采用不同工质的中高温热泵理论循环特性

郭 涛，王怀信

(天津大学机械工程学院，天津 300072)

采用不同工质的中高温热泵理论循环特性

郭 涛，王怀信

(天津大学机械工程学院，天津 300072)

以指定工质侧相变真实平均温度计算方法为基准，考察传统的指定工质侧相变算术平均温度计算方法对循环性能参数以及工质对比评价结果的量化影响，并分析指出传统计算方法的适用条件和范围．采用指定相变真实平均温度的计算方法并结合前期研究中对压缩过程改进的计算方法，在冷凝温度80～140 ℃的工况范围内指导中高温热泵工质的筛选，筛选出20种臭氧层破坏势(ODP)为0，全球变暖势(GWP)较低的纯质和混合工质，并将筛选出的20种工质与R11和R114进行了对比．结果表明，这20种工质的环境性能和综合循环性能优于R11和R114．

中高温热泵；工质；循环特性

开展中高温热泵技术研究，具有拓展热泵节能技术的应用空间、提供工业余热资源回收利用手段的节能与环保意义．热泵技术高温化研究，已受到国内外研究机构的高度重视[1-4]．现阶段，中高温热泵技术研究的重点为基于常温热泵系统硬件，寻找环境特性和循环性能俱优的中高温热泵适用工质．

与冰箱中的R12、空调中的R22不同，中高温热泵原本不存在公认的代表性工质，尽管R11和R114曾在某些温度范围内被应用过[5]．已有的研究中，Devotta等[6]对环氟化物进行了研究；Goktun[7]在蒸发温度90,℃，冷凝温度150,℃理论筛选出了R123、R245ca、E245和E245cb等作为高温热泵工质；Rakhesh等[8]对R227和R114进行了实验研究，表明R227适宜在蒸发温度高于30,℃使用；Liebenberg等[9]在中高温热泵中利用R22/142b得到60,℃的热水；日本从1994—2001年，实施的名为“新制冷剂和其他物质研究开发”的国家项目，此项研究的结果显示，E245mc有望成为替代R114的物质，并在85～90,℃出水温度下进行了实验研究[10-11]．史琳等[3,12]利用HTR系列中高温热泵工质，HTR01、HTR04可分别产生85,℃以及80,℃的热水，在冷凝器出口水温和蒸发器进口水温之差30,℃以内，性能系数(coefficiency of performance，COP)在3.0以上．马利敏等[13-14]通过理论循环性能分析在60～140,℃的冷凝温度范围内筛选中高温热泵工质．

在以工质筛选为目标的理论循环性能研究中，一般对所有待考察工质指定相同的内循环参数(蒸发/冷凝温度、过热/冷度)，存在2种工质侧温度指定方法，一种是传统的简化计算方法——相变算术平均温度计算方法，此种方法也是已有文献[13-14]中所采用的计算方法；另一种是以热力学第二定律和卡诺定理为理论基础的相变真实平均温度(同文献[15]中的当量温度)计算方法．就纯质而言，相变算术平均温度与相变真实平均温度是一致的；而对于非共沸混合工质，由于受到相变过程温-焓关系非线性[16-17]的影响，2种平均温度之间存在差值，这时如果用简化的相变算术平均温度计算方法进行工质的理论循环性能计算，势必对循环性能参数产生影响，进而影响不同工质间的对比评价，这种影响的量化结果，以及传统简化的计算方法的适用条件和范围，将在本文的第1节做出探讨．

本文第2节中，采用指定工质侧相变真实平均温度的计算方法并结合前期研究[18]中对压缩过程改进的计算方法，在冷凝温度80～140,℃的工况范围内指导中高温热泵工质的筛选，并考虑到不同工质对不同温度区间的适应性，将考察工况进一步划分为80～110,℃以及110～140,℃的,2个温度区间，分别在2个子区间内进行中高温热泵工质的筛选．

1 计算方法

不同循环性能参数在各工况下的偏差，即偏差＝(相变算术平均温度计算方法-相变真实平均温度计算方法)/相变真实平均温度计算方法×100%．

1.1 2种不同形式的冷凝/蒸发温度

图1为纯质和非共沸混合工质的理论热泵/空调循环示意．其中，改进后的压缩过程5-5′-6′-7′的详细分析参见文献[18]．2种不同形式的冷凝/蒸发温度如下(对于纯质，其相变算术平均温度和相变真实平均温度相等)．

图1 理论热泵/空调循环示意Fig.1 Schematic diagram of theoretical cycle of heat pumps/air-conditioners

1)相变算术平均温度

冷凝温度为

1.2 空调标准工况下的考察

空调标准工况：tcond＝54.4,℃，tevap＝7.2,℃，tsub＝46.1,℃，tsuc＝18.3,℃；考察工质为商品化的非共沸空调混合工质，不同工质、不同循环性能参数偏差的计算结果见表1．

1.3 中高温热泵工况下的考察

中高温热泵代表工况：tcond＝95,℃，tevap＝55,℃，tsub＝90,℃，tsuc＝60,℃；考察工质为文献[19]中筛选出的工质M10～M12，以及本文选择的其他3种中高温热泵工质G1～G3，不同工质、不同循环性能参数的偏差的计算结果见表2．

表1 空调标准工况和传统计算方式下不同工质循环性能参数的偏差Tab.1 Deviations of performance parameters of working fluids by conventional method and under standard condition of air-conditioner

表2 中高温热泵代表工况和传统计算方式下不同工质循环性能参数的偏差Tab.2 Deviations of performance parameters of working fluids by conventional method and under typical condition of moderately high temperature heat pumps

1.4 分析讨论

(1)由表1可知，表中出现了冷凝压力偏差为0，而蒸发压力偏差不为0的情况，这是因为在计算程序中设定，当某一压力下的相变算术平均温度与相变真实平均温度间的差值小于0.1,℃时(参照表中的最后2列数值)，认为2种计算方法下的结果相同．

(2)传统的指定相变算术平均温度的简化计算方法，对理论计算的压比、单位容积制热/冷量和COP(后两者在不同工质的对比评价中作为重点考察指标给出)的影响较大，影响不同工质循环性能间的相对排序(按COP排序)．

(3)由表2中偏差的具体数值可知，蒸发压力下相变算术平均温度与真实平均温度间的差值、单位容积制热量和COPh的最大偏差出现在G1，分别为1.92,℃、7.87%和8.53%，对循环性能参数的影响在10%之内，在工程应用中是可以接受的；故在工质的相变算术平均温度与真实平均温度差值较小(本文认为小于2.0,℃)、精度要求不高的工程应用中，或当2种平均温度差值更小(本文为小于1.0,℃)的理论研究中，简化的相变算术平均温度计算方法是适用的．

(4)为保证客观性，应当采用以热力学第二定律和卡诺定理为理论基础的相变真实平均温度计算方法．而影响非共沸混合工质相变算术平均温度和真实平均温度间差值的因素，如工质的物系、配比、工况等，文献[17]中做过探讨，但影响机理需进一步研究．

2 中高温热泵工质理论循环性能

2.1 计算工具及方法

本课题组[2]的前期研究表明，PT状态方程及其混合规则[20]在中高温热泵工质的热力学性质与理论循环性能分析计算中，有较高的计算精度和较好的性能．本文以PT状态方程及其混合规则[20]作为计算工具，指定相同的工质侧相变真实平均温度以及结合前期研究[18]中对压缩过程改进的计算方法，进行理论循环性能研究．

2.2 循环工况及相关参数指定

循环流程如图1所示，考察工质的基本热物性参数见表3．对各种待考察的工质，指定相同的工质侧参数和压缩机效率为：冷凝温度80～110,℃、110～140,℃；循环温升(tevap、tcond之差)统一取为40,℃；蒸发器出口过热度以及过冷度均指定为5,℃；ηs＝0.85，ηmech=0.85，ηmotor＝0.85，ηt＝0.90．

2.3 冷凝温度80～110 ℃温度区间内10种工质的理论循环性能

表4为10种工质在80～110,℃冷凝温度工况内，典型工况下的理论循环性能计算结果；图2为10种工质在该工况区间上的变工况理论循环性能．

由表4可知，M03、M05、M07和M09的综合性能较好；M03～M05、M07～M09的综合性能也全面好于R114，单位容积制热量和COPh均高于R245fa；M01、M02和M06特色在于在COPh相差不多的情况下，相同压缩机排量下的制热量高于其他工质．

表3 工质的基本物性参数Tab.3 Thermophysical parameters of working fluids

表4 10种中高温热泵工质的理论循环性能(冷凝温度80～110 ℃)Tab.4 Teoretical cycle performances of ten working fluids for moderately high temperature heat pumps (condensing temperature 80 —110 ℃)

由图2可知，M01的冷凝压力过高，不适合应用在冷凝温度超过105,℃的工况下；其他8种混合工质和R245fa在此温度区间内，综合性能均随冷凝温度的上升而提高；M07的综合性能最优；M03、M04、M05和M08的性能也优于R114；M01、M02、M06和R245fa与R114相比则分别在制热量和COPh上具有优势．在此温度区间，M01～M09都具有作为中高温热泵工质的潜力和开展实验研究考察的价值．

2.4 冷凝温度110～140 ℃温度区间内10种工质的2.4 理论循环性能

表5为10种工质在110～140,℃冷凝温度工况区间上，典型工况下的理论循环性能计算结果；图3为10种工质在该工况区间上的变工况理论循环性能．此温度区间，对于蒸汽压缩式热泵来说是相当高的工作温度区间，不论冷凝压力还是排气温度都可能超出了目前热泵系统的承受能力，但仍有部分工质适用于此温度区间．

图2 冷凝温度80～110 ℃区间上的理论循环性能Fig.2 Theoretical cycle performances based on the condensing temperature range 80—110 ℃

表5 10种中高温热泵工质的理论循环性能(冷凝温度110～140 ℃)Tab.5 Theoretical cycle performances of ten working fluids for moderately high temperature heat pumps (condensing temperature 110—140 ℃)

由表5可知，E143、M11、M13、M15和M17排温较高，其余考察工质在此典型工况下都可以适用．所有考察工质的COPh均高于R114的，其中M13和M17的制热量较大，COPh适中；M11和M15具有较大的单位容积制热量和COPh，排温稍高；而E254cb、M10、M12、M14和M16制热量略低；E143制热量适中，COPh在所考察工质中最高；与R11相比，E143、M11、M13、M15和M17在制热量上占优势．

由图3可知，在此温度区间内，各工质的排温都处在较高的水平上，M13最高已超过150 ℃，其余工质也超过140 ℃，如果在此温度下长期运行确实存在安全隐患．但温度未必是永久的瓶颈，随着压缩机型式的改进、材料的更新和硬件制造方面的改进，这些问题有待解决．就循环性能而言，E143最优；E254cb、M10～M17的COPh均远远高于R114，制热量稍低．

图3 冷凝温度110～140 ℃区间上的理论循环性能Fig.3 Theoretical cycle performances based on condensing temperature range 110—140 ℃

3 结 论

(1)在工质的相变算术平均温度与真实平均温度差值较小(本文认为小于2.0,℃)、精度要求不高的工程应用中，或当2种平均温度差值更小(本文为小于1.0,℃)的理论研究中，简化的相变算术平均温度计算方法是适用的；但是为保证客观性，应当采用以热力学第二定律和卡诺定理为理论基础的相变真实平均温度计算方法．

(2)在冷凝温度80～110,℃温度区间内，M07的综合性能最优；M03、M04、M05和M08的性能也优于R114；M01、M02、M06和R245fa与R114相比则分别在制热量和COPh上具有优势．

在冷凝温度110～140,℃温度区间内，就循环性能而言，E143最优；相比于R114，E254cb、M10～M17给出较高的COPh，制热量稍低．如果能够解决排温高带来的问题，这几种环境友好的纯质和混合物都有潜力在此高温工况下运行．

符号说明：

t—温度，℃；

p—压力，MPa；

∆t—温度差，℃；

v—比容，m3/kg；

π—压比；

q—单位质量制热量，kJ/kg；

qv—单位容积制热量，kJ/m3；

h—比焓值，kJ/kg；

s—比熵值，kJ/(kg·K)；

COP—循环性能系数；

η—压缩机效率；

tb—正常沸点，℃；

tc—临界温度，℃；

pc—临界压力，MPa；

ε —偏差，%.

下标

evap—蒸发、蒸发器；

cond—冷凝、冷凝器；

sub—过冷；

sup—过热；

suc—吸气；

disch—排气；

arithm—算术；

actual—真实；

mech—机械；

motor—电机；

t—热；

g—滑移；

h—制热；

c—制冷.

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Theoretical Cycle Performances of Working Fluids for Moderately High Temperature Heat Pumps

GUO Tao，WANG Huai-xin
(School of Mechanical Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

A methodology of taking actual mean value of the refrigerant-side phase change temperature as the condensing/evaporating temperature was proposed for objective comparison of different working fluids for airconditioning and heat pump applications. Based on the proposed methodology, the quantitative influences of employing arithmetical mean value of the refrigerant-side phase change temperature as the conventional methodology on theoretical cycle performances and the screening quality of working fluids were investigated. The applicable conditions and ranges of the conventional methodology were also presented. Some working fluids within the condensing temperature range from 80 to 140 ℃were proposed and evaluated for moderately high temperature heat pumps. Theoretical investigations of the methodologies proposed in this paper and by the former studies related to the improved method of calculating the compression process in the compressor were carried out. Twenty appropriate recommendations with zero ozone depletion potential (ODP) and low global warming potential (GWP) values, suitable for condensing temperature above 80 ℃ were made and compared with R11 and R114. Those 20 working fluids present better environmental and cycle performances than R11 and R114. All the 20 working fluids presented in this paper have the potential to be used as working fluids for moderately high temperature heat pumps.

moderately high temperature heat pumps；working fluid；cycle performance

TB612

A

0493-2137(2010)08-0667-07

2009-04-03；

2009-08-28.

国家高技术研究发展计划(863计划)资助项目(2009AA05Z431)；国家自然科学基金资助项目(50476062).

郭 涛（1985— ），男，博士研究生，tguo_2008@tju.edu.cn.

王怀信，wanghx@tju.edu.cn.