工质基团对液泵驱动自然冷却回路系统性能的影响

(北京工业大学环境与能源工程学院 北京 100124)

对于系统而言，除了各部件性能和系统匹配的优化外，工作介质的性能对系统性能的影响不容忽视。工质与节能环保、环境资源两大主题息息相关[1]。1987年后国际社会先后签订了蒙特利尔、基加利等制冷剂修订案，议定协议中指出国际社会将采取行动逐步淘汰破坏环境的工质，并加强研究开发替代品。但工质替代的原则是新工质的性能不能差于原有工质。吕冰等[2]从不同领域对制冷剂要求的侧重不同入手，归纳了R290、R32、R407C、R1234yf、R1234ze等替代制冷剂在相关领域的研究进展。盛健等[3-5]通过理论计算和实验分析综合考虑得出以工质R290、R32代替工质R22的结论。桂超[6]总结了天然工质和HFOs工质作为替代工质应用于各领域的研究成果。

决定工质性能的正是组成它的各个结构单元的元贡献之和，利用该算法可估算工质热物性称之为基团贡献法。之前的研究主要着重于不同配比工质的基础热物性参数的计算[7-8]。后来也有研究者利用基团贡献法，对有机朗肯循环(ORC)、热泵等系统的性能进行分析。Wen Su等[9-10]进行了基于基团贡献法ORC的优化及工质设计和基于基团贡献法纯工质的物理性质估计等研究。刘焕卫[11]应用基团贡献法和燃烧学相关理论对独立式燃气机热泵系统进行了理论和实验研究。

液泵驱动自然冷却回路目前主要应用于数据中心散热领域，研究人员针对系统结构和配置进行了研究。莫冬传等[12]对机械泵驱动两相回路的储液器控温策略进行了研究。张双等[13-14]对数据中心用泵驱动两相冷却回路换热特性进行了研究。王绚等[15-17]对泵驱动两相冷却系统变工质特性和节能效果进行过多项研究，实验研究得出R32比 R22更适合作为泵驱动两相冷却的工质。但针对数据中心特殊工况下，系统工质如何优化和选择、适宜工质如何配置，仍有待进一步细化和明确。

本文根据液泵驱动自然冷却回路实际循环p-h图，引入基团贡献法，通过分析对比不同工质基团对系统制冷量和能效比的影响，得到系统适宜工质的基团组成及优化和选择原则，从而为系统性能的进一步改进提供理论依据。

1 液泵驱动自然冷却回路系统

图1 液泵循环原理

1.1 工作原理

图1所示为液泵循环原理，液泵系统由工质泵、蒸发器、冷凝器及储液罐组成。工质泵为系统提供动力，蒸发器负责将冷工质与室内热空气进行换热，而冷凝器则将系统中的热量排放至室外，储液器起稳流和稳压作用。系统中的过冷工质被工质泵从储液罐中抽送至蒸发器，在蒸发器内工质与外界热环境进行蒸发换热，然后进入冷凝器中冷却降温，最后回到储液罐完成一个循环。

1.2 实际循环过程及性能指标

忽略一些次要因素的干扰，对实验系统进行如下假设：

1)工质在系统中为稳定流动；

2)将系统中并联的蒸发器和冷凝器作为一个整体考虑分析；

3)工质只在蒸发器和冷凝器中与环境交换热量，在连接管和储液器中不和外界发生热交换，即工质从工质泵至蒸发器、蒸发器至冷凝器、冷凝器至储液器及储液罐至工质泵的过程为等焓过程；

4)储液器内有气液分界面，认为工质从进入储液器的状态及从储液器出来的状态不发生变化；

5)忽略储液器到泵之间的阻力，控制储液罐和泵之间的高度，从而保证泵所需的气蚀余量。

图2所示为简化泵驱动两相回路压焓图。

图2 液泵循环压焓图

满足上述假设后，压焓图各个过程如下：

(1)1-2：工质泵压缩过程；

W1=h2-h1

(1)

式中：h1为泵进口处焓值，kJ/kg；h2为泵出口处焓值，kJ/kg；W1为泵功，kW。

(2)2-3：节流过程，可近似看成绝热过程。对于液体而言等焓线与等温线几乎重合，因此认为工质温度不变，忽略局部阻力；

(3)3-4：蒸发器中蒸发吸热过程，逆流换热；

Q34=h3-h4

(2)

式中：h3为蒸发器进口处焓值，kJ/kg；h4为蒸发器出口处焓值，kJ/kg；Q34为蒸发器吸收的热量，kJ/kg。

(4)4-5：蒸发器至冷凝器之间绝热过程；

(5)5-6：冷凝器中冷凝放热过程，逆流换热；

Q56=h5-h6

(3)

式中：h5为冷凝器进口处焓值，kJ/kg；h6为冷凝器出口处焓值，kJ/kg；Q56为冷凝器放出的热量，kJ/kg。

(6)6-7：冷凝器出口至储液器进口，绝热过程，忽略沿程和局部阻力；

(7)7-8：储液罐进口至出口，稳定运行时储液罐内有气液分界面，忽略储液罐阻力和换热；

(8)8-1：储液罐至工质泵，忽略沿程和局部阻力。

Q=Q34-Q56

(4)

式中：Q为制冷量，kW。

(5)

式中：W为输入功，kW；EER为能效比。

由于该系统是水侧换热只有泵功，因此输入功等于泵功。

制冷量和EER的变化率的定义式为：

(6)

(7)

(8)

(9)

式中：n=1，2，3，…,7。

计算单原子基团制冷量和EER的变化率(α1,β1)，计算H和F原子基团时只需把C换成H或F即可。计算多原子基团的制冷量和EER的变化率(α2,β2)，计算CH、CH2、CH3、F基团时同上只需把C替换即可。因单原子基团数较多，多原子基团中CH、CH2、CH3的基团数均为1，所以计算不同基团制冷量和EER的变化率时采用了两种公式。

2 工质及基团分类

利用C、CH、CH2、CH3、F 这5种基团排列组合得出42种新型工质，与《制冷原理与技术》中的制冷剂命名法相对照[18]。最终选出15种工质[10]分为单原子基团(C、H、F)和多原子基团(C、CH、CH2、CH3、F)在蒸发温度为25 ℃，冷凝温度为15 ℃，质量流量为2 700 m3/h时，从REFPROP查询其物性参数。带入液泵驱动自然冷却回路[19]计算制冷量和能效比，分析每个原子基团对其性能的影响。将组成15种工质的单原子基团和多原子基团按照单原子C基团增序进行编号并列于表1。

表1 组成工质的单原子基团和多原子基团数

3 结果分析与讨论

3.1 单原子基团对系统的影响

图3所示为单原子基团时，15种工质的制冷量。其中R41制冷量最高为18.73 kW，R218制冷量最低为6.89 kW。由图3可知，随着工质中C原子数增加制冷量减小，且数值减小较为明显。当C原子数恒定时，随着H原子数的减少或F原子数的增加，制冷量减小。此外，1个C原子时制冷量波动较大，2、3个C原子时制冷量波动较为稳定。但在工质10(R116)时制冷量突然增大，导致该现象的原因可能是分子中H原子的缺失。有3处没有H原子分别是工质4(R14)、工质10(R116)和工质15(R218)。而与R14和R28相比，R116的制冷量大，可能是F原子数较多且C原子数适中造成的。C原子数越少，制冷量越大，因此R14的制冷量比R218的制冷量大。

图3 单原子基团和制冷量

图4所示为单原子基团时，15种工质的EER工质顺序。由图4可知，15种工质的EER均大于9，EER最高可达9.53，最低为9。与图3相比，图4中随着C原子的增加EER波动较为稳定。随着C原子数的增加EER减小。C原子数恒定时，随着H原子数的减少或F原子数的增加，EER减小。而H原子和F原子比例失衡的几个特殊点大体上呈现EER最小化。由图3和图4可知，工质11、工质12和工质13组成原子数比列相同，只是原子排列不同，因此制冷量和EER几乎无变化。这印证了基团贡献法的定义，同一种基团对某一物性的贡献值是相同的。

图4 单原子基团和EER

3.2 多原子基团对系统的影响

分析多原子基团对系统的影响，工质按照C原子的升序排，再将其分成C、CH、CH2、CH3、F等5个基团，图5和图6所示分别为5种多原子基团的制冷量和EER。由图5和图6可知，C、CH、CH23个基团大体上分布于制冷量和EER较低处，而CH3则分布于制冷量和EER较高处。分子式中每个原子质量不同，对分子式影响大小不同。由这些原子构成的基团对工质影响也不同，但这些基团会保留原子原有的本质。综上所述，工质中C原子数的影响占主导地位，因分子式中C原子数决定H和F原子数。再由C原子数恒定的情况下H原子数越多制冷量和EER越大，H原子数的影响位居其次。因此单原子基团对系统的影响顺序为：C>H>F(在此H和F原子数对工质的影响是按照其基团贡献值大小决定)。结合图5和图6，多原子基团对系统的影响应顺序为：CH3>CH2>CH>C>F。

图5 多原子基团和制冷量

图6 多原子基团和EER

3.3 不同基团对制冷量和EER变化率的影响

不论工质是单原子基团还是多原子基团，基团数均对其性能有决定性的作用。根据式(6)～式(9)，计算了制冷量和EER随不同原子基团的变化率，将单原子基团的制冷量和EER的变化率定义为α1和β1，而多原子基团的制冷量和EER的变化率定义为α2和β2。图7所示为不同基团对制冷量和EER的变化率的影响。多原子基团CH3的变化率最高α2=25.17%、β2=1.48%，单原子基团H的变化率最低α1=7.65%、β1=0.01%。可以看出多原子基团的变化率比单原子基团的变化率高。而单原子基团C的α1和β1也较高，分别为22.34%和0.49%。图7中前三为单原子基团(C、H、F)的制冷量和EER的变化率α1和β1，后四为多原子基团(C、CH、CH2、CH3)的制冷量和EER的变化率α2和β2。为方便对比放在同一图中，并在图中将单原子基团和多原子基团制冷量的变化率统称为α，EER的变化率统称为β。

图7 不同基团对制冷量和EER变化率的影响

综上所述，以上15种工质中，液泵驱动自然冷却回路系统获得高制冷量可使用：R14、R23、R32、R41、R116和R161；获得高EER可使用：R32、R41、R125、R143a、R218、R227ea；同时获得高制冷量和EER可使用：R32、R41、R143a、R152a、R161。将这些工质按照C原子和H原子数增序列于表2，并列出其GWP及安全等级，所有工质的ODP均为0。

综合考虑环境指标、安全指标及上述分析给出了是否建议使用的理由(表2)。最终，对于液泵驱动自然冷却回路系统要获得高制冷量时建议使用R32和R161，要获得高EER时建议使用R32和R143a，要同时获得高制冷量和EER时建议使用R32、R143a和R161。其中R161各方面性能均优于前两者。

4 结论

本文利用基团贡献法结合液泵驱动自然冷却回路系统的实际循环，将15种工质带入泵驱动自然冷却回路计算制冷量和能效比，并分析系统制冷量和能效比随不同基团的变化情况，研究单原子和多原子基团对液泵驱动自然冷却回路系统性能的影响，得出如下结论：

1)将工质按单原子基团拆分时C原子数越少制冷量越大，C原子数恒定的情况下H原子数越多制冷量和能效比越大。

2)将工质按多原子基团拆分时也会保留单原子基团对系统性能的影响，由C、H两个原子组成的多原子基团中H原子数越多，制冷量和能效比越大。

3)分析不同基团对制冷量和能效比变化率的影响，得到多原子基团变化率比单原子基团高。对液泵驱动自然冷却循环系统，从基团角度推荐R32、R143a、R161工质。