復疊式高溫熱泵低溫級工質最小熵增法篩選

1 概述

隨著碳達峰、碳中和期限的臨近，許多高能耗的工業用戶越來越重視余熱回收利用，迫切需要通過切實可行的余熱回收技術提高能源的綜合利用率

。高溫熱泵技術對熱量的高效轉移提質成為余熱回收并回歸工業利用的首選。然而，單級高溫熱泵在供熱溫度超過65 ℃時，經濟性與可推廣性變差

，且無法滿足工業熱用戶對高品位熱能的要求。復疊式高溫熱泵克服了單級高溫熱泵的缺陷，性能更好，發展潛力巨大

。

目前，高溫熱泵工質的研究主要集中在純工質、混合工質兩方面，由于存在溫度滑移特性，混合工質比純工質具有顯著的性能優勢

，因此混合工質的研究成為高溫熱泵工質研究的主要方向。Zhang等人

、楊衛衛等人

通過實驗，研究了R245fa與其他混合工質在高溫熱泵中的性能。Li等人

搭建復疊式高溫熱泵實驗臺，將自主研發的兩種混合工質(分別自主命名為BY-6、BY-3B)分別作為高、低溫級工質，從50 ℃熱源吸熱，冷凝器出水溫度達170 ℃。

為了提高系統制熱效率，減小不可逆損失，換熱過程應逼近Lorenz循環

，實現換熱器中混合工質與換熱介質的溫度匹配。適合的混合工質及配比，對于熱泵系統節能具有重要研究意義。Cheng等人

指出：溫度匹配是影響熱泵系統性能的重要因素。Guo等人

在對改進型高溫熱泵的性能研究中發現，改進循環具有較高制熱性能系數的原因是換熱流體與工質在最佳工況下的溫度匹配比較好。梁坤峰等人

基于高級火用分析方法，探討了非共沸混合工質與換熱流體之間的換熱匹配特性。趙鵬程等人

、趙力等人

、宋衛東等人

對非共沸混合工質在蒸發器內傳熱、溫差以及相對額外熵增進行分析，提出基于溫焓分析的最小熵增法，作為制定換熱器標準工況的理論基礎。余鵬飛等人

針對適用不同工況下混合工質組成的選擇問題，基于最小熵增法提出了應用于雙溫制冷機組的混合工質的優選方法。

目前，對于復疊式高溫熱泵系統低溫級工質篩選的實驗研究比較少，已知的優選模型有待實驗驗證。本文選擇R245fa作為復疊式高溫熱泵系統的高溫級工質，將R134a、R245fa按不同質量比(9∶1、8∶2、7∶3、6∶4)混合后的非共沸混合工質(以下簡稱混合工質)作為低溫級工質。基于最小熵增法計算蒸發器中混合工質的相對額外熵增。以相對額外熵增最小作為目標，篩選混合工質的最優質量比。采用實驗方法驗證最小熵增法篩選混合工質最優質量比的可行性。

2 工況及工質

在工業生產中，大量工業用戶的熱需求集中在100～140 ℃。因此，本文利用復疊式高溫熱泵技術對溫度范圍為20～40 ℃的熱源水進行利用，制取110～130 ℃的熱水。設定工況見表1。

硝基咪唑類藥物是一類人工合成的抗菌藥物，是由咪唑在濃硫酸中硝化而得，5-硝基咪唑是重要醫藥中間體[12]。

在選擇高、低溫級工質時，須考慮冷凝器的最大承壓能力(2.6 MPa)以及高、低溫級工質的最高冷凝溫度(134、95 ℃)。高溫級工質選用R245fa，臨界溫度為154 ℃，冷凝溫度為134 ℃時對應的飽和壓力為2.53 MPa。對于低溫級工質，選取R134a作為基礎循環工質，其單位容積制熱量比較高，制熱能力比較好，但在中高溫工況下的冷凝壓力和排氣溫度均比較高，當冷凝溫度為80 ℃時，對應的飽和壓力為2.63 MPa，超過冷凝器最大承壓能力。與R134a相比，R245fa具有冷凝壓力及排氣溫度低的特點，缺點在于單位容積制熱量偏低，因此選用R245fa作為添加組元，將R134a、R245fa按不同質量比(9∶1、8∶2、7∶3、6∶4)混合后的混合工質作為低溫級工質。

3 最小熵增法

混合工質熱泵循環與單工質熱泵循環的區別在于：混合工質在相變時壓力不變，溫度發生變化。混合工質通過溫度滑移與熱源水進行溫度匹配，可減少換熱過程中的不可逆損失。為了盡可能實現混合工質與熱源水的換熱溫差在換熱器中的任意位置保持相等，根據溫焓關系建立蒸發器中由溫差傳熱產生的熵增模型，計算各工況下蒸發器內由于傳熱溫差產生的相對額外熵增。以相對額外熵增最小作為目標，篩選混合工質的最優質量比。

總之，沙特這樣的鐵桿盟友出了“卡舒吉事件”這樣的幺蛾子，使得美國處于被動地位，而伊朗的外部壓力因此得到某種程度上的緩解。“豬一樣的隊友”效應實際上也幫了伊朗大忙。

3.1 最小熵增法模型

在低溫級工質與熱源水換熱過程中，進行以下設定：傳熱過程為常熱流穩態傳熱，混合工質質量比不變。傳熱過程中熱源水的物性參數不變。蒸發壓力不變，且無換熱損失。

將蒸發器內混合工質與熱源水的換熱過程簡化為雙通道逆流換熱，簡化模型見圖1。計算不同混合工質質量比下的熵增變化時，以換熱過程中溫差最小值為基準，進行溫差傳熱熵增計算，從而計算相對額外熵增。相對額外熵增越大，循環越偏離Lorenz循環，換熱產生的不可逆損失越大，換熱效率降低。

混合工質相對額外熵增

的計算式為

：

e,r,

——第

個點的混合工質溫度，℃

(1)

(2)

(3)

=

-Δ

2012年前后，杭州市政府大力探索智慧城市建設，區域醫療信息化建設推進迅速，希望實現醫療機構互聯互通，達成“智慧醫療”概念。最終，市民卡成為患者進入杭州醫療服務體系的一個“公共載體”。這些網絡基礎設施建設，為醫院一系列后續流程變革創造了條件。

(4)

Δ

——熱源水與混合工質的最小換熱溫差，℃

(5)

式中

——混合工質相對額外熵增

各工況不同質量比的混合工質、熱源水在蒸發器內的溫度分布見圖2～4。為便于分析，將蒸發器長度取為1，并將混合工質進口作為原點。各工況的混合工質理論相對額外熵增(由理論計算結果得到的相對額外熵增)見表2。由表2可知，3種工況最小理論相對額外熵增對應的混合工質質量比分別為9∶1、8∶2、8∶2。由圖2～4可知，當工況1～3的混合工質質量比為9∶1、8∶2、8∶2時，混合工質與熱源水的換熱溫差在蒸發器沿程的波動最小。這說明2種流體溫度匹配最好，換熱不可逆損失最小。

Δ

——蒸發過程中換熱溫差為最小溫差時的熵增，J/K

——混合工質的平均溫度，℃

3種工況的蒸發器進口熱源水與蒸發器出口混合工質的溫差分別為3～5、4～5、5～7 ℃，并據此選取合適的蒸發壓力(見表2)。3種工況的冷凝器進口工質與冷凝器出口熱水的溫差均設定為0.5 ℃。

——熱源水的平均溫度，℃

另外，“吃禁果”是男女之情的隱喻，摩西說得過于委婉，可人們還是猜得出來，繁衍后代就等于生生不息，永遠不死了。

——將蒸發器沿程均分成的段數

1.2.1 與化學殺菌劑復合使用 化學防腐劑在果蔬采后病害防治中效果顯著，而單獨使用拮抗菌很難達到這樣的效果。因此，可以通過添加低劑量的化學防腐劑來增強拮抗菌的防治效果，有些甚至能夠100%抑制病原菌的侵染[16]。Errampalli等[17]將低劑量的cypronidil和Pseudomonas syringae復合使用，較單獨使用菌劑，能更加有效地控制蘋果青霉病。Qin和Tian[18]發現，低劑量的imazalil和Cryptococcus laurentii復合使用，對棗病害防治效果遠優于兩個菌劑單獨使用。

——最小換熱溫差時混合工質的平均溫度，℃

在新政府會計制度下，政府預算會計和財務會計之間關系較為明晰，可以根據政府撥款情況將兩者關系進行體現。但是針對預算支出、資金應用、資金應用效果等，無法在該體系中深入展現。同時，為了促進預算會計和財務會計的融合，還要對兩者脈絡進行梳理，讓政府會計職責得到快速落實，加強對政府會計監管，促進政府會計管理水平提升。但是從目前情況來說，由于政府預算會計和財務會計在會計基礎上存在差異，假設沒有對其進行科學劃分，將會給后續政府決策編制帶來影響，阻礙政府會計工作今后發展。

e,w,

——第

個點的熱源水溫度，℃

Δ

=min{

e,w,

-

e,r,

}

3.2 計算方法

采用MATLAB編程計算，在計算過程中：忽略與周邊環境的傳熱。壓縮過程為等熵壓縮，節流過程為等焓節流。混合工質與熱源水為逆流換熱，忽略系統中所有的換熱損失與壓力降。高、低溫級工質在蒸發器、冷凝器等出口均為飽和狀態。工質(包括混合工質)的熱物性參數通過調用REFPROP9.1軟件獲取。

案例2：金壇區長蕩湖清淤工程。長蕩湖是集防洪調蓄、水資源、生態環境、漁業養殖、氣候調節及旅游等功能于一體的淺水型湖泊，其供水水質和水量對太湖至關重要。根據2012年5月監測，長蕩湖水質屬于V-劣V類水質，長蕩湖表層沉積物中重金屬污染生態危害非常嚴重，進行底泥疏浚將其清除，迫在眉睫。

2.7 圖表 每幅圖單獨占1頁，集中附于文后，表格隨正文附出。圖表應按其在正文中出現的先后次序連續編碼，并應冠有圖(表)題。說明性的資料應置于圖(表)下方注釋中，并在注釋中標明圖表中使用的全部非共知共用的縮寫。本刊采用三橫線表(頂線、表頭線、底線)，如遇有合計或統計學處理行(如t值、P值等)，則在此行上面加一條分界橫線;表內數據要求同一指標有效位數一致，一般按標準差的1/3確定有效位數。線條圖應墨繪在白紙上，高寬比例為5∶7左右。計算機繪制圖者應提供激光打印圖樣。凡能使用文字表達清楚的內容，盡量不用表和圖，如使用表和圖，則文中不必重復其數據，只需摘述其主要內容。

根據上述設定進行計算，求得各工況下蒸發器進出口混合工質的比焓。將簡化后的蒸發器分為20段，設定每段的混合工質比焓變化量、熱源水溫度變化量均相同，求得蒸發器沿程21個點處的混合工質比焓、熱源水溫度。由混合工質的蒸發壓力和各點的比焓，可計算得到混合工質在蒸發器21個點處的溫度，最后由式(1)～(5)計算混合工質相對額外熵增。

3.3 理論計算結果與分析

Δ

——由于溫差改變導致的熵增，J/K

2.3 角度調節閥用于連接操縱桿和探測儀盒并調節探測儀盒的角度，見圖2。其由操縱桿連接部、角度調節旋鈕和盒尾連接部組成，操縱桿連接部中空，尾端開口，內腔與操縱桿前端的空心套管的形狀大小匹配，以便套合于操縱桿的頂端;角度調節旋鈕位于操縱桿連接部和盒尾連接部之間，用于調節盒尾連接部的角度;盒尾連接部呈板狀或棍狀，用于與探測儀盒的盒尾銜接。

4 實驗驗證

4.1 實驗目的

采用實驗方法驗證最小熵增法篩選混合工質最優質量比的可行性。

4.2 實驗系統

實驗地為天津。復疊式高溫熱泵實驗系統見圖5。系統由4個循環構成：熱源水循環、低溫級工質循環、高溫級工質循環、熱水循環。高、低溫級分別為兩個壓縮式熱泵循環，由蒸發冷凝器連接冷凝器與蒸發器，蒸發器從可調節水溫的恒溫水箱(制備熱源水)取熱，冷凝器制備熱水。熱源水在蒸發器中將熱量傳給低溫級工質后回到恒溫水箱后升溫并維持溫度穩定。熱水在冷凝器吸收熱量后經過散熱器放熱后繼續回到循環中吸熱，為保證熱水溫度在超過100 ℃后仍為液態，熱水循環系統為封閉帶壓系統。主要裝置額定參數見表3。

實驗中，高溫級工質選用R245fa，低溫級工質為不同質量比的R134a、R245fa混合工質。通過調節恒溫水箱溫度及熱源水流量，保證熱源水進出蒸發器溫度滿足工況1～3的需要。當熱水溫度分別達到目標溫度(110、120、130 ℃)時，打開散熱器放熱，使熱水溫度在各工況下穩定30 min，視為系統達到穩定狀態，記錄數據。測量儀表包括溫度傳感器、壓力傳感器、渦輪流量計、功率表等，參數見表4。測量數據由Agilent 34972A型數據采集儀采集記錄。數據采集時間間隔為10 s。

系統制熱性能系數為系統制熱量與壓縮機(包括低溫壓縮機、高溫壓縮機)耗電功率之比，系統制熱量根據熱水進出冷凝器的溫度與流量進行計算。

4.3 實驗結果與分析

① 系統性能

各工況不同混合工質質量比對應的系統制熱性能系數見表5。需要說明的是，由于工況3的蒸發溫度比較高，受低溫壓縮機功率的限制，無法進行工況3混合工質質量比為9∶1的實驗，因此表5中缺少一組數據。由表5可知，3種工況最高系統制熱性能系數對應的混合工質質量比分別為9∶1、8∶2、8∶2。根據系統制熱性能系數實驗結果篩選出的最優混合工質質量比，與采用最小熵增法的理論篩選結果一致。

② 實驗相對額外熵增

各工況不同混合工質質量比對應的實驗相對額外熵增(由實驗結果得到的相對額外熵增)見表6。由表6可知，3種工況最小實驗相對額外熵增對應的混合工質質量比分別為9∶1、8∶2、8∶2。實驗獲得的各工況的最優混合工質質量比與理論分析結果一致，驗證了理論方法的正確性。由表2、6可知，相同條件下實驗相對額外熵增比理論相對額外熵增稍高，這主要是由于理論模型沒有考慮混合工質在蒸發器內的壓力降和組分遷移的影響。

5 結論

① 由理論計算結果可知：3種工況最小理論相對額外熵增對應的混合工質質量比分別為9∶1、8∶2、8∶2。當工況1～3的混合工質質量比分別為9∶1、8∶2、8∶2時，混合工質與熱源水的換熱溫差在蒸發器沿程的波動最小。

除凱利板業外，總投資達32億元的荊門萬華生態家居有限公司一期投資8億元引進了德國生態秸稈板生產線設備。該生產線是全球最大零甲醛秸稈板連續壓機生產線，“首板”已于8月成功下線，可年產25萬立方米秸稈生態板。二期投資2億元建設的年產800萬平方米貼面板生產線將于年底完成。目前，這兩家板材企業已成為東寶區綠色建材家居產業的龍頭企業。

② 由實驗結果可知：3種工況最高系統制熱性能系數對應的混合工質質量比分別為9∶1、8∶2、8∶2。根據系統制熱性能系數實驗結果篩選出的最優混合工質質量比，與采用最小熵增法的理論篩選結果一致。3種工況最小實驗相對額外熵增對應的混合工質質量比分別為9∶1、8∶2、8∶2。實驗獲得的各工況的最優混合工質質量比與理論分析結果一致，驗證了理論方法的正確性。

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