HFO1234ze/HFCs混合工質熱泵系統循環性能分析

王 方， 朱飛宇， 楊理想， 袁秋艷， 王帥琪(中原工學院 能源與環境學院， 鄭州 450007)

0 引 言

經濟社會發展導致的能源短缺、臭氧層破壞以及溫室效應等問題日益凸顯，熱泵[1]正是因其具有節能減排、環保高效等獨特優勢受到業內研究人員青睞。目前常用制冷工質主要是R22、R134a、R410a和R407c等[2]，這些制冷工質的ODP指數相對較低或為零，但GWP值均較高，研制開發ODP為零、GWP較低的制冷工質是保證熱泵技術快速高效發展的前提。HFO1234ze[3]的ODP為零，GWP較低，大氣壽命極短，蒸發壓力偏低，但氣化潛熱較低、輕微易燃，其COP與體積制冷量均低于目前常用工質R134a[4]；氫氟烴(HFCs)雖然其ODP為零，但GWP較高，大氣停留時間較長，大量使用會引起全球氣候變暖，但具有較好的熱力學性能?；贖FO1234ze、HFCs的各自特性，將HFO1234ze和HFCs按不同比例混合以期實現兩者優勢互補，通過添加適量HFCs以改善HFO1234ze熱力學特性與傳輸特性成為了研究者的關注焦點。

楊英英等[5]用R32、R1234ze兩種制冷劑在直徑2 mm的水平細圓管內進行了冷凝換熱實驗，測試了R32、R1234ze在不同工況條件下的冷凝換熱系數和壓降，得出R32的冷凝換熱系數較高，對小通道內換熱機理的研究提供了數據基礎與理論支持；陳紅群等[6]在非熱泵熱水器名義工況下(設定熱匯進出口溫度分別為為15 ℃、42 ℃，環境干濕球溫度分別為20 ℃、15 ℃)應用優化的KW2模型參數計算程序，對比分析了R1234ze/R32混合制冷劑與R410a的熱物理性質，得出R1234ze/R32混合制冷劑配比為0.3/0.7時，單位容積制熱量與 R410a最為接近，且冷凝壓力更低，制熱系數更高，為熱泵熱水器的制冷劑替代提供了可行性參考；Mota-Babiloni等[7]通過實驗得出R1234ze/R134a系統相比于R134a系統，COP平均高出1%，排氣溫度、壓縮機功耗均低于R134a系統，分析了R1234ze/R134a作為R134a的替代趨勢；Han等[8]通過實驗驗證了新型三元非共沸混合工質HFC-161/125/143a (0.15/0.45/0.40)與R404a相比，其系統COP增加了6.3% ～12.1%，壓比降低了1.8%～6.6%，但其排氣溫度略高于R404a；WANG等[9]對制冷劑作為工質的脈動熱管的傳熱性能進行了試驗，結果表明，使用R134a作為工質的脈動熱管的傳熱熱阻要比使用R404a或者R600a的要小得多，指出R134a具有更好的熱傳導能力。文獻調研發現，對于各種工況下的二元混合工質熱泵系統循環性能研究尚不完善，且針對熱泵熱水器名義工況下的HFO1234ze/HFCs混合工質熱泵系統性能研究更是鮮有報道。本文對3組HFO1234ze/HFCs混合工質熱泵系統循環的熱力學特性進行系統分析，并與常用的純工質熱泵系統進行對比，以期對新型替代工質研究提供理論基礎。

1 熱泵系統循環熱力學模型

1.1 熱泵系統模型建立

圖1為HFO1234ze/HFCs熱泵系統循環流程圖，該系統主要由壓縮機、冷凝器、膨脹閥、蒸發器組成。為簡化分析熱力計算，先做出如下假設[10]：① 工質在換熱器出口處均為飽和狀態；② 系統與外界之間無熱量損失；③ 忽略潤滑油對工質或混合工質的影響；④ 忽略工質在換熱器、連接管路中的壓降；⑤ 壓縮過程為絕熱非等熵過程，等熵效率為0.7；⑥ 蒸發器和冷凝器中最小傳熱溫差取7 ℃；⑦ 節流過程為絕熱節流。

圖1 混合工質熱泵系統循環流程圖

混合工質亞臨界理論循環主要計算公式如下：

制熱性能系數

COPh=(h2-h3)/(h2-h1)

(1)

單位質量制熱量

qh=h2-h3

(2)

單位功耗

w=h2-h1

(3)

壓縮機壓比

r=pc/pe

(4)

非共沸混合工質在換熱器中定壓相變時溫度呈非線性變化，在熱力循環計算中，考慮到傳熱窄點溫差的作用，冷凝器中每處熱匯和工質的溫差均滿足[12]：

(5)

蒸發器中每處熱源和工質溫差滿足[12]：

tppe=min[(tsoi-t1),(tsoo-t4)]

(6)

式中：h為工質比焓(J/g)；tsio、tsii分別為熱匯出口、入口溫度( ℃)；tsoo、tsoi分別為熱源出口、入口溫度( ℃)；tppc、tppe分別為熱匯、熱源與工質的溫差( ℃)；tv為工質在冷凝壓力下的飽和蒸氣溫度( ℃)；下角標1、2、3、4分別對應圖2中各狀態點。

圖2 混合工質配比與系統COP的關系

1.2 計算工況選擇

依據國家標準《家用和類似用途熱泵熱水器》，設定熱匯進、出口溫度分別為15 ℃、55 ℃；熱源進、出口溫度分別為15 ℃、10 ℃。基于以上假設和分析，利用EES[14]開發程序，采用熱泵系統模型，對HFO1234ze/HFCs混合工質進行理論模擬計算，其中混合工質的熱力學參數利用接口程序調用美國NIST開發的REFP-ROP 9.0[15]得到。

2 計算結果及分析

為了便于分析比較，在相同的工況和計算條件下，分別計算了純R1234ze、R125、R134a以及R32作為工質的熱泵系統循環參數，結果如表2所示。

表2 R1234ze、R125、R134a和R32熱泵系統循環參數

2.1 熱泵系統制熱性能COP

圖3所示為R1234ze/HFCs系統COP在R1234ze不同質量配比下的變化趨勢?？梢钥闯?，R1234ze/R32系統COP始終高于R1234ze/R125、R1234ze/R134a系統COP；在R1234ze/R32系統中，隨著R1234ze配比的增加，系統COP呈現先增加后平緩下降的趨勢，直到R1234ze增加至70%時系統COP開始快速下降，在20/80配比處存在一極大值。在R1234ze/R125系統中，隨著R1234ze配比的逐漸增加，系統COP呈現先平緩增加而后降低的變化趨勢，在70/30配比處存在一極大值。對于R1234ze/R134a系統，隨著R1234ze配比的逐漸增加，系統COP始終呈現緩慢下降趨勢。R1234ze/R32(20/80)系統最優質量配比對應的COP值為8.36；R1234ze/R125(70/30)系統最優質量配比對應的COP值為7.41；R1234ze/R32(20/80)系統COP分別比R32、R1234ze、R125、R134a和R1234ze/R125(70/30)系統COP增加了4.53%，25.32%，41.41%，17.88%和12.81%。

圖3 混合工質配比與單位質量制熱量的關系

2.2 單位質量制熱量和單位質量功耗

系統單位質量制熱量qh隨混合工質質量配比變化情況如圖4所示。可以看出，在R1234ze/R32、R1234ze/R125、R1234ze/R134a系統中，qh均隨R1234ze配比的增加而單調增加。其中，R1234ze/R32的qh變化幅度相對較大，R1234ze/R134a系統在R1234ze配比增加至30%后，qh呈現緩慢上升趨勢，R1234ze/R125的qh始終小于其他兩系統。在R1234ze/R32、R1234ze/R134a系統中，當R1234ze質量配比均為16%時，兩系統qh存在相同值。最優配比下，R1234ze/R125(70/30)系統qh為132.3 J/g，為R125系統的1.5倍；R1234ze/R32(20/80)系統qh為151.6 J/g，為R32系統的1.2倍、R125系統的1.7倍。在相同運行工況下，qh越大，系統工質充注量越少，降低了工質泄漏時的危險性，有利于提高系統運行安全性。

圖4 混合工質配比與單位質量功耗的關系

單位質量功耗w隨混合工質配比變化趨勢如圖5所示。R1234ze/R32、R1234ze/R125和R1234ze/R134a系統w均隨R1234ze配比的增加而升高。其中R1234ze/R125系統w始終小于其他兩者；在R1234ze/R32、R1234ze/R134a系統中，當R1234ze配比均為31%時，兩系統w存在相同值。最優配比下，R1234ze/R125(70/30)系統w為32.4 J/g，略高于R32、R125系統，相對于R134a系統減少9.4%；R1234ze/R32(20/80)系統w為31.46 J/g,比R32、R125系統略高，比R134a系統減少12%。顯然，系統qh的降低有利于節能環保。

圖5 混合工質配比與冷凝壓力的關系

2.3 冷凝壓力、壓比和排氣溫度

冷凝壓力、壓比和排氣溫度的降低均有利于系統運行的穩定性、提高壓縮效率，有必要對三者進行模擬研究分析。

由圖6可見，R1234ze/R32、R1234ze/R125、R1234ze/R134a系統冷凝壓力pc均隨R1234ze配比的增加而單調降低。其中R1234ze/R134a系統pc始終小于其他兩系統；R1234ze/R32、R1234ze/R125系統中R1234ze配比均為12%時，兩系統pc存在相同值。最優配比下，R1234ze/R32(20/80)系統pc為2.295 MPa，比R134a系統略大，比R32、R125系統分別降低了28%，17%；R1234ze/R125(70/30)系統pc為1.59MPa，與R134a系統相當，比R32、R125系統分別降低了50%、42%。

圖6 混合工質配比與壓比的關系

如圖7所示，R1234ze/R32、R1234ze/R125、R1234ze/R134a系統壓比r均隨R1234ze配比的增加呈現上升趨勢，其中R1234ze/R134a系統的r上升趨勢較為緩慢，R1234ze/R32系統的r隨R1234ze配比的增加呈現先下降后上升的趨勢，在R1234ze配比為0～10%范圍內呈現下降趨勢，在R1234ze配比為10%～100%范圍內呈現上升趨勢。

圖7 混合工質配比與排氣溫度的關系

最優配比下，R1234ze/R125(70/30)r為3.505，高于R32、R125系統，低于R134a系統；R1234ze/R32(20/80)r為3.016，略高于R32系統，略低于R125系統，低于R134a系統。

從圖7可以看出，R1234ze/R32系統壓縮機排氣溫度t2隨R1234ze配比的增加呈現相對快速下降趨勢，R1234ze/R134a系統t2隨R1234ze配比的增加呈現緩慢下降趨勢，R1234ze/R125系統t2隨R1234ze配比的增加呈現先緩慢上升而后平緩的趨勢。最優配比下，R1234ze/R125(70/30)系統排氣溫度為66 ℃，低于R32和R134a系統排氣溫度，高于R125系統排氣溫度；R1234ze/R32(20/80)系統t2為80 ℃，高于R125和R134a系統排氣溫度，低于R32系統排氣溫度。

3 結 論

通過HFO1234ze/HFCs熱泵系統循環的熱力學性能分析，在計算工況下，得出以下結論：

(1) R1234ze/R32和R1234ze/R125混合工質均存在最優質量配比，使得系統COP達到最大值，對應的質量配比分別為20/80和70/30，相應的系統COP值分別為8.36和7.41。

(2) 在最優質量配比范圍內，R1234ze/R32(20/80)系統冷凝壓力為2.295 MPa，比R134a系統略大，比R32、R125系統分別降低了28%，17%；其壓比為3.016，略高于R32系統，略低于R125系統，低于R134a系統；其排氣溫度為80 ℃，高于R125和R134a系統排氣溫度，低于R32系統排氣溫度。R1234ze/R125(70/30)系統冷凝壓力為1.59 MPa，與R134a系統相當，較R32、R125系統分別降低了50%、42%；其壓比為3.505，高于R32、R125系統，低于R134a系統；其排氣溫度為66 ℃，低于R32和R134a系統排氣溫度，高于R125系統排氣溫度。

(3) 對于R1234ze/R32系統，其系統COP分別比R1234ze/R125(70/30)、R1234ze、R125、R134a和R32增加了12.81%，25.32%，41.41%，17.88%和4.53%，有望作為新型替代工質。

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