烟气余热回收高温电动热泵混合工质性能研究

孙 健， 马世财， 霍 成， 韩林俊， 戈志华， 周少祥， 杨勇平

(1.华北电力大学 能源动力与机械工程学院，北京 102206； 2.无锡同方人工环境有限公司，江苏 无锡 214101)

0 引 言

近年来，随着“煤改气”等清洁供暖项目的推进，天然气的消耗量急剧增加，而我国天然气的储量远小于煤炭，且能源使用成本较高。天然气燃烧产生含有较多水蒸气的烟气，烟气余热中水蒸气包含热量较高且大都未被利用。如果将这部分热量回收，不仅能从外观上实现“消白”的目的，更能大大提高天然气的利用效率。天然气烟气中水蒸气冷凝温度一般在55 ℃左右，当用于集中供热时往往需要较高的制热温度，因此该背景下采用电动热泵回收天然气余热会出现“大温升”和“高冷凝”的特点[1]，同时该工况下烟气侧和热水侧的进出口温差较大，而采用非共沸工质的温度滑移特性可显著降低蒸发和冷凝换热过程的不可以损失而提高热泵性能[2]。

国内外学者针对高温热泵的循环工质性能研究开展了相关研究工作。Yoshida 等对4种纯工质和混合工质进行了理论分析和实验研究，发现 R22/R142b 的混合工质具有较高的热容量，可用作高温热泵的循环工质[3]。庄绪成等利用螺杆式高温热泵实验台,以混合工质 R134a/R245fa (质量比3∶7)和纯工质R245fa为研究对象,实验研究分析了两种工质在高温工况下的循环性能[4]。刘瑶瑶等[5]介绍了自然工质、氯氟烃(CFCs)、氢氯氟烃(HCFCs)、氢氟烃(HFCs)、氢氟烯烃(HFOs)、氢氯氟烯烃(HCFOs)、氢氟醚(HFEs)及混合工质中适用于高温热泵的工质。西安交通大学的研究中，使 R245fa 分别与 R134a、R152a、RC270 三种工质混合，发现在相同工况下，R245fa/RC270(0.88/0.12)时 COP 最高为 5.15[6]。何永宁等人对比了 R1234ze、R134a、R124、R142b 等工质的物理化学性质等，发现 R1234ze 在排气温度、冷凝压力和 COP 等在系统中运行参数良好，且 GWP 值较低，可在中高温热泵中使用[7]。张志巍在对 R32/R1234ze 的研究中，将数学模型、REFPROP参数与实验中的三个方面的数据进行了分析比较，并以 R410a 为基准进行了相对循环性能的比较[8]。计算单工质 R124、R152a、R245fa 和混合工质 R152a/R124、R152a/R245fa 的理论循环性能,并进行了实验对比[9]。

天然气烟气中水蒸气的露点温度在55 ℃左右，为充分回收烟气热量，将烟气温度降至55 ℃以下，选取蒸发侧蒸发温度为40～50 ℃。同时考虑烟气余热量占燃气锅炉供热量比例，所以选取冷凝侧冷凝温度为70～80 ℃。在上述循环工况下，对非共沸工质的COP、冷凝压力、单位容积制热量、排气温度和增压比进行分析对比，筛选出循环性能最优的工质组合，进而为实际应用提供理论指导。

1 电动热泵理论循环模型

1.1 理论循环介绍

热泵循环流程图如图1所示，其对应的理论循环T-S图如图2所示。

制冷剂的内部循环过程为[10]：低温液态制冷剂在蒸发器内吸热气化为低温气态，气化后的低压冷剂蒸气进入压缩机被压缩为高温高压状态，然后进入冷凝器冷却冷凝放热为高压液态，再进入节流装置节流降压为低温低压的液态，接着再进入蒸发器进行下一个循环。工质通过在蒸发器吸收余热热水的热量，而使余热热水的温度降低，且通过在冷凝器放热来获得较高温度的高温热水。图中c～d为获得高温热水的过程，a～b为余热热源在蒸发器放热过程。由于换热过程工质显热远小于相变潜热，故水侧温度变化在不同位置斜率不同[11]。

1.2 热力学建模

本文采用EES(Engineering Equation Solver)和REFPROP软件对系统进行热力学建模。蒸汽压缩式热泵的循环过程包括压缩、冷凝、节流膨胀和蒸发，在热力学建模时对这4个基本过程做以下假设：

(1)工质的冷凝和蒸发为定压过程[12]；

(2)节流前后工质的焓值不变[13]；

(3)忽略不同工况下压缩机性能的变化和润滑油对不同工质传热特性的影响[14]；

(4)压缩机的电机效率、机械效率和热效率分别取ηm=0.85，ηmech=0.85，ηt=0.91[15]；

(5)蒸发器冷凝器中最小换热端差取3 ℃，过热过冷度取5 ℃[16]。

在蒸发器中工质吸收的热量为

Qe=cpms(ts1-ts2)=mr(h3-h1)

(1)

式中:Qe为蒸发器中工质吸收的热量，kW；cp为水的定压热容，kJ/(kg·K)；ms为低温余热水质量流量，kg/s；ts1为低温余热进口温度，℃；ts2为低温余热出口温度，℃；mr制冷剂质量流量，kg/s；h3为制冷剂过热态的焓值，kJ/kg；h1为制冷剂节流出口的焓值，kJ/kg。

蒸发温度为

(2)

式中：te为蒸发温度，℃；t1为制冷剂节流出口的温度，℃；t2为制冷剂蒸发器出口饱和气态的温度，℃。

冷凝器中工质放出的热量为

Qc=cpmw(tw2-tw1)=mr(h4-h8)

(3)

式中：Qc为制冷剂放热量，kW；mw为高温热水质量流量，kg/s；tw2为高温热水出口温度，℃；tw1为高温热水进口温度，℃；h4为制冷剂压缩机出口过热态的焓值，kJ/kg；h8为制冷剂冷凝器出口过冷态的焓值，kJ/kg。

冷凝温度为

(4)

式中：tc为冷凝温度，℃；t6为制冷剂进入冷凝器饱和气态的温度，℃；t7为制冷剂在冷凝器出口饱和液态的温度，℃。

压缩机的做功量为

W=mr(h4-h3)

(5)

式中：W为压缩机耗功，kW；h4为制冷剂压缩机出口过热态的焓值，kJ/kg；h3为制冷剂过热态的焓值，kJ/kg。

节流装置节流前后焓值不变：

h1=h8

(6)

式中：h1为制冷剂节流出口的焓值，kJ/kg；h8为制冷剂冷凝器出口过冷态的焓值，kJ/kg。

系统的单位容积制热量为

(7)

式中：qv为单位容积制热量，kJ/m3；v3为蒸发器出口制冷剂蒸汽比体积，m3/kg。

压缩机压比为

(8)

式中：ep为压缩机压比；Pc为冷凝压力，kPa；Pe为蒸发压力，kPa。

系统的循环性能系数为

(9)

式中：COP为系统循环性能系数。

2 混合工质循环性能分析

按冷凝温度和蒸发温度温差范围内高温段和低温段适配工质进行组合的原则选取了R134a+R245fa、R124+R245fa、R227ea+R142b、R134a+R142b、R124+R152a和R227ea+R152a六种混合工质。同时为了得到混合工质的较佳配比，取蒸发温度为45 ℃，冷凝温度为75 ℃和80 ℃两组工况进行分析。

如图3所示，有R245fa参与的两组混合工质COP较高，其中R134a+R245fa在摩尔分数为0.4时，COP高达8.23，当摩尔分数大于0.4时，COP值虽逐渐减小，但与其它工质相比仍具有明显优势。R124+R245fa的COP在最佳配比下较R134a+R245fa低1.98，且随摩尔分数变化幅度不大。R134a+R142b的COP虽低于上述两种工质，但在摩尔分数小于0.7范围内仍高于其余三种工质，当摩尔分数大于0.7时，随着其COP的降低而逐渐低于R124+R152a。R124+R152a的COP是几种工质中随摩尔分数变化最平缓的，基本维持在5.25上下波动。R227ea+R142b和R227ea+R152a的COP变化趋势最为接近，均随摩尔分数增加而缓慢减小，且两者之间的差值逐渐变小。除R227ea+R152a和R124+R152a的冷凝压力随摩尔分数增加而减小外，其余4种混合工质均呈上升趋势。R134a+R245fa的冷凝压力在摩尔分数小于0.4范围内上升趋势与R124+R245fa相近，随着摩尔分数的增加其变化幅度变大，与R124+R245fa的差值随之升高。R124+R245fa组合是该工况各混合工质不同组分配比下冷凝压力最小的，有R152a参与的两种混合工质的冷凝压力较大。各种混合工质的冷凝压力均在2.5 MPa以内，满足压缩机正常工作的承压范围。纯工质R134a在该工况下COP为4.76，冷凝压力为2.6 MPa，相比混合工质均表现出明显性能劣势。

综上所述，R134a+R245fa的COP是各摩尔分数下最高的，当摩尔分数为0.4时取得该工况下最大值8.15。其次是R124+R245fa，在摩尔分数为0.3时取得该工况下最大值6.27。R124+R245fa的冷凝压力是各摩尔分数下最低的，R134a+R245fa在摩尔分数小于0.65范围内仅次于R124+R245fa。

如图4所示，R124+R152a和R227ea+R152a的单位容积制热量随摩尔分数增加而近似直线减小，当摩尔分数小于0.4时，单位容积制热量高于其余4种工质，但同时在此范围内排气温度也较高。当摩尔分数大于0.5时，由于R134a+R142b和R134a+R245fa的单位容积制热量快速升高，从而超过R124+R152a和R227ea+R152a成为单位容积制热量最高的两种工质，且摩尔分数越高两者的优势越大。R134a+R142b的排气温度受摩尔分数影响较小，R134a+R245fa的排气温度随摩尔分数升高幅度相对较大，摩尔分数较低时其排气温度也较低。R227ea+R142b的单位容积制热量随摩尔分数变化维持在4 000 kJ/m3上下，其排气温度随摩尔分数升高呈现先快后慢的降低趋势，在摩尔分数大于0.6范围内，排气温度可降至80 ℃以内。R124+R245fa的排气温度随摩尔分数增加从82 ℃升至84 ℃，其单位容积制热量是几种工质在该工况任一摩尔分数下最低的。R124+R245fa、R134a+R142b及R134a+R245fa的增压比随摩尔分数升高呈现先减后增的趋势变化。其中R134a+R245fa的变化幅度最大，在摩尔分数为0.5时取得最小值2.0。R134a+R142b在摩尔分数为0.4时取得最小值2.28，在摩尔分数小于0.3范围内，R124+R245fa的增压比由2.66降至2.42。随着摩尔分数升高，R124+R245fa的增压比与R227ea+R142b、R124+R152a及R227ea+R152a三种工质均维持在2.4左右。纯工质R134a的增压比为2.4，单位容积制热量较几种混合工质有优势，但其排气温度为较高的90.5 ℃，高于几种混合工质的最低排气温度。

综上所述，R134a+R245fa在摩尔分数为0.4～0.6范围内单位容积制热量、排气温度及增压比性能均较优，其中在摩尔分数为0.5时增压比取得最小值2.0。

综合以上对各循环参数随摩尔分数变化规律的分析，优选出R134a+R245fa在混合比为0.4/0.6时为该工况下最佳组合。

如图5、图6所示，当冷凝温度为80 ℃时，随着温升的增大，虽然相应循环参数数值有所变化，但各混合工质的循环性能参数随摩尔分数的变化趋势与冷凝温度为75 ℃时较为一致，所以R134a+R245fa(0.4/0.6)在变工况时仍呈现比较好的性能。

图4 冷凝温度为75 ℃时循环性能参数随摩尔分数变化规律Fig.4 Variation of cycle performance parameters with mole fraction at condensation temperature of 75 ℃

图5 冷凝温度为80 ℃时循环COP与冷凝压力随摩尔分数变化规律Fig.5 Variation of COP and condensation pressure with mole fraction at condensation temperature of 80 ℃

图6 冷凝温度为80 ℃时循环性能参数随摩尔分数变化规律Fig.6 Variation of cycle performance parameters with mole fraction at condensation temperature of 80 ℃

3 结 论

针对天然气烟气余热回收供热领域，该研究采用非共沸工质电动热泵满足“大温差”和“高冷凝”的换热需求，首先建立了非共沸工质电动热泵数学模型，并对R134a+R245fa、R124+R245fa、R227ea+R142b、R134a+R142b、R124+R152a和R227ea+R152a六种混合工质进行了理论研究，通过分析各自的COP、冷凝压力、单位容积制热量、排气温度和增压比，发现R134a+R245fa的COP和单位容积制热量较其它工质有显著优势，相应的冷凝压力和排气温度也较其它工质低，所以推荐R134a+R245fa(0.4/0.6)为该工况下的较佳混合工质。