Y U T -1到R T Y U T -5的单位容积制热量值分别是R 245f a 的110.7%㊁143.9%㊁124.5%㊁144.2%和108.2%.RTYUT -1RTYUT -2RTYUT -3RTYUT -4RTYUT -51.61.51.41.31.21.11.00.90.8相对单位容积制热量708090100110冷凝温度/ ℃R245fa R600环氧乙烷R1233zd （E ）R600aR1234ze （Z ）图8 相对单位容积制热量随冷凝温度的变化F i g .8 V a r i a t i o n o f r e l a t i v e u n i t v o l u m e h e a t i n gw i t h c o n d e n s a t i o n t e m pe r a t u r e 排气温度由循环过程冷凝压力与压缩机出口焓值的交点确定,过高的排气温度不仅会降低润滑油的黏度,加速部件的磨损,严重时甚至会导致润滑油分解[21],并且会影响压缩机温度系数,导致吸气量减少㊂一般要求热泵排气温度低于130ħ,从图9中可以看出,除R T Y U T -4外其余工质排气温度都满足要求,远小于130ħ,具有向更高冷凝温度发展的潜力㊂R T Y U T -4的排气温度最高,且在冷凝温度超过105ħ时,其排气温度超过130ħ,R T Y U T -4可在冷凝温度相对较低或在压缩机能适应更高温度的情况下使用㊂RTYUT -1RTYUT -2RTYUT -3RTYUT -4RTYUT -5R245fa160150140130120110100908070排气温度/ ℃708090100110冷凝温度/ ℃R600环氧乙烷R1233zd （E ）R600a R1234ze （Z ）图9 排气温度随冷凝温度的变化情况F i g .9 C h a n g e o f e x h a u s t t e m pe r a t u r e w i t h c o n d e n s a t i o n t e m pe r a t u r e 649太原理工大学学报 第54卷Copyright ©博看网. All Rights Reserved.冷凝压力过高对系统部件的要求越高,压力要在系统的承受范围内,一般要求冷凝压力要小于2.5M P a [22].从图10中可以看出,在冷凝温度小于110ħ时,所有工质的冷凝压力都小于2.5M P a,除R T Y U T -2外其余替代工质冷凝压力远低于2.5M P a ,在更高冷凝温度时也可安全使用㊂R T Y U T -2冷凝压力在冷凝温度110ħ时已接近2.5M P a,为保证安全,可使用在相对较低冷凝温度的场合㊂RTYUT -1RTYUT -2RTYUT -3RTYUT -4RTYUT -5R245fa2.52.01.51.00.5冷凝压力/ M P a708090100110冷凝温度/ ℃R600环氧乙烷R1233zd （E ）R600a R1234ze （Z ）图10 冷凝压力随冷凝温度的变化趋势F i g .10 T r e n d o f c o n d e n s i n g p r e s s u r e w i t h c o n d e n s i n g t e m pe r a t u r e 从图11中可以看出,R T Y U T -1㊁R T Y U T -2和R T Y U T -3温度滑移接近0ħ,R T Y U T -4和R T Y U T -5温度滑移大于1ħ,但都属于近共沸混合物,补充工质方便,且不用对换热器进行重新设计[23]㊂RTYUT -1RTYUT -2RTYUT -32.52.01.51.00.50温度滑移/ ℃708090100110冷凝温度/ ℃RTYUT -4RTYUT -5图11 温度滑移随冷凝温度的变化规律F i g .11 T e m p e r a t u r e g l i d e w i t h c o n d e n s a t i o n t e m pe r a t u r e 上述新工质的C O P 基本维持在R 245f a 的90%以上,且单位容积制热量远高于R 245f a,排气温度㊁冷凝压力和温度滑移特性也满足要求,因此它们作为R 245f a 的替代品均具有良好的循环性能㊂3 替代工质的可燃性预测工质的可燃性严重影响其安全使用,所以需对新型混合工质的可燃性进行分析评估㊂目前可燃工质最小抑爆浓度的估算主要采用基团贡献法,而基团贡献法是建立在分子性质具有可加性给出的[24],此处指不同分子中阻燃基团对工质可燃性的抑制或促进能力相同㊂c i n m i n =0.21l n 0.05v 0(c s t -100)Φ-0.21l n0.05v 0.(6)式(6)为阻燃工质对可燃工质的最小抑爆浓度计算式[25]㊂式中:v 0表示可燃工质最大火焰传播速度,m /s ;c s t 表示可燃工质的浓度,%;Φ表示阻燃剂的总抑制指数,由式(7)[26]可得;c i n m i n 表示阻燃工质的最小抑爆浓度,%.表3给出了可燃工质的火焰传播速度和化学计量浓度值;表4给出了不同基团的抑制系数,除C l表3 可燃组元工质的火焰传播速度[25]T a b l e 3 F l a m e p r o p a g a t i o n s pe e d of c o m b u s t i b l e c o m p o n e n t w o r k i ng fl u i d 名称物质的量浓度(c s t)/%火焰传播速度(v 0)/(c m ㊃s -1)R 6003.1243R 600a3.1235R 1234z e (Z)7.7510表4 不同基团对可燃性的抑制系数[26-27]T a b l e 4 I n h i b i t i o n c o e f f i c i e n t s o f d i f f e r e n tg r o u p s o n f l a mm a b i l i t y基团HC C F 3C H F 2FC l抑制系数-0.3-0.72.71.51.12.7外不同基团的抑制系数由文献[26]给出,C l 的抑制系数由文献[27]R 123对甲烷最小抑爆浓度实验数据反推得出;式(7)给出了阻燃工质抑制指数计算公式[26],其中Φ表示工质总抑制指数,φ和n 分别表示对应基团抑制系数和数量㊂Φ=n c φc +n H φH +n F φF +n C H F 2φC H F2+n C F 3φC F 3+n C l φCl .(7)R T Y U T -1中含工质R 1234z e (Z ),计算中会用到其火焰传播速度,因为没有直接的试验数,所以此处根据其安全等级选取其可能最大值㊂R 1234z e (Z )为A 2L 类制冷剂,‘制冷剂的命名与安全分级“规定A 2L 级别的工质最大火焰传播速度小于10c m /s [28],本文取其为10c m /s,这种假设会使得最小抑爆浓度值变大㊂基团贡献法并未给出混合工质的抑制指数的计算,对其基于上述方法对R T Y U T -1到R T Y U T -5的可燃性进行估计,表5给出了计算结果,而本文对于R T Y U T -5的最小抑爆浓度计算时忽略了质量分数含量很低的阻燃工质R 245c a ,这种假设也会使最小抑爆浓度值偏高㊂对于混合工质的火焰传播速度,本文采用文献[29]中混合物燃烧速749 第5期 冯 彪,等:新型高温热泵混合工质替代R 245f a 的性能研究Copyright ©博看网. All Rights Reserved.度计算方法2的方式计算㊂从表5中可知,R T Y U T -1㊁R T Y U T -2和R T Y U T -5预估为不可燃的,而R T Y U T -3和R T Y U T -4是可燃的,实际可燃性还需后续进一步试验测试得到㊂表5 替代工质安全性T a b l e 5 S a f e t y o f s u b s t i t u e w o r k i n g fl u i d s 替代工质R 1233z d (E )抑制指数R 245c a 抑制指数最小抑爆浓度/%阻燃工质体积分数/%可燃性预估R T Y U T -13.4-<3.7913.36不可燃R T Y U T -23.4-10.3916.03不可燃R T Y U T -33.4-11.357.29可燃R T Y U T -43.4--<1可燃R T Y U T -53.42.5<4.5635.18不可燃4 结论本文通过对高温热泵替代工质与现有工质综合性能的比较,可以得到如下结论:1)提出了5种循环性能优良的高温热泵工质,即R T Y U T -1至R T Y U T -5通过对替代工质的基础热物性进行理论分析,发现这5种替代工质在黏度㊁比定压热容㊁导热系数和冷凝热等性能参数相较于R 245f a 均具有优势,环保性能明显优于R 245f a .2)5种替代工质的C O P 与R 245f a 的非常接近,均在89%以上,单位容积制热量远高于R 245f a,最大提升44.3%.3)通过对R T Y U T -1至R T Y U T -5等5种替代工质的最小抑爆浓度进行理论估算得到R T Y U T -1㊁R T Y U T -2和R T Y U T -5可能为不可燃工质㊂参考文献:[1] 孙健,马世财,霍成,等.碳中和目标下热泵技术应用现状及前景分析[J ].华电技术,2021,43(10):22-30.S U N J ,MA S C ,HU O C ,e t a l .A p p l i c a t i o n s t a t u s a n d p r o s p e c t a n a l y s i s o f h e a t p u m p t e c h n o l o g y un d e r t h e g o a l o f c a r b o n n e u t r a l i t y [J ].H u a d i a n T e c h n o l o g y,2021,43(10):22-30.[2] 王庆一.2020能源数据[M ].北京:绿色创新发展中心,2021.[3] 余裕璞.能量梯级利用与供热节能研究[D ].北京:华北电力大学(北京),2019.[4] P I E T Z C K E R R C ,O S O R I O S ,R O D R I G U E S R.T i g h t e n i n g E U E T S t a r g e t s i n l i n e w i t h t h e E u r o p e a n G r e e n D e a l :I m pa c t s o n t h e d e c a rb o n i z a t i o n o f t h e E U p o w e r s ec t o r [J ].A p p l i ed E ne r g y,2021,293:116914.[5] 中华人民共和国生态环境部.我国正式接受‘<关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书>基加利修正案“[E B /O L ].[2021-06-21]h t t p :ʊw w w.m e e .g o v .c n /y w d t /h i gw n e w s /202106/t 20210621_841062.s h t m l .[6] MY H R E G ,S H I N D E L L D ,B R ÉO N F M ,e t a l .A n t h r o p o g e n i c a n d N a t u r a l R a d i a t i v e F o r c i n g[C ]ʊS T O C K E R T F ,Q I N D ,F L A N E R G ,e t a l .C l i m a t e C h a n g e 2013:T h e P h y s i c a l S c i e n c e B a s i s .C o n t r i b u t i o n o f W o r k i n g G r o u p It o t h e F i f t h A s s e s s -m e n t R e p o r t o f t h e I n t e r g o v e r n m e n t a l P a n e l o n C l i m a t e C h a n g e ,C a m b r i d g e :C a m b r i d g e U n i v e r s i t y Pr e s s ,2013.[7] L E MMO N E W ,B E L L I H ,HU B E R M L ,e t a l .N I S T s t a n d a r d r e f e r e n c e d a t a b a s e 23,N I S T r e f e r e n c e f l u i d t h e r m o d yn a m i c a n d t r a n s p o r t p r o p e r t i e s ,v e r s i o n 10.0[C P ].S t a n d a r d R e f e r e n c e D a t a P r o gr a m ,N a t i o n a l I n s t i t u t e o f S t a n d a r d s a n d T e c h n o l o -g y :G a i t h e r s b u r g,M D ,2018.[8] 刘瑶瑶,张迪,卢朋,等.高温热泵工质研究进展[J ].浙江化工,2020,51(7):6-9.L I U Y Y ,Z H A N G D ,L U P ,e t a l .R e s e a r c h p r o g r e s s o f h i g h t e m p e r a t u r e h e a t p u m p w o r k i n g f l u i d [J ].Z h e j i a n g Ch e m i c a l I n -d u s t r y,2020,51(7):6-9.[9] 中华人民共和国生态环境部.一图读懂‘<关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书>基加利修正案“[E B /O L ].[2021-06-21].h t t p s :ʊw w w.m e e .g o v .c n /y v v g z /d g h j b h /x h c y c w z h j gl /20210621_841063.s h t m l .[10] MO L ÉS F ,N A V A R R O -E S B R ÍJ ,P E R I S B ,e t a l .L o w GW P a l t e r n a t i v e s t o H F C -245f a i n o r g a n i c r a n k i n e c yc l e s f o r l o w t e m p e r a t u r e h e a t r e c o v e r y :H C F O -1233zd -E a n d H F O 1336m z z -Z [J ].A p p l ie d T h e r m a l E n g i n e e r i n g,2014,71(1):204-212.[11] 戴国桥,尚金漫,郭智恺,等.绿色制冷剂R 600a [J ].浙江化工,2001(2):3-4.D A I G Q ,S HA N G J M ,G U O Z K ,e t a l .G r e e n r e f r i g e r a n t R 600a [J ].Z h e j i a n g C h e m i c a l I n d u s t r y,2001(2):3-4.[12] 徐雄冠.R 245c a -R 11潜在的远期替代工质[J ].低温与特气,1994(1):55-60.X U X G.P o t e n t i a l l o n g -t e r m a l t e r n a t i v e w o r k i n g f l u i d f o r R 245c a -R 11[J ].L o w T e m p e r a t u r e a n d S pe c i a l G a s ,1994(1):55-60.[13] 胡晓微,张蓓,董胜明.非共沸混合工质应用于复叠式高温热泵系统低温回路的试验研究[J ].节能,2022,41(2):39-43.HU X W ,Z H A N G B ,D O N G S M.E x p e r i m e n t a l s t u d y o n a p p l i c a t i o n o f n o n -a z e o t r o p i c m i x e d w o r k i n g me d i u m i n l o w -t e m -p e r a t u r e c i r c u i t of c a s c a d e h igh -t e m p e r a t u r e h e a t p u m p s y s t e m [J ].E n e r g y Co n s e r v a t i o n ,2022,41(2):39-43.849太原理工大学学报 第54卷Copyright ©博看网. 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R22替代制冷剂研究进展R22是一种广泛应用于制冷、空调和热泵系统中的制冷剂。

然而，因为R22在大气中的影响，尤其是对臭氧层的破坏作用，已经引起了全球范围内的关注。

根据蒙特利尔议定书和其后的其他国际协议，全球开始逐步淘汰R22制冷剂，并寻找替代品来满足这些应用的需求。

下面将介绍一些R22替代制冷剂的研究进展。

1.R410AR410A是广泛认可的R22替代品之一、它是一种混合制冷剂，由R32和R125两种氟利昂化合物组成。

R410A比R22具有更低的全球变暖潜势和零臭氧破坏潜势。

因此，R410A被广泛用于新的制冷系统和设备中。

2.R407CR407C是另一种常用的R22替代制冷剂。

它是由R32、R125和R134a 组成的三元混合气体。

R407C在性能和工作条件上与R22非常接近，可以直接替代R22而无需系统改装。

然而，与R410A相比，它具有较高的全球变暖潜势和零臭氧破坏潜势。

3.R32R32是一种新型的单一组分制冷剂，被认为是R22的更可持续替代品之一、它具有较低的全球变暖潜势和零臭氧破坏潜势。

R32还具有良好的传热性能和较高的冷冻能力。

然而，由于R32的易燃性，需要在使用时采取特殊的安全措施。

4.R290除了上述替代品，还有其他一些制冷剂也在研究和开发中，用于取代R22、例如，R32和R113的混合物(R32/R113)、R450A是由R32、R1234yf 和R1234ze(E)组成的混合物等。

这些替代品在兼容性、性能和环境指标等方面都有一定的优点，但还需要进一步的研究和验证。

总而言之，当前对于R22替代制冷剂的研究主要集中在R410A、R407C、R32和R290等替代品上。

这些替代品在环境友好性、性能表现和可持续性方面都有不同的优势和限制。

未来的研究将继续探索新的替代品和改进现有替代品的性能，以满足制冷、空调和热泵系统的需求。

新型制冷剂R1234yf的性能分析
刘圣春;饶志明;杨旭凯;李叶
【期刊名称】《制冷技术》
【年(卷),期】2013(000)001
【摘要】本文先介绍目前对制冷剂选择的要求，然后从热物理性质、材料兼容性、溶油性、热工性能等几个方面，比较新型制冷剂R1234yf与R32、R22及R717
的优劣，讨论新型制冷剂在减排、安全、节能要求下发展前景。

【总页数】5页(P56-59,75)
【作者】刘圣春;饶志明;杨旭凯;李叶
【作者单位】天津商业大学天津市制冷技术重点实验室，天津 300134;天津商业
大学天津市制冷技术重点实验室，天津 300134;天津商业大学天津市制冷技术重
点实验室，天津 300134;天津商业大学天津市制冷技术重点实验室，天津 300134【正文语种】中文
【相关文献】
1.混合制冷剂R134a/R1234yf(R513A)与R134a热力学性能对比及实验 [J], 杨梦;张华;秦延斌;孟照峰
2.制冷剂R1234yf物性及应用发展研究 [J], 宋明浩;张铁臣;汪琳琳
3.R1234yf制冷剂配套用冷冻机油的研制 [J], 王凯明;白生军;周勇;王燕;张霞玲;魏峰
4.R1234yf汽车空调制冷剂的理论循环性能分析 [J], 孙维栋;张鹏;张昌
5.采用R1234yf制冷剂的汽车超低温强化补气热泵空调性能 [J], 刘雨声;李万勇;
张立;施骏业;陈江平
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R123和R134a分析关于空调机组制冷剂的说明前言：基于保护大气臭氧层和全球气候变暖的需要，选择制冷剂时，应对以下特性进行综合评价：1）消耗臭氧潜能值（ODP）2）全球变暖潜能值（GW）P3）性能系数（COP）4）大气寿命；5）安全性；6）密封性7）经济性目前，离心冷水机组采用的制冷剂有R123、R134a。

R123 属于氢氯氟烃（HCFC）s ，R134a属于氢氟烃（HFCs）。

两种制冷剂都是过渡时期的制冷剂，都不完美，但都是目前可以使用的。

一 . 综合分析 R123及 R134a优劣特灵使用的R123冷媒为国家认可的鉴于臭氧消耗潜能值ODP及全球变暖潜能值GWP之间取得最佳平衡的环境友好冷媒，具有如下特点：R123冷媒的消耗臭氧潜能值（ODP）极低，仅为0.012 ，远远低于国家规定的0.11 ；R123冷媒对全球变暖的影响极小，其直接的和间接的全球变暖潜能值（GW）P 为76，远低于R134a的GWP值1320；R123冷媒为负压冷媒，泄漏率0.4575 % ，远低于中高压冷媒R134a的5～7%；R123冷媒大气寿命短，仅为 1.4 年，而R134a的大气寿命为14 年，因此对环境的综合影响作用远小于R134a；特灵三级压缩离心式冷水机组（R123）具有业界最高的运行效率，间接环境影响最小；鉴于R123冷媒的低压特性，典型的机组泄露现场暴露浓度低于12ppm，远低于400ppm的安全上限，因此2004年第8 期《中国标准化》修改了对R123冷媒的毒性认识；关于 R123可用性说明：大气臭氧层消耗和全球气候变暖是与空调制冷行业相关的二项重大环保问题。

单独强调制冷剂的消耗臭氧层潜能值（ODP）或全球变暖潜能值（GW）P 都是不全面与科学的。

国标《制冷剂编号方法和安全性分类》（GB/T 7778）定义了制冷剂的环境指标。

国标《制冷剂编号方法和安全性分类》GB/T 7778-2008 采用综合评估方法来评估制冷剂对环境影响，通过制冷剂的ODP、GW、P 大气寿命等现有数据，按公式（1）规定的计算方法进行评估。

《高温热泵中R245fa的环保替代工质研究》篇一一、引言随着全球环境问题的日益严峻，环境保护与可持续发展成为了当今世界面临的重要议题。

在制冷和热泵技术中，传统的氟氯烃类工质（如R22、R134a等）因对大气臭氧层的破坏作用，正逐渐被淘汰。

因此，研究和开发环保替代工质显得尤为重要。

R245fa作为一种新型的环保工质，因其具有优良的热力学性能和环保特性，被广泛关注并应用于高温热泵系统中。

本文旨在研究高温热泵中R245fa的环保替代工质，为推动制冷和热泵技术的绿色发展提供理论支持和实践指导。

二、R245fa的物理化学性质及其应用R245fa，即氟化亚甲基戊烷，是一种具有较低全球变暖潜能值（GWP）的环保型工质。

其物理化学性质如沸点、临界温度等使得它成为高温热泵系统的理想工质。

在高温热泵系统中，R245fa能够有效地传递热量，提高系统的能效比，同时降低对环境的负面影响。

三、R245fa的环保优势相较于传统的氟氯烃类工质，R245fa具有以下环保优势：1. 低全球变暖潜能值（GWP）：R245fa的GWP值较低，意味着它在大气中的温室效应较小，对全球气候的影响较小。

2. 无臭氧层破坏潜能：R245fa不含有对大气臭氧层具有破坏作用的氯氟烃，因此不会对地球的保护层造成损害。

3. 较低的环境风险：R245fa的生物累积性和毒性较低，对生态环境和人体健康的影响较小。

四、高温热泵中R245fa的应用研究在高温热泵系统中，R245fa的应用研究主要集中在以下几个方面：1. 系统性能：研究表明，在高温热泵系统中使用R245fa可以提高系统的能效比，降低系统的运行成本。

2. 传热性能：R245fa具有较好的传热性能，能够有效地传递热量，提高系统的热效率。

3. 替代方案：针对不同类型的高温热泵系统，研究R245fa的替代方案，以实现系统的优化和升级。

五、实验研究与结果分析为了进一步研究高温热泵中R245fa的环保替代工质，我们设计了一系列实验。

用于高温热泵蒸汽系统的几种工质的循环性能刘炳伸;龚宇烈;陆振能;姚远【摘要】建立了高温热泵蒸汽系统的热力学模型.在蒸发温度为60℃,冷凝温度为120～140℃的工况下,进行经过初步筛选的4种高温热泵纯工质(R123,R141b,R245ca,R245fa)和传统高温热泵工质(R114)的循环性能对比研究.结果表明.R245fa的综合循环性能良好,单位容积制热量最高,其性能系数(COP)比R114平均高13.65％,压缩比与R114最接近;在符合干压缩要求的前提下,排气温度较低,而且环境友好,可作为高温热泵蒸汽系统的工质.【期刊名称】《可再生能源》【年(卷),期】2015(033)012【总页数】7页(P1755-1761)【关键词】高温热泵蒸汽系统;工质;单位容积制热量;能效系数【作者】刘炳伸;龚宇烈;陆振能;姚远【作者单位】中国科学院广州能源研究所,中国科学院可再生能源重点实验室,广东广州510640;中国科学院大学,北京100049;中国科学院广州能源研究所,中国科学院可再生能源重点实验室,广东广州510640;中国科学院广州能源研究所,中国科学院可再生能源重点实验室,广东广州510640;中国科学院广州能源研究所,中国科学院可再生能源重点实验室,广东广州510640【正文语种】中文【中图分类】TK123随着能源问题的日益严峻及节能减排政策的进一步推进，热泵技术获得更大的应用空间，高温热泵技术在国内外获得了极大关注 [1]。

日本的Super Heat Pump Energy Accumulation System项目、美国IEA热泵中心和IIR的热泵发展计划以及欧洲的大型热泵研究计划中，热泵均为重点研究内容之一 [2]。

我国许多大学和研究单位也开展了对高温热泵系统及工质的研究[3]～[9]。

热泵蒸发温度的提高可以回收利用常温热泵无法利用的大量工业余热，热泵冷凝温度的提高使热泵可直接应用于工业加热过程，这对于拥有大量工业余热资源及用能需求的我国来说，具有明显的经济效益和社会效益[10]。

第４１卷第４期V o l ．４１N o ．４２０２０青岛理工大学学报J o u r n a l o fQ i n g d a oU n i v e r s i t y o fT e c h n o l o g yR １３４a /R ２４５f a 对比R ２４５f a 高温热泵循环性能实验研究庄绪成,郭健翔∗,孙晋飞,赵向明,包思凡(青岛理工大学环境与市政工程学院,青岛２６６０３３)摘㊀要:利用螺杆式高温热泵实验台,以混合工质R １３４a /R ２４５f a (质量比３ʒ７)和纯工质R ２４５f a 为研究对象,实验研究了两种工质在高温工况下的循环性能,并进行对比分析．结果表明,混合工质R １３４a /R ２４５f a 的制热量比同工况下R ２４５f a 机组高２７ ６％~４４ ３％,C O P 值比同工况下R ２４５f a 机组低１４ ３％~２２ ８％．当冷凝器出水温度为９９ ８ħ时,混合工质R １３４a /R ２４５f a 的冷凝压力为２ １２M P a ,排气温度为１１４ ２ħ,均处在机组安全范围之内．而R ２４５f a 因具有更低的冷凝压力和排气温度,可作为冷凝器更高出水温度时的热泵工质．关键词:高温热泵;R １３４a /R ２４５f a ;R ２４５f a ;实验研究中图分类号:T B ６５７．２㊀㊀㊀文献标志码:A㊀㊀㊀文章编号:１６７３Ｇ４６０２(２０２０)０４Ｇ００８１Ｇ０６收稿日期:２０１９Ｇ０７Ｇ２４基金项目:中国可再生能源规模化发展项目(A ３ＧC S Ｇ２０１６Ｇ００７)作者简介:庄绪成(１９９４Ｇ㊀),男,山东临沂人．硕士,研究方向为高温热泵系统．E Ｇm a i l :１１０１８９４０１６＠q q ．c o m．∗通信作者(C o r r e s p o n d i n ga u t h o r ):郭健翔,男,博士,教授．E Ｇm a i l :j i a n x i a n g g u o ＠１６３．c o m．E x p e r i m e n t a l r e s e a r c ho n c y c l i c p e r f o r m a n c e o f h i g h t e m p e r a t u r e h e a t p u m p w i t hR １３４a /R ２４５f a i n c o m pa r i s o nw i t hR ２４５f a Z HU A N G X u Ｇc h e n g ,G U OJ i a n Ｇx i a n g ∗,S U NJ i n Ｇf e i ,Z H A O X i a n g Ｇm i n g,B A OS i Ｇf a n (S c h o o l o fE n v i r o n m e n t a l a n d M u n i c i p a l E n g i n e e r i n g ,Q i n g d a oU n i v e r s i t y o fT e c h n o l o g y ,Q i n g d a o ２６６０３３,C h i n a )A b s t r a c t :T a k i n g t h em i x e d r e f r i g e r a n tR １３４a /R ２４５f a (m a s s r a t i o ３ʒ７)a n d t h e p u r e r e f r i g Ｇe r a n tR ２４５f a a s t h e r e s e a r c ho b j e c t s a n du s i n g t h e s c r e wh i g ht e m p e r a t u r eh e a t p u m p s t e s t b e n c h ,t h i s p a p e r s t u d i e s t h e c y c l i c p e r f o r m a n c e o f t h e t w o r e f r i g e r a n t s u n d e r h i g h t e m p e r a Ｇt u r e c o n d i t i o n s ,a n d t h e e x p e r i m e n t a l d a t a a r e c o m p a r e d a n d a n a l y z e d ．T h e r e s u l t s s h o wt h a t t h e h e a t i n g c a p a c i t y o f t h em i x e d r e f r i g e r a n tR １３４a /R ２４５f a i s ２７ ６％t o４４ ３％h i gh e r t h a n t h a t o f t h e p u r e o n eu n d e r t h e s a m ew o r k i n g c o n d i t i o n ．T h eC O Pv a l u e i s １４ ３％t o２２ ８％l o w e r t h a n t h e p u r e o n eu n d e r t h e s a m ew o r k i n g c o n d i t i o n ．W h e n t h e c o n d e n s e r o u t l e t t e m Ｇp e r a t u r e r e a c h e s ９９ ８ħ,t h e c o n d e n s a t i o n p r e s s u r eo f t h em i x e d r e f r i ge r a n tR １３４a /R ２４５f a i s ２ １２M P a ,a n d t h e e x h a u s t t e m p e r a t u r e i s １１４ ２ħ,w h i c h i sw i t h i n t h e s a f e r a n ge of t h e u n i t ．T h e p u r e r e f r ig e r a n tR ２４５f a c a nb eu s e da s ah e a t p u m p r e f ri g e r a n t a t ah i g h e ro u t l e t t e m p e r a t u r eo f t h ec o n d e n s e rd u et oi t sa d v a n t a g e s i nc o n d e n s a t i o n p r e s s u r ea n de x h a u s t t e m p e r a t u r e ．K e y w o r d s :h i g h t e m p e r a t u r eh e a t p u m p ;R １３４a /R ２４５f a ;R ２４５f a ;e x p e r i m e n t a l r e s e a r c h 中高温热泵技术作为一种高效的节能技术,目前已在工业余热回收等领域得到了广泛的应用,并且发展潜力巨大[１Ｇ２],选择合适的循环工质对中高温热泵技术的应用和推广起着至关重要的作用,因此对循环２８青岛理工大学学报第４１卷工质的研究一直是一项重要的课题．近年来,H F C类工质R１３４a和R２４５f a得到了广泛的研究和应用．诸多研究和应用表明,R１３４a具有良好的热力学性能和传输特性,目前已经广泛应用于热泵机组当中．翁文兵等[３]将R１３４a和R２２应用于相同的水源热泵系统中进行实验,结果表明,R１３４a的C O P要比相同工况下R２２的C O P高５％,具有更好的节能效果．倪灏[４]提出在R１３４a中添加少量R６００a,并将混合后的工质应用于大型空气源热泵机组中,实验结果表明,应用了混合工质R１３４a/R６００a的热泵机组,制热量最多可以提升１５％,同时压比也降低了,机组运行条件得到了改善．刘靖等[５]对混合工质R１５２a/R１３４a(质量比１ʒ１)进行理论计算,发现混合工质R１５２a/R１３４a相比R２２㊁R４０７C和R４１０A具有更好的环保性能,其C O P比同工况下的R４０７C和R４１０A分别高８％和１８％,具有较好的节能效果,同时混合后的工质还有着较好的润滑特性,理论上可以作为R２２的替代工质．R２４５f a因具有良好的环保性能(０O D P㊁低GW P)㊁优良的传热特性[６],目前已经广泛应用于高温热泵和有机朗肯循环系统当中,是一种具有较好应用前景的工质[７Ｇ８]．赵兆瑞等[９]设计了一种高温蒸气热泵系统,并以R２４５f a为循环工质,经理论和实验研究表明,在蒸发温度从５０ħ上升到８５ħ的过程中,性能系数C O P和制热量都有明显增加．杨卫卫等[１０]对多种高温热泵非共沸混合工质进行了理论研究,指出混合工质R１６１/R２４５f a具有较好的热力学性能,同时在经济性和环保性上也表现优异．R１３４a和R２４５f a的基本物性如表１所示．R１３４a的单位容积制热量较高,有着不错的制热能力,但其在中高温工况下的冷凝压力和排气温度也都较高,本课题组的前期研究表明,当冷凝器出水温度为７３ħ时,冷凝压力就已经达到了２ ２５M P a,若继续提高冷凝器出水温度,冷凝压力可能会达到机组的最大承压,因此R１３４a无法满足更高冷凝器出水温度的要求．而相对R１３４a,R２４５f a有着在高温工况下冷凝压力和排气温度都较低的优点,其缺点在于单位容积制热量偏低,因此将两种工质混合可实现优势互补,且前期的理论计算表明R１３４a和R２４５f a两种工质质量比为３ʒ７时系统综合循环性能最好．本文以混合工质R１３４a/R２４５f a(质量比３ʒ７)和纯工质R２４５f a为研究对象,利用螺杆式高温热泵实验台,研究两种工质在高温工况下循环性能参数的变化规律,并将两者的实验数据进行对比分析,以期为同类的工质研究提供参考．表１㊀工质R１３４a和R２４５f a的基本物性工质相对分子量沸点/ħ临界温度/ħ临界压力/M P a O D P GW PR１３４a１０２．０３－２６．５１０１．０６４．０６０１４３０R２４５f a１３４．００１５．３１５４．００３．６５０９５０１㊀实验系统与数据获取１．１㊀实验系统介绍实验在螺杆式高温热泵实验台上进行,实验系统主要包括工质循环系统㊁水循环系统㊁数据实时测控系统等．为了模拟４０~６０ħ的工业余热温度,在蒸发器侧设置１台５５k W的风冷热泵,与蒸发侧水箱连接,并在水箱底部增设１个１２k W的辅助电加热器共同为蒸发器侧水循环系统提供热量．在冷凝器侧设置了１套加压水系统,该系统由增压泵㊁手动调节阀㊁高压水箱以及补给水箱等组成,能够保证冷凝器出水在温度超过１００ħ时仍保持液态,同时也为冷凝器侧达到更高出水温度提供了保障．冷凝侧水箱通过板式换热器与高压水系统进行换热,并且与冷却塔水系统㊁混水系统连接,为系统散除多余热量．压缩机选用R CＧ２Ｇ１４０BＧHＧS型汉钟螺杆式压缩机,最高工作压力为２ ８M P a,排气量为１３７m３/h．蒸发器采用干式壳管换热器,管程最高工作压力为１ ４M P a,壳程工作压力为１ ０M P a,换热面积为１７m３．冷凝器选用满液式壳管换热器,管程最高工作压力为１ ０M P a,壳程工作压力为２ ４M P a,换热面积为１７m３．实验系统采用的丹佛斯电子膨胀阀拥有２６２０步的调节步长,可实现阀门开度从０~１００％的无级调节,从而能够对循环工质流量和蒸发器出口过热度进行精确调控,确保实验数据的准确性．高温热泵系统如图１所示．第４期㊀㊀庄绪成,等:R １３４a /R ２４５f a 对比R ２４５f a高温热泵循环性能实验研究１．２㊀实验方案及工况设定表２㊀实验工况试验编号工质低温热源温度/ħ冷凝器出水温度/ħ１R １３４a /R ２４５f a ５０７０~１００２R １３４a /R ２４５f a ６０７０~１００３R ２４５f a ５０７０~１００４R ２４５f a ６０７０~１００㊀㊀实验以混合工质R １３４a /R ２４５f a 和纯工质R ２４５f a 为研究对象,将两种工质分别充灌于热泵机组中,通过调节各阀门开度来控制水系统流量,实验工况如表２所示,对于每种工质分别设定蒸发器侧低温热源温度５０和６０ħ,冷凝器出水温度７０~１００ħ,待工况稳定后,记录所有实验数据,并重复多次取平均值．１．３㊀数据采集和计算方法通过用L a b V I E W 软件编写的实验台数据测控程序来实现对实验数据的实时采集㊁控制和处理．采集到数据后利用式(１) (４)计算得到系统性能参数,并可以直接通过E x c e l 输出数据．系统压比:P r ＝P c P e (１)制热量:Q h ＝C p ,w m c (T w ,o u t ,c －T w ,i n ,c )(２)制冷量:Q c ＝C p ,w m e (T w ,i n ,e －T w ,o u t ,e )(３)能效比:C O P ＝Q h W (４)式中:P c 为冷凝压力;P e 为蒸发压力;C p ,w为水的定压比热容;̇m c 和̇m e 分别为冷凝器侧和蒸发器侧的水流量;T w ,i n ,c 和T w ,o u t ,c 分别为冷凝器进出水温度;T w ,i n ,e 和T w ,o u t ,e 分别为蒸发器进出水温度;W 为压缩机耗电功率,由功率表测得．实验台测控系统中采用的铠装热电偶(精度ʃ０ ５ħ)㊁压力变送器(精度ʃ０ ５％)㊁电磁流量计(精度ʃ０ ５％)㊁三相多功能数显表(精度ʃ０ ５％)等均符合精度要求,对制热量和C O P 进行间接测量误差分析,结果显示实验台测控系统精度较高,可满足实验精度要求．３８青岛理工大学学报第４１卷２㊀实验结果及数据分析２．１㊀制热量对比如图２所示,两种工质的制热量均受蒸发侧低温热源温度和冷凝器出水温度的共同影响．当固定蒸发侧低温热源时,两种工质的制热量随冷凝器出水温度的升高而降低,降低幅度略有不同．当冷凝器出水温度不变时,两种工质的制热量又随着蒸发侧低温热源温度的降低而降低．混合工质R１３４a/R２４５f a的制热量要始终高于R２４５f a,当低温热源温度为６０ħ㊁冷凝器出水温度在７０~１００ħ区间段时,混合工质R１３４a/R２４５f a的制热量要比同工况下R２４５f a高２７ ６％~４４ ３％;当冷凝器出水温度达到９９ ８ħ时,混合工质R１３４a/R２４５f a的制热量仍有９６k W,比此时R２４５f a高４４ ３％．所以在制热量上,混合工质R１３４a/ R２４５f a要明显优于R２４５f a．２．２㊀性能系数C O P对比图３展示了两种工质在不同工况下性能系数C O P的变化规律．两种工质的C O P均受低温热源温度和冷凝器出水温度的共同影响．当低温热源温度不变时,C O P随着冷凝器出水温度的升高而减小．而当固定冷凝器出水温度时,C O P又随着低温热源温度的升高而增加．以混合工质R１３４a/R２４５f a为例,固定低温热源温度６０ħ,冷凝器出水温度每升高５ħ,C O P值减小６ ８％~１５ ３％,而固定冷凝器出水温度时,低温热源从５０ħ升高到６０ħ,C O P值提高１３ ９％~１９ ６％．对比两种工质,混合工质R１３４a/R２４５f a的C O P值要始终低于同工况下R２４５f a,固定低温热源温度６０ħ,实验工况下的降幅为１４ ３％~２２ ８％,但整体上仍然处在较为合理的水平．２．３㊀压缩机耗电功率对比如图４所示,两种工质的耗电功率主要受冷凝器出水温度的影响,均随着冷凝器出水温度的升高而增大．从整体上来看,R２４５f a的耗电功率要始终低于混合工质R１３４a/R２４５f a,在低温热源为６０ħ,冷凝器出水温度７０~１００ħ时,平均降幅为４０ １％．２．４㊀冷凝压力对比图５给出了两种工质在不同工况下冷凝压力的变化规律．当低温热源温度不变时,两种工质的冷凝压力均随冷凝器出水温度的升高而增大,而低温热源温度对其影响较小．R２４５f a的冷凝压力要明显低于同工况下混合工质R１３４a/R２４５f a的冷凝压力,当固定低温热源温度６０ħ,冷凝器出水温度从７０ħ提升到４８第４期㊀㊀庄绪成,等:R１３４a/R２４５f a对比R２４５f a高温热泵循环性能实验研究１００ħ,R２４５f a的冷凝压力要比同工况下混合工质R１３４a/R２４５f a低４４ ３％~５０ ４％．在冷凝器出水温度达到９９ ８ħ时,混合工质的冷凝压力已经达到了２ １２M P a,较高的冷凝压力也限制了出水温度的继续升高．而此工况下R２４５f a的冷凝压力仅为１ １８M P a,远低于机组承压上限,因此继续提高冷凝器出水温度依然可行．２．５㊀压缩机排气温度对比图６表示压缩机排气温度的变化规律,当低温热源温度不变时,两种工质的排气温度均随冷凝器出水温度的升高而升高,而低温热源温度对其影响较小,低温热源从５０ħ升高到６０ħ,压缩机排气温度仅有略微升高．对比两种工质,固定低温热源温度６０ħ,冷凝器出水温度从７０ħ升高到１００ħ时,混合工质R１３４a/R２４５f a的排气温度要比R２４５f a高９ ３％~１１ ７％．当冷凝器出水温度为９９ ８ħ时,混合工质R１３４a/R２４５f a的排气温度就已经达到了１１４ ２ħ,而此工况下R２４５f a的排气温度仅为１０３ ４ħ,远低于压缩机的排温上限．３㊀结论利用螺杆式高温热泵实验台,对混合工质R１３４a/R２４５f a和纯工质R２４５f a在高温工况下的循环性能进行了实验研究,并对两种工质的循环性能参数进行对比分析,得到以下结论:１)两种工质的制热量均随冷凝器出水温度的升高和低温热源温度的降低而减小,总体上,混合工质R１３４a/R２４５f a的制热量明显高于同工况下R２４５f a的制热量,在出水温度为９９ ８ħ时,混合工质的制热量仍然达到了９６k W．２)两种工质的性能系数C O P也均随着冷凝器出水温度的升高和低温热源温度的降低而减小,在低温热源温度６０ħ,冷凝器出水温度７０~１００ħ时,混合工质R１３４a/R２４５f a的C O P值要比同工况下R２４５f a低１４ ３％~２２ ８％,从整体上来看,R２４５f a有更高的C O P值,因而其节能效果更好．５８６８青岛理工大学学报第４１卷３)对比两种工质,混合工质R１３４a/R２４５f a的优势在于具有较高的制热量,且当出水温度达到９９ ８ħ时,其冷凝压力为２ １２M P a,排气温度为１１４ ２ħ,也仍处在机组安全范围之内．而R２４５f a在C O P㊁冷凝压力和排气温度等方面要更具优势,因而可作为更高出水温度时的热泵工质．综上可知,两种工质在不同方面各有优缺点,在工程应用上需要根据现有条件和需求目的的不同合理选择循环工质．参考文献(R e f e r e n c e 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若干低GWP纯工质在空调系统上的应用分析
王林忠;吴献忠
【期刊名称】《制冷技术》
【年(卷),期】2016(036)003
【摘要】本文以R410A为参照,对若干低GWP纯工质R32、R290、R1270、
R161、R1234ze(E)和R1234yf,从理论循环性能、实际制冷系统应用和可燃性限制3个方面展开分析,并从排气温度、吸气侧压降、压缩机内部过热度、过冷段换热和二相流量分配等角度,进行制冷系统的应用分析.结果表明,若干纯工质的理论循环能效比均高于R410A,R161最优;R1234ze(E)和R1234yf单位容积制冷量较小,导致制冷空调系统不经济;R290和R1270充注量限制值较小,面临家用空调应用的充注量上限;R161可燃性较小没有充注量限制;R32能够适应家用和轻型商用空调领域,但GWP值高达675.
【总页数】6页(P66-71)
【作者】王林忠;吴献忠
【作者单位】江森自控楼宇设备科技(无锡)有限公司,江苏无锡214028;江森自控楼宇设备科技(无锡)有限公司,江苏无锡214028
【正文语种】中文
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