淺析蒸汽生產(chǎn)熱泵系統(tǒng)性能的研究

張雪琳

摘要：蒸汽生產(chǎn)熱泵系統(tǒng)是一種高溫狀態(tài)下的熱力學(xué)模型，為了探究熱泵蒸汽系統(tǒng)的性能，將該系統(tǒng)與傳統(tǒng)的高溫?zé)岜孟到y(tǒng)之間進(jìn)行對(duì)比。本文將冷凝溫度維持在120攝氏度至140攝氏度之間，蒸發(fā)溫度控制在60攝氏度左右，隨后對(duì)傳統(tǒng)高溫?zé)岜霉べ|(zhì)與熱泵蒸汽系統(tǒng)之間的純工質(zhì)的循環(huán)性能進(jìn)行比較，結(jié)果顯示熱泵蒸汽系統(tǒng)的制熱效果最好，循環(huán)性能也更加優(yōu)越，下文就將對(duì)高溫?zé)岜谜羝到y(tǒng)的性能進(jìn)行具體的探究。

關(guān)鍵詞：工質(zhì)、高溫?zé)岜谜羝到y(tǒng)、性能

序言

能源問題是當(dāng)前世界關(guān)注的一個(gè)重點(diǎn)話題，隨著能源的枯竭和耗盡，各種節(jié)能減排措施也開始推廣并應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。在我國(guó)余熱能十分的豐富，如果能過將工業(yè)余熱進(jìn)行合理的回收和利用，那么將會(huì)對(duì)我國(guó)的能源問題帶來極大的幫助，因此，熱泵蒸汽系統(tǒng)的發(fā)展引起了人們的關(guān)注。借助高溫?zé)岜谜羝到y(tǒng)，我們可以回收常溫?zé)岜孟到y(tǒng)所無法回收的工業(yè)余熱，同時(shí)還可以將熱泵與工業(yè)加熱相結(jié)合實(shí)現(xiàn)直接的應(yīng)用。相關(guān)技術(shù)的發(fā)展對(duì)于我國(guó)資源的利用和保護(hù)而言意義重大，眾多學(xué)者也在展開相關(guān)的研究。在研究高溫?zé)岜玫臅r(shí)候，一大難點(diǎn)在于工質(zhì)的選擇，工質(zhì)不僅要有較高的循環(huán)性能，還要對(duì)環(huán)境有很好，一次你工質(zhì)的選擇是研究高溫?zé)岜谜羝到y(tǒng)的前提。傳統(tǒng)的高溫工質(zhì)隨著技術(shù)的革新已經(jīng)不再適用，新型工質(zhì)的出現(xiàn)給高溫?zé)岜谜羝到y(tǒng)的發(fā)展提供了可能。

1、工質(zhì)的選擇

在環(huán)境問題不容樂觀的前提下，選擇工質(zhì)首先應(yīng)當(dāng)考量的就是其溫室效應(yīng)的指數(shù)以及對(duì)臭氧層的破壞指數(shù)，指數(shù)越低的工質(zhì)就越理想。除此之外，還應(yīng)當(dāng)考察工質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)、可燃性、毒害性以及油溶性等因素。高溫?zé)岜谜羝到y(tǒng)對(duì)溫度的要求較高，因此工質(zhì)的臨界溫度要高達(dá)一定的水平，這也是高溫?zé)岜谜羝到y(tǒng)與傳統(tǒng)熱泵系統(tǒng)的不同之處。

能夠符合上述多種條件的工質(zhì)并不多，因此對(duì)這些要求應(yīng)當(dāng)有所側(cè)重并有所調(diào)整。此次研究對(duì)各種工質(zhì)進(jìn)行了綜合的考察，最終挑選出R245fa、R245ca、R141b以及R123四個(gè)工質(zhì)來進(jìn)行研究和對(duì)比。

2、高溫?zé)岜谜羝到y(tǒng)工質(zhì)的循環(huán)性能研究

2.1能效系數(shù)COP的比較

在評(píng)估工質(zhì)循環(huán)性能的過程中，首先要考慮的就是系統(tǒng)自身的能效系數(shù)，也就是在提取出的蒸汽的焓值同壓縮機(jī)輸入功率之間的比值，在此前提下對(duì)各個(gè)工質(zhì)的循環(huán)性能進(jìn)行對(duì)比。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)冷凝溫度開始升高的時(shí)候，各個(gè)工質(zhì)的COP開始下降，但是其下降的速率不同。在R245fa、R245ca、R141b以及R123四種工質(zhì)當(dāng)中，R141b在高溫?zé)岜谜羝到y(tǒng)中的COP比傳統(tǒng)熱泵系統(tǒng)的高出了四分之一，是四種工質(zhì)中表現(xiàn)最好的。除了R141b之外，其它三種工質(zhì)在高溫?zé)岜谜羝到y(tǒng)中的表現(xiàn)也優(yōu)于傳統(tǒng)熱泵中，其中最差的R245fa在高溫?zé)岜谜羝到y(tǒng)中的COP也比傳統(tǒng)熱泵系統(tǒng)中使用R141b的系統(tǒng)COP值要高。從工質(zhì)的系統(tǒng)COP值我們就能夠看出高溫?zé)岜谜羝到y(tǒng)所具有的優(yōu)勢(shì)。

2.2冷凝壓力的比較

在系統(tǒng)運(yùn)作的過程中，冷凝壓力是評(píng)估其安全性能的核心要素之一。所謂的冷能壓力，值得就是在蒸發(fā)器和冷凝器當(dāng)中工質(zhì)循環(huán)的壓力。按照一般條件來看，當(dāng)冷凝壓力在2，5MPa以下且蒸發(fā)壓力高于0.1MPa時(shí)，其系統(tǒng)部件的密封條件和耐壓能夠得到滿足，在這樣的狀態(tài)下，空氣便不會(huì)進(jìn)入到系統(tǒng)當(dāng)中。

在同樣的實(shí)驗(yàn)條件下，我們來對(duì)四種工質(zhì)在不同系統(tǒng)當(dāng)中的冷凝壓力來進(jìn)行比較。首先，此次研究所選用的四種工質(zhì)的標(biāo)沸點(diǎn)都在60攝氏度之下，也就是比此次實(shí)驗(yàn)假定的要低，因此在原有的蒸發(fā)壓力的基礎(chǔ)上提升0.1MPa，研究的過程中則僅考慮冷凝壓力。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，R114的冷凝壓力在任何系統(tǒng)中都高于其他的工質(zhì)，余下的三種工質(zhì)在冷凝溫度區(qū)域當(dāng)中的冷凝壓力均在2.5MPa之下。在冷凝壓力的測(cè)試當(dāng)中R141b的表現(xiàn)更加的出色。即便是將溫度提升至130攝氏度，R141b的飽和壓力也僅有1.25MPa。

2.3單位制熱量的比較

在制熱量相同的情況下，系統(tǒng)工質(zhì)的循環(huán)量將會(huì)受到工質(zhì)單位容積制熱量的影響，因而也會(huì)對(duì)壓縮機(jī)的選擇和機(jī)組的尺寸選擇帶來直接的影響。在實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，四種工質(zhì)在冷凝溫度逐步升高的狀態(tài)下，單位容積制熱量都呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)，其中R114的熱量降低速率最快，且僅有R245fa的單位溶劑制熱量比R114的要高。

2.4排氣溫度之間的比較

除了冷凝壓力會(huì)給熱泵系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)作帶來影響之外，排氣溫度也會(huì)帶來同樣的影響。如果排氣溫度過高，那么壓縮機(jī)的容積效率就會(huì)大大降低，而能量的消耗就會(huì)進(jìn)一步的增大。且隨著溫度的增高，潤(rùn)滑油的粘度也會(huì)有所降低從而影響潤(rùn)滑效果，在這樣的狀況之下，壓縮機(jī)會(huì)面臨燒毀的風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)然，排氣溫度過低也會(huì)給設(shè)備帶來一定的負(fù)擔(dān)。排氣溫度過低會(huì)導(dǎo)致工質(zhì)產(chǎn)生濕壓縮，這對(duì)于壓縮機(jī)也會(huì)有消極影響。當(dāng)冷凝溫度在120-140攝氏度之間是，R245ca和R114會(huì)出現(xiàn)濕壓縮的狀況。在冷凝溫度為140攝氏度時(shí)，R245fa的排氣溫度是141攝氏度，相比起其他的工質(zhì)而言排氣溫度較高。

3、四種工質(zhì)的比較

3.1R245fa

該工質(zhì)對(duì)環(huán)境較為友好，其優(yōu)點(diǎn)在于單位容積制熱量很高，且系統(tǒng)COP偏低。排氣溫度不高但也不會(huì)出現(xiàn)濕壓縮的問題，因此循環(huán)性較為優(yōu)良，但其缺點(diǎn)在于高溫下的冷凝壓力過高，容易給機(jī)組帶來壓力，是當(dāng)前最佳的高溫?zé)岜谜羝到y(tǒng)工質(zhì)。

3.2R245ca

該工質(zhì)不可燃，卻無毒無害對(duì)環(huán)境友好。在冷凝壓力、COP、循環(huán)性以及單位容積制熱量方面的表現(xiàn)處于中等水平。其關(guān)鍵性問題在于容易出現(xiàn)濕壓縮的狀況，因此需要保障壓縮機(jī)當(dāng)中工質(zhì)的熱度。

3.3R141b

大氣壽命值很低，COP表現(xiàn)優(yōu)良，冷凝壓力偏低，單位溶劑制熱表現(xiàn)適中。但是該工質(zhì)不適合高溫下使用，且該工質(zhì)的毒性也使其不適用于高溫?zé)岜谜羝到y(tǒng)。

3.4R141b

該工質(zhì)的循環(huán)特性很好，冷凝壓力最低卻不會(huì)產(chǎn)生濕壓縮的現(xiàn)象，COP值很高，這些是其優(yōu)點(diǎn)。但是它的單位溶劑制熱小，排氣溫度高，且毒性不確定，不是最佳的選擇。

總結(jié)

本文通過實(shí)驗(yàn)對(duì)各種工質(zhì)的系統(tǒng)循環(huán)性進(jìn)行了對(duì)比研究，發(fā)下R245fa是最適合高溫?zé)岜谜羝到y(tǒng)的工質(zhì)，希望此次研究能夠給高溫?zé)岜谜羝到y(tǒng)的發(fā)展和使用帶來一定的參考和思考。

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