R245fa和其他四种工质在高温热泵中的理论对比

杨文娟， 张 华

（上海理工大学 能源与动力工程学院，上海 200093）

热泵是工业生产中极具吸引力的能源转换设备，因为它提供了利用废热或任何一种低品位热能来减少一次能源消耗的有效方法。全球经济的发展，全球能源消耗快速增长，高温热泵技术广泛应用于木材干燥、建筑供暖、制药等领域，它在节能效果上的优势比电或一次能源用热系统更加明显，高温热泵技术可以利用30～60℃范围的低等级热源提供80～100℃以上的热量，所以近年来，具有低GWP的制冷剂蒸汽压缩高温热泵在废热回收方面受到了广泛的关注[1-3]。热泵中必须使用制冷剂，而人们对环境保护越发重视，破坏环境的HCFs类制冷剂正加速淘汰，而把研究重点逐渐转移到HFC类和HFE类等环境友好型制冷工质[4]。

与常规的热泵技术相比，高温热泵技术有其自身的特点：冷凝压力和冷凝温度相对较高，排气温度也相对较高，压比也比常规的热泵的压比高[5]。配合使用的常见的高温热泵技术的制冷剂有R1234ze、R124、R114、R134a等纯制冷剂，也有共沸混合工质。

随着传统高温工质的淘汰，一些学者对高温热泵中制冷剂的替换做了许多研究，而针对新型环保制冷剂R245fa、R1233zd(E)及R1336mzz(Z)在高温热泵中的理论分析相对较少，本文选取两种传统工质和三种新型环保工质在冷凝温度70～100℃的高温工况下进行理论计算，以寻找在高温热泵中循环性能优良、环境友好、热力学性质稳定的高温工质，为今后更高冷凝温度的工况下的深入研究提供数据借鉴。

1 R245fa 简介及与其他四种高温热泵工质物性对比

1.1 R245fa 简介

R245fa是由霍尼韦尔公司推出的一种新型制冷剂，CAS登记号 460-73-1，简称 HFC-245fa，学名1,1,1,3,3-五氟丙烷，分子式CF3CH2CHF2，相对分子量136.48，臭氧消耗潜能值ODP为0，全球变暖潜值GWP相对较低，R245fa中没有破坏大气臭氧层的氯原子，并且在大气中的存在寿命短。常温常压下R245fa不会燃烧，且毒性较低[6]。

当前，一些学者已经对R245fa制冷剂在各方面进行了研究，王夺等[7]试验了工质R245fa在水平管内流动沸腾换热，结果表明该工质在沸腾开始的阶段，随着含汽率的不断增大，R245fa的流动沸腾换热系数迅速升高；当流动沸腾换热系数达到最大值后，随着含汽率的继续增大，流动沸腾换热系数却出现了下降。邱金友等[8]对R245fa有机朗肯循环发电系统运行性能进行研究，在保持冷端温度不变，提高热源温度可以使蒸发压力增加，膨胀比、等熵效率都出现了增加，使得膨胀做功能力增强，系统的循环热效率、发电效率局增大。白景辉等[9]基于工质R245fa的太阳能平板集热器集热进行了动态模拟，结果表明，在系统热过程中太阳能辐射强度的影响对系统集热有很大的影响，但是系统的启动温度对集热的影响较小。刘健等[10]研究了工质R123和R245fa的有机朗肯循环热力性能，实验指出在相同的蒸发参数下，工质R245fa的循环热效率低于R123的循环热效率，相同蒸发温度下R123具有低压特性，这有利于系统安全运行。YANY Min-hsiung[11]研究了混合工质R245fa/R236fa的组成比和压降对有机朗肯循环系统废热回收的影响，结果表明，用R245fa / R236fa混合物循环的ORC系统比具有纯组分R236fa或纯组分R245fa的ORC系统具有更高的热力学和经济性能。

本文基于 R245fa的热物性参数，对 R245fa在高温热泵系统中的性能进行了计算，分析对比 R245fa和其他几种高温制冷剂在高温热泵系统中的性能。

1.2 R245fa 与其他四种高温热泵工质物性对比

如表 1所示，对 R245fa及其他高温热泵纯工质的基本物性进行了对比，工质 R245fa的临界温度为154.1℃，高于R134a、R1234ze、R142b的临界温度，低于R1233zd(E)和R1336mzz(Z)的临界温度；R245fa临界压力为3.651 MPa，低于R134a的临界压力，与R1233zd(E)和R124的临界压力相当；R245fa的ODP值为0，GWP值相对R134a的GWP相对较低，对环境的影响比较小。

表1 五种工质的基本性质[12]

2 结果与讨论

为了方便计算，对高温热泵系统的热力学模型做了一些如下的假设：1）理论计算时冷凝温度在70～100℃，蒸发温度为 30℃；2）蒸发器出口的过热度及冷凝器出口的过冷度都为 5℃；3）压缩机压缩过程中考虑等熵效率，在计算中等熵效率取0.85；4）在理论计算中节流过程认为是等焓过程；5）壳体的散热忽略不计，系统与环境的散热也忽略不计；6）忽略压降对蒸发温度的影响。在计算过程中冷凝温度在70～100℃度之间每隔5℃取一个点，总共有7个工况点进行对比。主要对比分析了五种制冷剂在相同的工况下冷凝压力、排气温度、COP、单位容积制热量和压缩比。

2.1 冷凝压力的对比

制冷剂在冷凝器内的压力会影响系统的运行，为了安全稳定运行，工程上的冷凝压力不超过2.5 MPa。图1为各种工质的冷凝压力随冷凝温度变化的关系曲线。由图1可知，每种工质的冷凝压力都随着冷凝温度的增大而增大，R245fa的冷凝压力高于R1233zd(E)、R11和R1336mzz(Z)的压力，低于R134a的冷凝压力，在理论计算中，当R245fa最高冷凝温度为100℃时，R245fa的最高压力是1.264 9 MPa，并没有超过工程上冷凝压力上限（2.5 MPa），而R134a在冷凝温度80℃时，冷凝压力已经达到了2.633 2 MPa，所以R134a只适合80℃以下的工况，R1233zd(E)、R11和R1336mzz(Z)在100℃时冷凝压力也未达到工程应用中对冷凝压力的限制，所以这几种工质还能用于更高温度的工况。所以，在这几种高温热泵工质中，R245fa的冷凝压力居中，可以在高温热泵中得到很好的应用。

图1 冷凝压力随冷凝温度的变化

图2 压缩机排气温度随冷凝温度的变化

2.2 排气温度的对比

在系统运行中，压缩机的排气温度也是系统安全稳定运行的一个很重要的因素，当压缩机的排气温度过高时，会影响压缩机的容积效率，从而使压缩机的耗功增加，严重的情况下会使压缩机损坏，使整个机组不能正常运行；但是压缩机的排气温度也不能过低，如果排气温度过低的话，排气点在两相区，这样对压缩机的运行也会造成不利影响。

图2为压缩机排气温度随冷凝温度变化关系曲线。由图2可知，高温热泵中压缩机的排气温度随着冷凝温度的升高而升高，采用工质R245fa的压缩机的排气温度比采用R11、R1233zd(E)和R134a的压缩机的排气温度低，比采用工质 R1336mzz(Z)的压缩机的排气温度略高，随着冷凝温度的升高，R1336mzz(Z)的排气温度逐渐逼近R245fa的排气温度；当冷凝温度在100℃时，采用R245fa压缩机的排气温度为100.4℃，没有超过压缩机排气温度的上限，这就使得压缩机在高冷凝压力下稳定地运行，也不会对压缩机造成损坏。

2.3 COP 的对比

系统的COP是指系统运行过程中的制热量与压缩机输入功率的比值，COP是评价循环性能的第一要素，在相同的工况下系统的COP越高，说明系统工作效率更高，性能更好。图3是高温热泵系统的COP随冷凝温度的变化曲线。由图3可知，高温热泵系统的COP随着冷凝温度的升高而降低，采用不同的制冷剂系统的COP的变化趋势基本一致，这主要是因为随着冷凝温度升高，压缩机的耗功量增加。采用R245fa为例，冷凝温度在70～100℃的区间内冷凝温度每升高5℃，压缩机平均耗功增加7.14%。采用制冷剂R245fa的系统COP在冷凝温度70～100℃的冷凝温度区间内从6.3降低到3.29；采用制冷剂R245fa系统的COP高于采用R134a系统的COP，也高于采用制冷剂R1336mzz(Z)系统的COP，这说明采用R245fa制冷剂时，整个系统的工作效率比采用R134a或采用R1336mzz(Z)的高，而且更节能。

图3 系统COP随冷凝温度的变化

图4 单位容积制热量随冷凝温度的变化

2.4 单位容积制热量的对比

单位容积制热量是选择压缩机的决定条件之一，相同的制热量，单位容积制热量越小，需要的压缩机容积越大，那就使得压缩机整体的尺寸越大。图4为单位容积制热量随着冷凝温度的变化曲线。从图4可以看出，每种制冷剂的单位容积制热量随着冷凝温度的升高而降低，R134a的单位容积制热量远大于其他几种制冷剂的单位容积制热量，而且R134a的单位容积制热量降低的速率比其他四种制冷剂的单位容积制热量降低的速率快。R245fa的单位容积制热量比R134a的单位容积制热量小，但是大于同等条件下R11、R1336mzz(Z)和R1233zd(E)的单位容积制热量。随着冷凝温度的升高，R245fa、R11和R1233zd(E)的单位容积制热量之间的差别逐渐变小。

2.5 压缩比的对比

所谓的压缩比是指压缩机排气压力与吸气压力的比值。压缩比的高低对热泵系统运行整体的性能有很大的影响，较高的压缩比会使压缩机的排气量减小，制冷量也会减小。压缩比增大，排气温度也会升高，容积效率就会降低，过高的压缩比对压缩机的吸气造成影响，也会使活塞销损坏。图5为蒸发温度30℃时各种制冷剂压缩比随冷凝温度的变化曲线。由图5可知，系统的压缩比随着冷凝温度的升高而升高，采用 R1336mzz(Z)时的压缩比比相同条件下其他四种制冷剂的压缩比高，而采用R245fa时的压缩比高于相同条件下采用R11、R134a和R1233zd(E)的压缩比。

图5 系统压缩比随冷凝温度变化的关系

3 结论

本文在对R245fa、R134a、R11、R1336mzz(Z)和R1233zd(E)工质在高温热泵中的性能进行了比对。结论表明，R245fa在高温热泵系统中，系统在高的冷凝温度100℃下的冷凝压力为1.264 6 MPa，冷凝压力较低并没有超过工程上对冷凝压力限制的范围，可以应用于现有的热泵系统部件；单位容积制热量比R134a的低但大于其他几种制冷剂的单位容积制热量；在同等高温工况下R245fa的COP高于R134fa的值；压缩机的排气温度在冷凝温度100℃时为100.4℃，没有超过压缩机的排气温度上限，因此具有良好的循环性能。R245fa的臭氧消耗潜值ODP为0，全球变暖潜能值GWP相对较低，对环境相对友好，基于以上的研究，R245fa拥有应用于更高冷凝温度工况下的潜质，有待今后更为深入的研究。