工質基團對液泵驅動自然冷卻回路系統性能的影響

(北京工業大學環境與能源工程學院 北京 100124)

對于系統而言，除了各部件性能和系統匹配的優化外，工作介質的性能對系統性能的影響不容忽視。工質與節能環保、環境資源兩大主題息息相關[1]。1987年后國際社會先后簽訂了蒙特利爾、基加利等制冷劑修訂案，議定協議中指出國際社會將采取行動逐步淘汰破壞環境的工質，并加強研究開發替代品。但工質替代的原則是新工質的性能不能差于原有工質。呂冰等[2]從不同領域對制冷劑要求的側重不同入手，歸納了R290、R32、R407C、R1234yf、R1234ze等替代制冷劑在相關領域的研究進展。盛健等[3-5]通過理論計算和實驗分析綜合考慮得出以工質R290、R32代替工質R22的結論。桂超[6]總結了天然工質和HFOs工質作為替代工質應用于各領域的研究成果。

決定工質性能的正是組成它的各個結構單元的元貢獻之和，利用該算法可估算工質熱物性稱之為基團貢獻法。之前的研究主要著重于不同配比工質的基礎熱物性參數的計算[7-8]。后來也有研究者利用基團貢獻法，對有機朗肯循環(ORC)、熱泵等系統的性能進行分析。Wen Su等[9-10]進行了基于基團貢獻法ORC的優化及工質設計和基于基團貢獻法純工質的物理性質估計等研究。劉煥衛[11]應用基團貢獻法和燃燒學相關理論對獨立式燃氣機熱泵系統進行了理論和實驗研究。

液泵驅動自然冷卻回路目前主要應用于數據中心散熱領域，研究人員針對系統結構和配置進行了研究。莫冬傳等[12]對機械泵驅動兩相回路的儲液器控溫策略進行了研究。張雙等[13-14]對數據中心用泵驅動兩相冷卻回路換熱特性進行了研究。王絢等[15-17]對泵驅動兩相冷卻系統變工質特性和節能效果進行過多項研究，實驗研究得出R32比 R22更適合作為泵驅動兩相冷卻的工質。但針對數據中心特殊工況下，系統工質如何優化和選擇、適宜工質如何配置，仍有待進一步細化和明確。

本文根據液泵驅動自然冷卻回路實際循環p-h圖，引入基團貢獻法，通過分析對比不同工質基團對系統制冷量和能效比的影響，得到系統適宜工質的基團組成及優化和選擇原則，從而為系統性能的進一步改進提供理論依據。

1 液泵驅動自然冷卻回路系統

圖1 液泵循環原理

1.1 工作原理

圖1所示為液泵循環原理，液泵系統由工質泵、蒸發器、冷凝器及儲液罐組成。工質泵為系統提供動力，蒸發器負責將冷工質與室內熱空氣進行換熱，而冷凝器則將系統中的熱量排放至室外，儲液器起穩流和穩壓作用。系統中的過冷工質被工質泵從儲液罐中抽送至蒸發器，在蒸發器內工質與外界熱環境進行蒸發換熱，然后進入冷凝器中冷卻降溫，最后回到儲液罐完成一個循環。

1.2 實際循環過程及性能指標

忽略一些次要因素的干擾，對實驗系統進行如下假設：

1)工質在系統中為穩定流動；

2)將系統中并聯的蒸發器和冷凝器作為一個整體考慮分析；

3)工質只在蒸發器和冷凝器中與環境交換熱量，在連接管和儲液器中不和外界發生熱交換，即工質從工質泵至蒸發器、蒸發器至冷凝器、冷凝器至儲液器及儲液罐至工質泵的過程為等焓過程；

4)儲液器內有氣液分界面，認為工質從進入儲液器的狀態及從儲液器出來的狀態不發生變化；

5)忽略儲液器到泵之間的阻力，控制儲液罐和泵之間的高度，從而保證泵所需的氣蝕余量。

圖2所示為簡化泵驅動兩相回路壓焓圖。

圖2 液泵循環壓焓圖

滿足上述假設后，壓焓圖各個過程如下：

(1)1-2：工質泵壓縮過程；

W1=h2-h1

(1)

式中：h1為泵進口處焓值，kJ/kg；h2為泵出口處焓值，kJ/kg；W1為泵功，kW。

(2)2-3：節流過程，可近似看成絕熱過程。對于液體而言等焓線與等溫線幾乎重合，因此認為工質溫度不變，忽略局部阻力；

(3)3-4：蒸發器中蒸發吸熱過程，逆流換熱；

Q34=h3-h4

(2)

式中：h3為蒸發器進口處焓值，kJ/kg；h4為蒸發器出口處焓值，kJ/kg；Q34為蒸發器吸收的熱量，kJ/kg。

(4)4-5：蒸發器至冷凝器之間絕熱過程；

(5)5-6：冷凝器中冷凝放熱過程，逆流換熱；

Q56=h5-h6

(3)

式中：h5為冷凝器進口處焓值，kJ/kg；h6為冷凝器出口處焓值，kJ/kg；Q56為冷凝器放出的熱量，kJ/kg。

(6)6-7：冷凝器出口至儲液器進口，絕熱過程，忽略沿程和局部阻力；

(7)7-8：儲液罐進口至出口，穩定運行時儲液罐內有氣液分界面，忽略儲液罐阻力和換熱；

(8)8-1：儲液罐至工質泵，忽略沿程和局部阻力。

Q=Q34-Q56

(4)

式中：Q為制冷量，kW。

(5)

式中：W為輸入功，kW；EER為能效比。

由于該系統是水側換熱只有泵功，因此輸入功等于泵功。

制冷量和EER的變化率的定義式為：

(6)

(7)

(8)

(9)

式中：n=1，2，3，…,7。

計算單原子基團制冷量和EER的變化率(α1,β1)，計算H和F原子基團時只需把C換成H或F即可。計算多原子基團的制冷量和EER的變化率(α2,β2)，計算CH、CH2、CH3、F基團時同上只需把C替換即可。因單原子基團數較多，多原子基團中CH、CH2、CH3的基團數均為1，所以計算不同基團制冷量和EER的變化率時采用了兩種公式。

2 工質及基團分類

利用C、CH、CH2、CH3、F 這5種基團排列組合得出42種新型工質，與《制冷原理與技術》中的制冷劑命名法相對照[18]。最終選出15種工質[10]分為單原子基團(C、H、F)和多原子基團(C、CH、CH2、CH3、F)在蒸發溫度為25 ℃，冷凝溫度為15 ℃，質量流量為2 700 m3/h時，從REFPROP查詢其物性參數。帶入液泵驅動自然冷卻回路[19]計算制冷量和能效比，分析每個原子基團對其性能的影響。將組成15種工質的單原子基團和多原子基團按照單原子C基團增序進行編號并列于表1。

表1 組成工質的單原子基團和多原子基團數

3 結果分析與討論

3.1 單原子基團對系統的影響

圖3所示為單原子基團時，15種工質的制冷量。其中R41制冷量最高為18.73 kW，R218制冷量最低為6.89 kW。由圖3可知，隨著工質中C原子數增加制冷量減小，且數值減小較為明顯。當C原子數恒定時，隨著H原子數的減少或F原子數的增加，制冷量減小。此外，1個C原子時制冷量波動較大，2、3個C原子時制冷量波動較為穩定。但在工質10(R116)時制冷量突然增大，導致該現象的原因可能是分子中H原子的缺失。有3處沒有H原子分別是工質4(R14)、工質10(R116)和工質15(R218)。而與R14和R28相比，R116的制冷量大，可能是F原子數較多且C原子數適中造成的。C原子數越少，制冷量越大，因此R14的制冷量比R218的制冷量大。

圖3 單原子基團和制冷量

圖4所示為單原子基團時，15種工質的EER工質順序。由圖4可知，15種工質的EER均大于9，EER最高可達9.53，最低為9。與圖3相比，圖4中隨著C原子的增加EER波動較為穩定。隨著C原子數的增加EER減小。C原子數恒定時，隨著H原子數的減少或F原子數的增加，EER減小。而H原子和F原子比例失衡的幾個特殊點大體上呈現EER最小化。由圖3和圖4可知，工質11、工質12和工質13組成原子數比列相同，只是原子排列不同，因此制冷量和EER幾乎無變化。這印證了基團貢獻法的定義，同一種基團對某一物性的貢獻值是相同的。

圖4 單原子基團和EER

3.2 多原子基團對系統的影響

分析多原子基團對系統的影響，工質按照C原子的升序排，再將其分成C、CH、CH2、CH3、F等5個基團，圖5和圖6所示分別為5種多原子基團的制冷量和EER。由圖5和圖6可知，C、CH、CH23個基團大體上分布于制冷量和EER較低處，而CH3則分布于制冷量和EER較高處。分子式中每個原子質量不同，對分子式影響大小不同。由這些原子構成的基團對工質影響也不同，但這些基團會保留原子原有的本質。綜上所述，工質中C原子數的影響占主導地位，因分子式中C原子數決定H和F原子數。再由C原子數恒定的情況下H原子數越多制冷量和EER越大，H原子數的影響位居其次。因此單原子基團對系統的影響順序為：C>H>F(在此H和F原子數對工質的影響是按照其基團貢獻值大小決定)。結合圖5和圖6，多原子基團對系統的影響應順序為：CH3>CH2>CH>C>F。

圖5 多原子基團和制冷量

圖6 多原子基團和EER

3.3 不同基團對制冷量和EER變化率的影響

不論工質是單原子基團還是多原子基團，基團數均對其性能有決定性的作用。根據式(6)～式(9)，計算了制冷量和EER隨不同原子基團的變化率，將單原子基團的制冷量和EER的變化率定義為α1和β1，而多原子基團的制冷量和EER的變化率定義為α2和β2。圖7所示為不同基團對制冷量和EER的變化率的影響。多原子基團CH3的變化率最高α2=25.17%、β2=1.48%，單原子基團H的變化率最低α1=7.65%、β1=0.01%?？梢钥闯龆嘣踊鶊F的變化率比單原子基團的變化率高。而單原子基團C的α1和β1也較高，分別為22.34%和0.49%。圖7中前三為單原子基團(C、H、F)的制冷量和EER的變化率α1和β1，后四為多原子基團(C、CH、CH2、CH3)的制冷量和EER的變化率α2和β2。為方便對比放在同一圖中，并在圖中將單原子基團和多原子基團制冷量的變化率統稱為α，EER的變化率統稱為β。

圖7 不同基團對制冷量和EER變化率的影響

綜上所述，以上15種工質中，液泵驅動自然冷卻回路系統獲得高制冷量可使用：R14、R23、R32、R41、R116和R161；獲得高EER可使用：R32、R41、R125、R143a、R218、R227ea；同時獲得高制冷量和EER可使用：R32、R41、R143a、R152a、R161。將這些工質按照C原子和H原子數增序列于表2，并列出其GWP及安全等級，所有工質的ODP均為0。

綜合考慮環境指標、安全指標及上述分析給出了是否建議使用的理由(表2)。最終，對于液泵驅動自然冷卻回路系統要獲得高制冷量時建議使用R32和R161，要獲得高EER時建議使用R32和R143a，要同時獲得高制冷量和EER時建議使用R32、R143a和R161。其中R161各方面性能均優于前兩者。

4 結論

本文利用基團貢獻法結合液泵驅動自然冷卻回路系統的實際循環，將15種工質帶入泵驅動自然冷卻回路計算制冷量和能效比，并分析系統制冷量和能效比隨不同基團的變化情況，研究單原子和多原子基團對液泵驅動自然冷卻回路系統性能的影響，得出如下結論：

1)將工質按單原子基團拆分時C原子數越少制冷量越大，C原子數恒定的情況下H原子數越多制冷量和能效比越大。

2)將工質按多原子基團拆分時也會保留單原子基團對系統性能的影響，由C、H兩個原子組成的多原子基團中H原子數越多，制冷量和能效比越大。

3)分析不同基團對制冷量和能效比變化率的影響，得到多原子基團變化率比單原子基團高。對液泵驅動自然冷卻循環系統，從基團角度推薦R32、R143a、R161工質。