二元混合工质MB85中高温热泵的性能

王怀信，陈清莹，潘利生

(天津大学机械工程学院，天津 300072)

近年来随着我国工业的发展，能源紧张、环境污染问题已经成为人类社会可持续发展的一项难题．中高温热泵技术可以提高能源利用率，节约能源．现阶段，中高温热泵技术的研究集中在寻找适合中高温热泵工况的环境友好型工质．早期的研究中曾以CFC11、CFC114为工质，随着环境保护受到重视，近期研究中涉及的工质则以 HCFCs非共沸混合工质为主，Nakatani等[1]对使用 HCFC-22/HFC-134,a，HCFC-22/HFC-152a，HCFC-22/HCFC-142b 和HCFC-22/HCFC-123作为工质的热泵系统进行了测试；Liebenberg等[2]和 Smit等[3]均对 HCFC-22/HCFC-142b混合工质进行了理论研究；日本新能源工业技术开发组织(New Energy and Industrial Technology Development Organization，NEDO)开发的超级热泵使用HCFC-123/HFC-134a作为工质[4]．在国内，清华大学、天津大学、上海交通大学和中科院广州能源研究所在中高温热泵领域开展过研究：李廷勋等[5]利用非共沸混合工质 HCFC-22/HCFC-142b进行中高温热泵实验研究，获得 80,℃的出水温度；王怀信[6-9]、赵力[10]、史琳[11]等研究了多种混合工质的理论计算，进行了部分实验研究．

目前，蒸汽压缩式热泵技术高温化研究在热输出温度水平方面受到系统硬件的制约．现阶段研究的主要目标为，立足于现有常温热泵系统硬件，寻求环境特性、循环性能俱优的适宜工质．

本文以理论筛选出的循环性能优良、样品可得的混合工质MB85为研究对象，以纯质HFC245fa(前期研究[12-13]中得出的优良工质)为比较对象，采用指定工质侧参数的循环性能对比实验评价研究方法[14]进行循环性能对比实验研究，考察的温度范围为冷凝温度 70～100,℃．

1 新型混合工质的提出

根据优势互补原则对由臭氧破坏潜能(ozone depletion potential，ODP)为 0 的 HFCs、HCs物质组成的多种混合物，在冷凝温度 70～100,℃范围内，采用改进性能研究方法，进行了理论循环分析，筛选得到了一种由HFCs与HCs组成的二元近共沸混合工质MB85(HC600/HFC245fa)．MB85的 ODP为 0，全球变暖潜能(global warming potential，GWP)为 963．蒸发温度 tevap＝50,℃、冷凝温度 tcond＝95,℃、过热度 5,℃、过冷度5,℃的中高温热泵工况下的理论循环性能如表 1所示(指定压缩机的气缸余隙容积系数取为0.03，电机效率、机械效率取为0.85)．

表1 MB85的循环性能参数Tab.1 Cycle performance parameters of MB85

表 1中：pcond为冷凝压力；Pr为压比；tdis为压缩机排气温度；Qm为单位质量制热量；Qv为单位容积制热量；COP为性能系数；Δtevap为蒸发器温度滑移；Δtcond为冷凝器温度滑移．

由表 1可见，从压力水平看，MB85的压力较HFC245fa略高，但远低于常规空调、热泵系统设备可承受的压力上限；从循环性能方面看，MB85的COP较 HFC245fa略高，在节能方面有一定的潜力；单位质量工质制热量 Qm大于 HFC245fa；Qv大于HFC245fa，有利于压缩机小型化；压比较 HFC245fa略小，有利于提高压缩机的性能；排气温度也比HFC245fa略高．蒸发器和冷凝器中的相变温度滑移分别为 0.76,℃和 0.13,℃．由以上分析可以看出，有必要对新工质MB85进行实验研究．

2 循环性能实验研究

在水-水热泵实验台上对新混合工质 MB85，采用指定工质侧参数的循环性能对比实验评价研究方法[13]进行循环性能对比实验研究．

2.1 实验装置

图1为实验装置示意．图中虚线表示工质回路，实线表示载热流体回路；冷凝器与蒸发器的载热流体均为水．、分别为温度、压力测点．压缩机为HFC134a全封闭活塞式压缩机(丹佛斯美优乐，MTZ22JC4AVE)，除载热流体进出口温度由玻璃温度计测量外，其余各处工质和载热流体的温度，均由铜-康铜热电偶测量并由 FLUKE公司的 NetDAQ数据采集器连接计算机采集(经标定，测量误差小于0.2,℃)．蒸发器和冷凝器载热流体流量由涡轮流量计(1级)测得．三相功率表(0.2级)测量压缩机的电机输入功率．工质侧流量由科里奥利质量流量计(DMF-1-3)测得．关于系统和测量仪表的详细说明见文献[15]．

2.2 实验方法

为提高以同一实验装置进行不同工质对比实验评价的客观性[12]，采用指定工质侧参数(蒸发温度、冷凝温度、过热度、过冷度)与蒸发器和冷凝器载热流体流量的实验方式．通过调整蒸发器和冷凝器载热流体进口温度来控制、调节工质的蒸发温度和冷凝温度，通过热力膨胀阀设定过热度，过冷度为5,℃左右．

考虑冷凝器与蒸发器中工质流动压降和非共沸混合工质相变温度滑移的影响，实验中取蒸发温度为工质在蒸发器进口处的温度与露点的平均值，冷凝温度取为工质在冷凝器中的露点与泡点的平均值．

2.3 实验内容

通过调节水侧参数，对混合工质 MB85，控制蒸发温度在 40～55,℃范围内变化，相应的冷凝温度从70,℃变化至 100,℃，进行实验研究；对于工质HFC245fa，保证循环温升在 45,℃左右，冷凝温度以5,℃左右的间隔从 85,℃改变到 100,℃，进行对照实验研究．

图1 实验装置示意Fig.1 Experimental setup

3 实验结果与讨论

循环性能对比实验研究结果见图 2，其中 COP由制热量/压缩机输入功率(P)得到，前者由冷凝器水流量、进出口水温差得出，也可以通过工质进出口焓差及工质质量流量得出；后者由功率表直接读取．

如图 2(a)所示，当冷凝温度大于 90,℃时，在相同的冷凝温度和 45,℃左右的循环温升下，混合工质MB85的制热系数COP高于HFC245fa，当冷凝温度小于 90,℃时，由于缺乏数据不能准确说明 2种工质制热系数 COP的大小，但从已有的数据可以看出，2种工质制热系数COP相差不大．相同的蒸发温度下，混合工质MB85的制热系数COP随着冷凝温度的升高而减小．在冷凝温度为100,℃，循环温升45,℃时COP为3.83．

实测COP远小于理论COP值．这主要是由于硬件方面的原因及存在各种损失．一是理论计算采用指定压缩机效率的方法，实验中由于各种损失，所用压缩机效率低于指定的效率；二是冷凝器中环路截面积过小导致工质压降过大．这一缺陷虽影响各工质COP的绝对值，却不妨碍不同工质的对比实验研究，可以理解为系统偏差．损失因素主要是热量的散失，实验是在高温工况下进行的，冷凝器、压缩机与环境间的温差较大，由于保温不够造成的蒸发器、冷凝器、压缩机的热量散失较大．

从图 2(b)可以看出，当循环温升不变时，2种工质的制热量都随着冷凝温度的升高而增大．冷凝温度在 90,℃以上时，混合工质 MB85的制热量明显高于HFC245fa，高出约353～653,W左右，而压缩机耗功比 HFC245fa仅高出 89～132,W．说明混合工质MB85具有更强的制热能力．

如图 2(c)所示，在相同的冷凝温度和循环温升下，混合工质 MB85的耗功高于 HFC245fa．在同一蒸发温度下，随着冷凝温度的增大混合工质 MB85的压缩机耗功逐渐增大．而同一冷凝温度下，混合工质 MB85的压缩机耗功随着蒸发温度的增大先减小而后增大．这是因为相同冷凝温度，随着蒸发温度升高，压缩机吸气比容减小，工质的质量流量增加；而单位质量压缩功减小；工质的质量流量增加与单位质量压缩功减小，二者综合作用的结果使得压缩机耗功随着蒸发温度升高，先减小后增大．

从图 2(d)可以看出混合制冷剂MB85的压比略低于 HFC245fa．2种工质的压比都随着冷凝温度的升高而降低，这样，在较高冷凝温度下的压缩机效率比较低冷凝温度下的效率高些．由于混合工质MB85的低压比性能使其更利于压缩机运行．

从图 2(e)可以看出，循环温升 45,℃混合工质MB85的压缩机排气温度比HFC245fa略高2～3,℃，且随着冷凝温度的升高而增加．但是当冷凝温度达到 100,℃时，压缩机排气温度才 103.2,℃，完全处于压缩机安全运行范围内．

经实验研究可以看出，与课题组前期研究提出的优良工质HFC245fa相比，混合工质MB85虽然存在排温略高于 HFC245fa的不足，但综合实验循环性能优于HFC245fa．

图2 循环性能参数随冷凝温度的变化Fig.2 Change of the cycle performance parameters with condensing temperature

4 结 论

(1) 采用指定工质侧温度的循环性能对比实验评价研究方法，对混合工质MB85在70～100,℃的冷凝温度工况范围内进行了循环性能对比实验研究．实验中，在正常水流量下取得了高于 97,℃的冷凝器出口水温；在冷凝温度为 100,℃，循环温升为45,℃时COP为3.83．混合工质MB85完全满足中高温热泵系统的要求．

(2) 新型混合工质 MB85的实验循环性能优于HFC245fa，除压缩机排气温度比 HFC245fa高 2～3,℃外，冷凝温度在90,℃以上时，制热系数COP、制热量都高于HFC245fa；压比比HFC245fa低，综合循环性能优于HFC245fa．

(3) 新型混合制冷剂 MB85在中高温热泵工况下压力适中，压缩机排气温度不高，有相对较高的COP及制热量，还有在更高温度空间应用的潜力．

［1］ Nakatani K，Ikoma M，Arita K，et al. Development of high-temperature heat pump using alternative mixtures[J]. Natl Tech Rep，1989，35(6)：12-16．

［2］ Liebenberg L，Meyer J P. Potential of the zeotropic mixtures R-22/R-142b in high-temperature heat pump water heaters with capacity modulation[J]. ASHRAE T，1998，104(1)：418-429．

［3］ Smit F J，Meyer J P. Investigation of the potential effect of zeotropic refrigerant mixture on performance of a hot water heat pump[J]. ASHRAE T，1998，104(1)：387-394．

［4］ Honda H，Takamatsu H，Tadata N. Experimental measurements for condensation of downward-flowing R123/R134a in a staggered bundle of horizontal lowfinned tubes with four fin geometries[J]. Int J Refrig，1999，22(8)：615-624．

［5］ 李廷勋，郭开华，王如竹，等. 非共沸混合工质R22/R141b高温热泵实验研究[J]. 化工学报，2002，53(5)：542-545．Li Tingxun，Guo Kaihua，Wang Ruzhu，et al. High temperature heat pump with non-azeotropic refrigerant mixtures[J]. Journal of Chemical Industry and Engineering，2002，53(5)：542-545(in Chinese)．

［6］ 张 宇，王怀信，马利敏. 一种新型中高温热泵混合工质的循环性能[J]. 制冷学报，2005，26(4)：35-39．Zhang Yu，Wang Huaixin，Ma Limin. Cycle performances of a new mixture for moderate and high temperature heat pump[J]. Journal of Refrigeration，2005，26(4)：35-39(in Chinese)．

［7］ 张 宇，王怀信，马利敏. 一种中高温热泵混合工质的实验研究[J]. 工程热物理学报，2005，26(6)：924-926．Zhang Yu，Wang Huaixin，Ma Limin. Cycle performances of a mixture for moderate and high temperature heat pump[J]. Journal of Engineering Thermophysics，2005，26(6)：924-926(in Chinese)．

［8］ 王怀信，郭 涛，王继霄. 几种中高温热泵工质理论性能研究[J]. 太阳能学报，2010，31(5)：592-597．Wang Huaixin，Guo Tao，Wang Jixiao. The theoretical cycle performance of some working fluids for moderate/high temperature heat pump[J]. Acta Energiae Simaris Sinica，2010，31(5)：592-597(in Chinese)．

［9］ Zhang Shengjun，Wang Huaixin，Guo Tao. Evaluation of non-azeotropic mixtures containing HFOs as potential refrigerants in refrigeration and high-temperature heat pump systems[J]. Science China Technological Sciences，2010，53(7)：1855-1861．

［10］ 高 攀，赵 力. 中高温热泵系统循环工质的研究[J]. 暖通空调，2006，36(1)：24-27．Gao Pan，Zhao Li. Research on cycle working fluids for moderate and high temperature heat pump systems[J].HV&AC，2006，36(1)：24-27(in Chinese)．

［11］ 朱秋兰，史 琳，韩礼钟，等. 中高温热泵新工质HTR02实验研究[J]. 工程热物理学报，2005，26(2)：208-210．Zhu Qiulan，Shi Lin，Han Lizhong，et al. Study on new medium-high temperature refrigerant HTR02[J].Journal of Engineering Thermophysics，2005，26(2)：208-210(in Chinese)．

［12］ 马利敏. 中高温热泵工质的理论与实验研究[D]. 天津：天津大学机械工程学院，2006．Ma Limin. Theoretical and Experimental Investigation on Working Fluids for Moderate/High Temperature Heat Pump[D]. Tianjin：School of Mechanical Engineering，Tianjin University，2006(in Chinese).

［13］ 王继霄. 中高温热泵工质及系统优化方法的研究[D].天津：天津大学机械工程学院，2007．Wang Jixiao. Working Fluids and System Optimization of Moderate/High Temperature Heat Pump [D]. Tianjin：School of Mechanical Engineering，Tianjin University，2007(in Chinese)．

［14］ 王怀信，马利敏，王继霄. 工质循环性能对比实验评价方法的改进探讨[C]//中国工程热物理学会学术会议工程热力学与能源利用学术会议论文集. 重庆，中国2006：822-829．Wang Huaixin，Ma Limin，Wang Jixiao. Improved approach for comparatively experimental assessing performances of working fluids[C]// Proceedings of Chinese Society of Engineering Thermophysics on Engineering Thermodynamics and Energy Utilization. Chongqing，China，2006：822-829(in Chinese)．

［15］ 张圣君. 基于 R134a常温热泵系统的中高温热泵工质的研究[D]. 天津：天津大学机械工程学院，2009．Zhang Shengjun. Working Fluids for the Moderate and High Temperature Heat Pump Based on Conventional R134a Heat Pump System [D]. Tianjin：School of Mechanical Engineering，Tianjin University，2009(in Chinese)．