复叠式高温热泵低温级工质最小熵增法筛选

1 概述

随着碳达峰、碳中和期限的临近，许多高能耗的工业用户越来越重视余热回收利用，迫切需要通过切实可行的余热回收技术提高能源的综合利用率

。高温热泵技术对热量的高效转移提质成为余热回收并回归工业利用的首选。然而，单级高温热泵在供热温度超过65 ℃时，经济性与可推广性变差

，且无法满足工业热用户对高品位热能的要求。复叠式高温热泵克服了单级高温热泵的缺陷，性能更好，发展潜力巨大

。

目前，高温热泵工质的研究主要集中在纯工质、混合工质两方面，由于存在温度滑移特性，混合工质比纯工质具有显著的性能优势

，因此混合工质的研究成为高温热泵工质研究的主要方向。Zhang等人

、杨卫卫等人

通过实验，研究了R245fa与其他混合工质在高温热泵中的性能。Li等人

搭建复叠式高温热泵实验台，将自主研发的两种混合工质(分别自主命名为BY-6、BY-3B)分别作为高、低温级工质，从50 ℃热源吸热，冷凝器出水温度达170 ℃。

为了提高系统制热效率，减小不可逆损失，换热过程应逼近Lorenz循环

，实现换热器中混合工质与换热介质的温度匹配。适合的混合工质及配比，对于热泵系统节能具有重要研究意义。Cheng等人

指出：温度匹配是影响热泵系统性能的重要因素。Guo等人

在对改进型高温热泵的性能研究中发现，改进循环具有较高制热性能系数的原因是换热流体与工质在最佳工况下的温度匹配比较好。梁坤峰等人

基于高级火用分析方法，探讨了非共沸混合工质与换热流体之间的换热匹配特性。赵鹏程等人

、赵力等人

、宋卫东等人

对非共沸混合工质在蒸发器内传热、温差以及相对额外熵增进行分析，提出基于温焓分析的最小熵增法，作为制定换热器标准工况的理论基础。余鹏飞等人

针对适用不同工况下混合工质组成的选择问题，基于最小熵增法提出了应用于双温制冷机组的混合工质的优选方法。

目前，对于复叠式高温热泵系统低温级工质筛选的实验研究比较少，已知的优选模型有待实验验证。本文选择R245fa作为复叠式高温热泵系统的高温级工质，将R134a、R245fa按不同质量比(9∶1、8∶2、7∶3、6∶4)混合后的非共沸混合工质(以下简称混合工质)作为低温级工质。基于最小熵增法计算蒸发器中混合工质的相对额外熵增。以相对额外熵增最小作为目标，筛选混合工质的最优质量比。采用实验方法验证最小熵增法筛选混合工质最优质量比的可行性。

2 工况及工质

在工业生产中，大量工业用户的热需求集中在100～140 ℃。因此，本文利用复叠式高温热泵技术对温度范围为20～40 ℃的热源水进行利用，制取110～130 ℃的热水。设定工况见表1。

硝基咪唑类药物是一类人工合成的抗菌药物，是由咪唑在浓硫酸中硝化而得，5-硝基咪唑是重要医药中间体[12]。

在选择高、低温级工质时，须考虑冷凝器的最大承压能力(2.6 MPa)以及高、低温级工质的最高冷凝温度(134、95 ℃)。高温级工质选用R245fa，临界温度为154 ℃，冷凝温度为134 ℃时对应的饱和压力为2.53 MPa。对于低温级工质，选取R134a作为基础循环工质，其单位容积制热量比较高，制热能力比较好，但在中高温工况下的冷凝压力和排气温度均比较高，当冷凝温度为80 ℃时，对应的饱和压力为2.63 MPa，超过冷凝器最大承压能力。与R134a相比，R245fa具有冷凝压力及排气温度低的特点，缺点在于单位容积制热量偏低，因此选用R245fa作为添加组元，将R134a、R245fa按不同质量比(9∶1、8∶2、7∶3、6∶4)混合后的混合工质作为低温级工质。

3 最小熵增法

混合工质热泵循环与单工质热泵循环的区别在于：混合工质在相变时压力不变，温度发生变化。混合工质通过温度滑移与热源水进行温度匹配，可减少换热过程中的不可逆损失。为了尽可能实现混合工质与热源水的换热温差在换热器中的任意位置保持相等，根据温焓关系建立蒸发器中由温差传热产生的熵增模型，计算各工况下蒸发器内由于传热温差产生的相对额外熵增。以相对额外熵增最小作为目标，筛选混合工质的最优质量比。

总之，沙特这样的铁杆盟友出了“卡舒吉事件”这样的幺蛾子，使得美国处于被动地位，而伊朗的外部压力因此得到某种程度上的缓解。“猪一样的队友”效应实际上也帮了伊朗大忙。

3.1 最小熵增法模型

在低温级工质与热源水换热过程中，进行以下设定：传热过程为常热流稳态传热，混合工质质量比不变。传热过程中热源水的物性参数不变。蒸发压力不变，且无换热损失。

将蒸发器内混合工质与热源水的换热过程简化为双通道逆流换热，简化模型见图1。计算不同混合工质质量比下的熵增变化时，以换热过程中温差最小值为基准，进行温差传热熵增计算，从而计算相对额外熵增。相对额外熵增越大，循环越偏离Lorenz循环，换热产生的不可逆损失越大，换热效率降低。

混合工质相对额外熵增

的计算式为

：

e,r,

——第

个点的混合工质温度，℃

(1)

(2)

(3)

=

-Δ

2012年前后，杭州市政府大力探索智慧城市建设，区域医疗信息化建设推进迅速，希望实现医疗机构互联互通，达成“智慧医疗”概念。最终，市民卡成为患者进入杭州医疗服务体系的一个“公共载体”。这些网络基础设施建设，为医院一系列后续流程变革创造了条件。

(4)

Δ

——热源水与混合工质的最小换热温差，℃

(5)

式中

——混合工质相对额外熵增

各工况不同质量比的混合工质、热源水在蒸发器内的温度分布见图2～4。为便于分析，将蒸发器长度取为1，并将混合工质进口作为原点。各工况的混合工质理论相对额外熵增(由理论计算结果得到的相对额外熵增)见表2。由表2可知，3种工况最小理论相对额外熵增对应的混合工质质量比分别为9∶1、8∶2、8∶2。由图2～4可知，当工况1～3的混合工质质量比为9∶1、8∶2、8∶2时，混合工质与热源水的换热温差在蒸发器沿程的波动最小。这说明2种流体温度匹配最好，换热不可逆损失最小。

Δ

——蒸发过程中换热温差为最小温差时的熵增，J/K

——混合工质的平均温度，℃

3种工况的蒸发器进口热源水与蒸发器出口混合工质的温差分别为3～5、4～5、5～7 ℃，并据此选取合适的蒸发压力(见表2)。3种工况的冷凝器进口工质与冷凝器出口热水的温差均设定为0.5 ℃。

——热源水的平均温度，℃

另外，“吃禁果”是男女之情的隐喻，摩西说得过于委婉，可人们还是猜得出来，繁衍后代就等于生生不息，永远不死了。

——将蒸发器沿程均分成的段数

1.2.1 与化学杀菌剂复合使用 化学防腐剂在果蔬采后病害防治中效果显著，而单独使用拮抗菌很难达到这样的效果。因此，可以通过添加低剂量的化学防腐剂来增强拮抗菌的防治效果，有些甚至能够100%抑制病原菌的侵染[16]。Errampalli等[17]将低剂量的cypronidil和Pseudomonas syringae复合使用，较单独使用菌剂，能更加有效地控制苹果青霉病。Qin和Tian[18]发现，低剂量的imazalil和Cryptococcus laurentii复合使用，对枣病害防治效果远优于两个菌剂单独使用。

——最小换热温差时混合工质的平均温度，℃

在新政府会计制度下，政府预算会计和财务会计之间关系较为明晰，可以根据政府拨款情况将两者关系进行体现。但是针对预算支出、资金应用、资金应用效果等，无法在该体系中深入展现。同时，为了促进预算会计和财务会计的融合，还要对两者脉络进行梳理，让政府会计职责得到快速落实，加强对政府会计监管，促进政府会计管理水平提升。但是从目前情况来说，由于政府预算会计和财务会计在会计基础上存在差异，假设没有对其进行科学划分，将会给后续政府决策编制带来影响，阻碍政府会计工作今后发展。

e,w,

——第

个点的热源水温度，℃

Δ

=min{

e,w,

-

e,r,

}

3.2 计算方法

采用MATLAB编程计算，在计算过程中：忽略与周边环境的传热。压缩过程为等熵压缩，节流过程为等焓节流。混合工质与热源水为逆流换热，忽略系统中所有的换热损失与压力降。高、低温级工质在蒸发器、冷凝器等出口均为饱和状态。工质(包括混合工质)的热物性参数通过调用REFPROP9.1软件获取。

案例2：金坛区长荡湖清淤工程。长荡湖是集防洪调蓄、水资源、生态环境、渔业养殖、气候调节及旅游等功能于一体的浅水型湖泊，其供水水质和水量对太湖至关重要。根据2012年5月监测，长荡湖水质属于V-劣V类水质，长荡湖表层沉积物中重金属污染生态危害非常严重，进行底泥疏浚将其清除，迫在眉睫。

2.7 图表 每幅图单独占1页，集中附于文后，表格随正文附出。图表应按其在正文中出现的先后次序连续编码，并应冠有图(表)题。说明性的资料应置于图(表)下方注释中，并在注释中标明图表中使用的全部非共知共用的缩写。本刊采用三横线表(顶线、表头线、底线)，如遇有合计或统计学处理行(如t值、P值等)，则在此行上面加一条分界横线;表内数据要求同一指标有效位数一致，一般按标准差的1/3确定有效位数。线条图应墨绘在白纸上，高宽比例为5∶7左右。计算机绘制图者应提供激光打印图样。凡能使用文字表达清楚的内容，尽量不用表和图，如使用表和图，则文中不必重复其数据，只需摘述其主要内容。

根据上述设定进行计算，求得各工况下蒸发器进出口混合工质的比焓。将简化后的蒸发器分为20段，设定每段的混合工质比焓变化量、热源水温度变化量均相同，求得蒸发器沿程21个点处的混合工质比焓、热源水温度。由混合工质的蒸发压力和各点的比焓，可计算得到混合工质在蒸发器21个点处的温度，最后由式(1)～(5)计算混合工质相对额外熵增。

3.3 理论计算结果与分析

Δ

——由于温差改变导致的熵增，J/K

2.3 角度调节阀用于连接操纵杆和探测仪盒并调节探测仪盒的角度，见图2。其由操纵杆连接部、角度调节旋钮和盒尾连接部组成，操纵杆连接部中空，尾端开口，内腔与操纵杆前端的空心套管的形状大小匹配，以便套合于操纵杆的顶端;角度调节旋钮位于操纵杆连接部和盒尾连接部之间，用于调节盒尾连接部的角度;盒尾连接部呈板状或棍状，用于与探测仪盒的盒尾衔接。

4 实验验证

4.1 实验目的

采用实验方法验证最小熵增法筛选混合工质最优质量比的可行性。

4.2 实验系统

实验地为天津。复叠式高温热泵实验系统见图5。系统由4个循环构成：热源水循环、低温级工质循环、高温级工质循环、热水循环。高、低温级分别为两个压缩式热泵循环，由蒸发冷凝器连接冷凝器与蒸发器，蒸发器从可调节水温的恒温水箱(制备热源水)取热，冷凝器制备热水。热源水在蒸发器中将热量传给低温级工质后回到恒温水箱后升温并维持温度稳定。热水在冷凝器吸收热量后经过散热器放热后继续回到循环中吸热，为保证热水温度在超过100 ℃后仍为液态，热水循环系统为封闭带压系统。主要装置额定参数见表3。

实验中，高温级工质选用R245fa，低温级工质为不同质量比的R134a、R245fa混合工质。通过调节恒温水箱温度及热源水流量，保证热源水进出蒸发器温度满足工况1～3的需要。当热水温度分别达到目标温度(110、120、130 ℃)时，打开散热器放热，使热水温度在各工况下稳定30 min，视为系统达到稳定状态，记录数据。测量仪表包括温度传感器、压力传感器、涡轮流量计、功率表等，参数见表4。测量数据由Agilent 34972A型数据采集仪采集记录。数据采集时间间隔为10 s。

系统制热性能系数为系统制热量与压缩机(包括低温压缩机、高温压缩机)耗电功率之比，系统制热量根据热水进出冷凝器的温度与流量进行计算。

4.3 实验结果与分析

① 系统性能

各工况不同混合工质质量比对应的系统制热性能系数见表5。需要说明的是，由于工况3的蒸发温度比较高，受低温压缩机功率的限制，无法进行工况3混合工质质量比为9∶1的实验，因此表5中缺少一组数据。由表5可知，3种工况最高系统制热性能系数对应的混合工质质量比分别为9∶1、8∶2、8∶2。根据系统制热性能系数实验结果筛选出的最优混合工质质量比，与采用最小熵增法的理论筛选结果一致。

② 实验相对额外熵增

各工况不同混合工质质量比对应的实验相对额外熵增(由实验结果得到的相对额外熵增)见表6。由表6可知，3种工况最小实验相对额外熵增对应的混合工质质量比分别为9∶1、8∶2、8∶2。实验获得的各工况的最优混合工质质量比与理论分析结果一致，验证了理论方法的正确性。由表2、6可知，相同条件下实验相对额外熵增比理论相对额外熵增稍高，这主要是由于理论模型没有考虑混合工质在蒸发器内的压力降和组分迁移的影响。

5 结论

① 由理论计算结果可知：3种工况最小理论相对额外熵增对应的混合工质质量比分别为9∶1、8∶2、8∶2。当工况1～3的混合工质质量比分别为9∶1、8∶2、8∶2时，混合工质与热源水的换热温差在蒸发器沿程的波动最小。

除凯利板业外，总投资达32亿元的荆门万华生态家居有限公司一期投资8亿元引进了德国生态秸秆板生产线设备。该生产线是全球最大零甲醛秸秆板连续压机生产线，“首板”已于8月成功下线，可年产25万立方米秸秆生态板。二期投资2亿元建设的年产800万平方米贴面板生产线将于年底完成。目前，这两家板材企业已成为东宝区绿色建材家居产业的龙头企业。

② 由实验结果可知：3种工况最高系统制热性能系数对应的混合工质质量比分别为9∶1、8∶2、8∶2。根据系统制热性能系数实验结果筛选出的最优混合工质质量比，与采用最小熵增法的理论筛选结果一致。3种工况最小实验相对额外熵增对应的混合工质质量比分别为9∶1、8∶2、8∶2。实验获得的各工况的最优混合工质质量比与理论分析结果一致，验证了理论方法的正确性。

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