二元混合工質MB85中高溫熱泵的性能

王懷信，陳清瑩，潘利生

(天津大學機械工程學院，天津 300072)

近年來隨著我國工業的發展，能源緊張、環境污染問題已經成為人類社會可持續發展的一項難題．中高溫熱泵技術可以提高能源利用率，節約能源．現階段，中高溫熱泵技術的研究集中在尋找適合中高溫熱泵工況的環境友好型工質．早期的研究中曾以CFC11、CFC114為工質，隨著環境保護受到重視，近期研究中涉及的工質則以 HCFCs非共沸混合工質為主，Nakatani等[1]對使用 HCFC-22/HFC-134,a，HCFC-22/HFC-152a，HCFC-22/HCFC-142b 和HCFC-22/HCFC-123作為工質的熱泵系統進行了測試；Liebenberg等[2]和 Smit等[3]均對 HCFC-22/HCFC-142b混合工質進行了理論研究；日本新能源工業技術開發組織(New Energy and Industrial Technology Development Organization，NEDO)開發的超級熱泵使用HCFC-123/HFC-134a作為工質[4]．在國內，清華大學、天津大學、上海交通大學和中科院廣州能源研究所在中高溫熱泵領域開展過研究：李廷勛等[5]利用非共沸混合工質 HCFC-22/HCFC-142b進行中高溫熱泵實驗研究，獲得 80,℃的出水溫度；王懷信[6-9]、趙力[10]、史琳[11]等研究了多種混合工質的理論計算，進行了部分實驗研究．

目前，蒸汽壓縮式熱泵技術高溫化研究在熱輸出溫度水平方面受到系統硬件的制約．現階段研究的主要目標為，立足于現有常溫熱泵系統硬件，尋求環境特性、循環性能俱優的適宜工質．

本文以理論篩選出的循環性能優良、樣品可得的混合工質MB85為研究對象，以純質HFC245fa(前期研究[12-13]中得出的優良工質)為比較對象，采用指定工質側參數的循環性能對比實驗評價研究方法[14]進行循環性能對比實驗研究，考察的溫度范圍為冷凝溫度 70～100,℃．

1 新型混合工質的提出

根據優勢互補原則對由臭氧破壞潛能(ozone depletion potential，ODP)為 0 的 HFCs、HCs物質組成的多種混合物，在冷凝溫度 70～100,℃范圍內，采用改進性能研究方法，進行了理論循環分析，篩選得到了一種由HFCs與HCs組成的二元近共沸混合工質MB85(HC600/HFC245fa)．MB85的 ODP為 0，全球變暖潛能(global warming potential，GWP)為 963．蒸發溫度 tevap＝50,℃、冷凝溫度 tcond＝95,℃、過熱度 5,℃、過冷度5,℃的中高溫熱泵工況下的理論循環性能如表 1所示(指定壓縮機的氣缸余隙容積系數取為0.03，電機效率、機械效率取為0.85)．

表1 MB85的循環性能參數Tab.1 Cycle performance parameters of MB85

表 1中：pcond為冷凝壓力；Pr為壓比；tdis為壓縮機排氣溫度；Qm為單位質量制熱量；Qv為單位容積制熱量；COP為性能系數；Δtevap為蒸發器溫度滑移；Δtcond為冷凝器溫度滑移．

由表 1可見，從壓力水平看，MB85的壓力較HFC245fa略高，但遠低于常規空調、熱泵系統設備可承受的壓力上限；從循環性能方面看，MB85的COP較 HFC245fa略高，在節能方面有一定的潛力；單位質量工質制熱量 Qm大于 HFC245fa；Qv大于HFC245fa，有利于壓縮機小型化；壓比較 HFC245fa略小，有利于提高壓縮機的性能；排氣溫度也比HFC245fa略高．蒸發器和冷凝器中的相變溫度滑移分別為 0.76,℃和 0.13,℃．由以上分析可以看出，有必要對新工質MB85進行實驗研究．

2 循環性能實驗研究

在水-水熱泵實驗臺上對新混合工質 MB85，采用指定工質側參數的循環性能對比實驗評價研究方法[13]進行循環性能對比實驗研究．

2.1 實驗裝置

圖1為實驗裝置示意．圖中虛線表示工質回路，實線表示載熱流體回路；冷凝器與蒸發器的載熱流體均為水．、分別為溫度、壓力測點．壓縮機為HFC134a全封閉活塞式壓縮機(丹佛斯美優樂，MTZ22JC4AVE)，除載熱流體進出口溫度由玻璃溫度計測量外，其余各處工質和載熱流體的溫度，均由銅-康銅熱電偶測量并由 FLUKE公司的 NetDAQ數據采集器連接計算機采集(經標定，測量誤差小于0.2,℃)．蒸發器和冷凝器載熱流體流量由渦輪流量計(1級)測得．三相功率表(0.2級)測量壓縮機的電機輸入功率．工質側流量由科里奧利質量流量計(DMF-1-3)測得．關于系統和測量儀表的詳細說明見文獻[15]．

2.2 實驗方法

為提高以同一實驗裝置進行不同工質對比實驗評價的客觀性[12]，采用指定工質側參數(蒸發溫度、冷凝溫度、過熱度、過冷度)與蒸發器和冷凝器載熱流體流量的實驗方式．通過調整蒸發器和冷凝器載熱流體進口溫度來控制、調節工質的蒸發溫度和冷凝溫度，通過熱力膨脹閥設定過熱度，過冷度為5,℃左右．

考慮冷凝器與蒸發器中工質流動壓降和非共沸混合工質相變溫度滑移的影響，實驗中取蒸發溫度為工質在蒸發器進口處的溫度與露點的平均值，冷凝溫度取為工質在冷凝器中的露點與泡點的平均值．

2.3 實驗內容

通過調節水側參數，對混合工質 MB85，控制蒸發溫度在 40～55,℃范圍內變化，相應的冷凝溫度從70,℃變化至 100,℃，進行實驗研究；對于工質HFC245fa，保證循環溫升在 45,℃左右，冷凝溫度以5,℃左右的間隔從 85,℃改變到 100,℃，進行對照實驗研究．

圖1 實驗裝置示意Fig.1 Experimental setup

3 實驗結果與討論

循環性能對比實驗研究結果見圖 2，其中 COP由制熱量/壓縮機輸入功率(P)得到，前者由冷凝器水流量、進出口水溫差得出，也可以通過工質進出口焓差及工質質量流量得出；后者由功率表直接讀取．

如圖 2(a)所示，當冷凝溫度大于 90,℃時，在相同的冷凝溫度和 45,℃左右的循環溫升下，混合工質MB85的制熱系數COP高于HFC245fa，當冷凝溫度小于 90,℃時，由于缺乏數據不能準確說明 2種工質制熱系數 COP的大小，但從已有的數據可以看出，2種工質制熱系數COP相差不大．相同的蒸發溫度下，混合工質MB85的制熱系數COP隨著冷凝溫度的升高而減小．在冷凝溫度為100,℃，循環溫升45,℃時COP為3.83．

實測COP遠小于理論COP值．這主要是由于硬件方面的原因及存在各種損失．一是理論計算采用指定壓縮機效率的方法，實驗中由于各種損失，所用壓縮機效率低于指定的效率；二是冷凝器中環路截面積過小導致工質壓降過大．這一缺陷雖影響各工質COP的絕對值，卻不妨礙不同工質的對比實驗研究，可以理解為系統偏差．損失因素主要是熱量的散失，實驗是在高溫工況下進行的，冷凝器、壓縮機與環境間的溫差較大，由于保溫不夠造成的蒸發器、冷凝器、壓縮機的熱量散失較大．

從圖 2(b)可以看出，當循環溫升不變時，2種工質的制熱量都隨著冷凝溫度的升高而增大．冷凝溫度在 90,℃以上時，混合工質 MB85的制熱量明顯高于HFC245fa，高出約353～653,W左右，而壓縮機耗功比 HFC245fa僅高出 89～132,W．說明混合工質MB85具有更強的制熱能力．

如圖 2(c)所示，在相同的冷凝溫度和循環溫升下，混合工質 MB85的耗功高于 HFC245fa．在同一蒸發溫度下，隨著冷凝溫度的增大混合工質 MB85的壓縮機耗功逐漸增大．而同一冷凝溫度下，混合工質 MB85的壓縮機耗功隨著蒸發溫度的增大先減小而后增大．這是因為相同冷凝溫度，隨著蒸發溫度升高，壓縮機吸氣比容減小，工質的質量流量增加；而單位質量壓縮功減小；工質的質量流量增加與單位質量壓縮功減小，二者綜合作用的結果使得壓縮機耗功隨著蒸發溫度升高，先減小后增大．

從圖 2(d)可以看出混合制冷劑MB85的壓比略低于 HFC245fa．2種工質的壓比都隨著冷凝溫度的升高而降低，這樣，在較高冷凝溫度下的壓縮機效率比較低冷凝溫度下的效率高些．由于混合工質MB85的低壓比性能使其更利于壓縮機運行．

從圖 2(e)可以看出，循環溫升 45,℃混合工質MB85的壓縮機排氣溫度比HFC245fa略高2～3,℃，且隨著冷凝溫度的升高而增加．但是當冷凝溫度達到 100,℃時，壓縮機排氣溫度才 103.2,℃，完全處于壓縮機安全運行范圍內．

經實驗研究可以看出，與課題組前期研究提出的優良工質HFC245fa相比，混合工質MB85雖然存在排溫略高于 HFC245fa的不足，但綜合實驗循環性能優于HFC245fa．

圖2 循環性能參數隨冷凝溫度的變化Fig.2 Change of the cycle performance parameters with condensing temperature

4 結 論

(1) 采用指定工質側溫度的循環性能對比實驗評價研究方法，對混合工質MB85在70～100,℃的冷凝溫度工況范圍內進行了循環性能對比實驗研究．實驗中，在正常水流量下取得了高于 97,℃的冷凝器出口水溫；在冷凝溫度為 100,℃，循環溫升為45,℃時COP為3.83．混合工質MB85完全滿足中高溫熱泵系統的要求．

(2) 新型混合工質 MB85的實驗循環性能優于HFC245fa，除壓縮機排氣溫度比 HFC245fa高 2～3,℃外，冷凝溫度在90,℃以上時，制熱系數COP、制熱量都高于HFC245fa；壓比比HFC245fa低，綜合循環性能優于HFC245fa．

(3) 新型混合制冷劑 MB85在中高溫熱泵工況下壓力適中，壓縮機排氣溫度不高，有相對較高的COP及制熱量，還有在更高溫度空間應用的潛力．

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