高溫?zé)岜糜霉べ|(zhì)的熱物理性質(zhì)分析

高溫?zé)岜糜霉べ|(zhì)的熱物理性質(zhì)分析

1熱泵工質(zhì)及熱質(zhì)特性以30.50的水溫為水源，夏季熱泵可提供75.95的熱水，可直接用于加熱和工業(yè)剩余回收。高溫?zé)岜靡蚱漭^高的出水溫度,在油田原油加熱集輸、化工、城市熱水余熱回收、木材干燥等場合有廣泛的應(yīng)用。高溫水源熱泵技術(shù)與常規(guī)熱泵相比,具有其自身的特點(diǎn):較高的冷凝溫度和冷凝壓力,較高的壓縮比和排氣溫度等。熱泵工質(zhì)的性質(zhì)在一定程度上決定著系統(tǒng)整體的工作性能,在蒸汽壓縮式熱泵系統(tǒng)中,目前常用工質(zhì)主要有CO2、R134a、R124、R142b等純質(zhì)工質(zhì)及非共沸及近共沸混合工質(zhì),如R404A等。自然工質(zhì)如CO2屬環(huán)境友好型制冷劑,但運(yùn)行壓力高,對(duì)系統(tǒng)部件耐壓要求較高;R124、R142b等HCFC類工質(zhì)可以在高溫?zé)岜弥袘?yīng)用,但根據(jù)蒙特利爾議定書的要求,該類制冷劑將逐步減少產(chǎn)量直至淘汰,使其在高溫?zé)岜妙I(lǐng)域內(nèi)的持續(xù)應(yīng)用受到限制。尋求環(huán)境友好、熱力性質(zhì)穩(wěn)定、系統(tǒng)性能良好的高溫工質(zhì),是目前高溫水源熱泵研究的一個(gè)重要內(nèi)容,對(duì)推進(jìn)節(jié)能型社會(huì)的發(fā)展具有積極意義。2熱物性參數(shù)的研究1,3,3,3-四氟丙烯(R1234ze)是由霍尼韋爾和杜邦公司推出的制冷劑,其分子式為CF3CH=CHF,分子量為114,無毒性,不可燃,ODP值為0,GWP值為6,大氣停留時(shí)間為11天,化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。在國內(nèi)針對(duì)R1234ze的研究中,不少學(xué)者詳細(xì)介紹了該制冷工質(zhì)的熱物理性質(zhì)、合成研究進(jìn)展、與現(xiàn)有制冷系統(tǒng)所用材料的相容性及其在制冷領(lǐng)域的應(yīng)用等[1~8]。汪訓(xùn)昌介紹了R1234ze熱物性的相關(guān)測試方法,給出了制冷劑參數(shù)的測試結(jié)果,并分析了該測試所得數(shù)據(jù)與其他文獻(xiàn)數(shù)據(jù)存在差異的原因。Brown等在詳細(xì)研究R1234ze的基礎(chǔ)上,提供了R1234ze的臨界壓力、臨界溫度、密度、偏心因子等參數(shù)及工質(zhì)的傳熱特性,對(duì)比R1234ze與R114的系統(tǒng)循環(huán)性能后提出可將R1234ze作為R114的替代物。Akasaka基于有效實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)提出了一個(gè)R1234ze的熱物性模型,利用該模型可準(zhǔn)確計(jì)算R1234ze的蒸汽壓力、飽和液體密度、等壓熱容等物性參數(shù),并提供了由該模型計(jì)算得到的R1234ze熱物性圖表。Grauso研究了相同工況下R1234ze與R134a在蒸發(fā)過程中的流動(dòng)模型、換熱及壓降情況,結(jié)果顯示R1234ze可在多個(gè)應(yīng)用場合作為R134a的替代品。Park等采用實(shí)驗(yàn)手段對(duì)比了相同工況下制冷劑R1234ze與R134a、R236fa在垂直微通道內(nèi)的冷凝傳熱性能,結(jié)果表明R1234e的放熱性能與R236fa相當(dāng),比R134a低約15~25%。Hossain等研究了R1234ze、R32與R1234ze的混合物、R32和R410A在水平光管中的傳熱性能,實(shí)驗(yàn)指出在40℃的飽和溫度下,R1234ze的傳熱性能比R32低20%~45%,比R410A高10%~30%。目前國內(nèi)外關(guān)于R1234ze的研究,主要集中于R1234ze熱物理性質(zhì)及其在不同尺度管內(nèi)流動(dòng)換熱性能的研究,有部分文獻(xiàn)介紹了其在制冷循環(huán)中的應(yīng)用,但以R1234ze作為高溫水源熱泵工質(zhì)的應(yīng)用研究尚未展開?；赗1234ze熱物性參數(shù),本文對(duì)其在高溫?zé)岜孟到y(tǒng)中應(yīng)用的性能進(jìn)行了計(jì)算。通過與目前常用熱泵工質(zhì)的對(duì)比分析,探討了將R1234ze用于高溫?zé)岜玫目尚行?。同時(shí)基于高溫水源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行中出現(xiàn)的問題,以R1234ze為熱泵工質(zhì)的前提下,介紹了對(duì)壓縮機(jī)和熱泵機(jī)組的改進(jìn)情況。3比較7124hz和高溫冷熱行業(yè)的質(zhì)量3.1基本物理比較3.1.1臨界壓力較強(qiáng)R1234ze基本性質(zhì)與目前常用高溫?zé)岜霉べ|(zhì)對(duì)比如表1所示,對(duì)比工質(zhì)均為純質(zhì)。R1234ze臨界溫度109.4℃,高于R134a的臨界溫度;臨界壓力3.632MPa,與R124、R245fa相當(dāng),低于R134a的臨界壓力;其存在順反異構(gòu)體Z型與E型,標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)Z型為-19℃,E型為9℃,可滿足高溫?zé)岜孟到y(tǒng)較高蒸發(fā)溫度的使用要求;安全等級(jí)為A1,屬低毒性,不可燃;相比具有14年大氣壽命的R134a,R1234ze大氣壽命約11天,對(duì)環(huán)境影響很小;ODP值為0,GWP值僅為6,遠(yuǎn)小于其他幾種常用工質(zhì),在環(huán)境保護(hù)方面具有極大的優(yōu)勢。3.1.2不同冷凝器溫度下工質(zhì)飽和和壓力的變化冷凝溫度較高時(shí)采用較低飽和壓力工質(zhì)對(duì)壓縮機(jī)及系統(tǒng)部件的耐壓要求較低,有利于擴(kuò)展熱泵機(jī)組部件選型的范圍,同時(shí)降低機(jī)組因耐壓需求而額外增加的成本。圖1給出了不同工質(zhì)飽和壓力在相應(yīng)冷凝溫度下的數(shù)值比較。在冷凝溫度區(qū)間70~95℃內(nèi),R1234ze飽和壓力高于同溫度下R124、R142b及R245fa的壓力,低于同溫度下的R134a、R152a的壓力。在冷凝溫度為100℃時(shí),R1234ze飽和壓力為3MPa,大于R124的2.377MPa,小于R134a的3.975MPa。在常用的幾種熱泵工質(zhì)中,R1234ze的飽和壓力居中,其在高溫水源熱泵應(yīng)用中,對(duì)系統(tǒng)部件無耐壓方面的特殊要求。3.1.3蒸發(fā)溫度的變化單位壓降引起蒸發(fā)溫度的變化表征了工質(zhì)在蒸發(fā)器中因流動(dòng)阻力造成的壓降對(duì)蒸發(fā)溫度的影響程度。表2給出了不同熱泵工質(zhì)在35℃蒸發(fā)溫度飽和蒸汽壓力下,單位壓降(0.1MPa)引起的蒸發(fā)溫度的變化情況。R1234ze單位壓降造成的蒸發(fā)溫度變化為5.67℃,略高于R134a、R152a,遠(yuǎn)低于R124、R142b。蒸發(fā)過程中,R1234ze單位壓降所造成的蒸發(fā)溫度變化值較小,該特性有利于系統(tǒng)取得更高的系統(tǒng)能效比。3.1.4常見潤滑均相均相將質(zhì)量百分比為5%、20%、50%的礦物油(C3)、烷基苯、聚烯醇油、改性聚烯醇油、乙烯醚油、聚亞烷基二醇(PAG)、多元醇脂(POE)等常見潤滑油分別與R1234ze混合,在環(huán)境溫度-50~70℃范圍內(nèi)觀察,結(jié)果全部為均相。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明R1234ze與常用潤滑油具有良好的互溶性［1］。3.2系統(tǒng)不同冷凝器溫度下等熵效率對(duì)比實(shí)驗(yàn)為分析R1234ze在高溫?zé)岜孟到y(tǒng)中應(yīng)用的可行性,同時(shí)對(duì)比常用熱泵工質(zhì)在高溫?zé)岜脩?yīng)用中的性能,高溫?zé)岜孟到y(tǒng)參數(shù)設(shè)定如下:蒸發(fā)溫度為35℃,過熱度和過冷度為5℃,等熵效率為0.72。模擬計(jì)算中,冷凝溫度從65℃每間隔5℃到100℃,共取8個(gè)工況點(diǎn)參與性能對(duì)比。主要對(duì)比參數(shù)有相同運(yùn)行工況下系統(tǒng)制熱COP、單位容積制熱量、壓縮比、壓縮機(jī)排氣溫度等。3.2.1不同冷凝器溫度下系統(tǒng)制冷cop的變化情況下,其符合以下情況圖2示出了熱泵系統(tǒng)制熱COP隨冷凝溫度的變化曲線。從圖中可以看出,在采用不同工質(zhì)時(shí),系統(tǒng)制熱COP隨冷凝溫度的升高呈現(xiàn)出相同的變化趨勢,隨冷凝溫度的升高而降低。以采用R1234ze為例,在75~95℃冷凝溫度區(qū)間內(nèi),系統(tǒng)制熱COP由4.8降至2.94,尤其在冷凝溫度為95℃時(shí),采用R1234ze時(shí)系統(tǒng)制熱COP值為2.94,高于相同冷凝溫度下采用R134a時(shí)的系統(tǒng)制熱COP值2.88。文獻(xiàn)給出的關(guān)于R134在高溫?zé)岜孟到y(tǒng)應(yīng)用實(shí)際的運(yùn)行參數(shù)與本計(jì)算一致,但是采用R1234ze時(shí)對(duì)系統(tǒng)參數(shù)的影響并沒有給出。3.2.2不同冷凝器溫度對(duì)容積制熱量的影響工質(zhì)單位容積制熱量是在相同制熱量下壓縮機(jī)整體尺寸的決定因素之一,采用較小單位容積制熱量的工質(zhì)時(shí)需要較大的壓縮機(jī)體積來滿足制熱量的需求。各工質(zhì)單位容積制熱量隨冷凝溫度的變化如圖3所示。從圖中可以看出:各工質(zhì)的單位容積制熱量隨冷凝溫度的升高呈下降的趨勢,其中R134a與R152a在高溫工況下具有最高的單位容積制熱量,R1234ze的單位容積制熱量較R134a小但大于同等條件下R124的值;95℃冷凝溫度時(shí),R1234ze單位容積制熱量為4009kJ/m3,較R124的3240kJ/m3大24%。3.2.3不同冷凝器溫度下系統(tǒng)參數(shù)估計(jì)熱泵系統(tǒng)運(yùn)行過程中,壓縮比關(guān)系到熱泵系統(tǒng)的整體性能,較高的壓比可導(dǎo)致壓縮機(jī)容積效率和絕熱效率的降低,排氣溫度的增加等。圖4給出了在蒸發(fā)溫度為35℃運(yùn)行工況下系統(tǒng)壓縮比隨冷凝溫度變化的情況。在相同蒸發(fā)溫度和冷凝溫度下,除采用R245fa的系統(tǒng)壓比遠(yuǎn)大于其他幾種工質(zhì)外,采用R1234ze的系統(tǒng)壓縮比值與R134a、R124相當(dāng)。在高溫運(yùn)行工況下,采用R1234ze時(shí)系統(tǒng)壓縮比小于5,從而提高了系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和可靠性。3.2.4長期運(yùn)行,持續(xù)運(yùn)行隨冷凝溫度的升高,高溫?zé)岜脡嚎s機(jī)排氣溫度會(huì)逐漸升高,而過高的排氣溫度造成壓縮機(jī)過熱,不利于機(jī)組的長期運(yùn)行。圖5給出在系統(tǒng)采用不同工質(zhì)的情況下,壓縮機(jī)排氣溫度隨冷凝溫度的變化情況。從圖中可看出,在高溫?zé)岜眠\(yùn)行溫度區(qū)間內(nèi),采用R1234ze的壓縮機(jī)排氣溫度低于采用R134a、R152a及R142b時(shí)的排氣溫度,冷凝溫度為100℃時(shí)其排氣溫度約為113℃,處于壓縮機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行所要求的排氣溫度區(qū)間。4不同工質(zhì)所需壓縮機(jī)的性能對(duì)比將R1234ze實(shí)際應(yīng)用于高溫?zé)岜脵C(jī)組時(shí),需根據(jù)R1234ze的特點(diǎn)調(diào)整機(jī)組各部件來保證系統(tǒng)的穩(wěn)定高效運(yùn)行。表3給出了在蒸發(fā)溫度為35℃,冷凝溫度為95℃,制熱量為100kW工況下,系統(tǒng)采用不同工質(zhì)所需壓縮機(jī)理論排氣量及冷凝器所需換熱面積的對(duì)比。目前,常用于高溫?zé)岜脵C(jī)組的壓縮機(jī)主要是半封閉螺桿壓縮機(jī)和半封閉活塞壓縮機(jī)。冷凝器為殼管式換熱器,制冷劑在管外凝結(jié)放熱,冷卻水設(shè)計(jì)流速為1m/s,其傳熱系數(shù)采用Dhir等提出的關(guān)聯(lián)式計(jì)算[17,18]。4.1方案b:將s1234ze熱泵機(jī)組采用作壓縮機(jī)從表3可以看出:制熱量相同,采用R1234ze為工質(zhì)的系統(tǒng)需要壓縮機(jī)排氣量89.8m3/h,是R134a的1.3倍,是R124的0.85倍。相同溫度下R1234ze的飽和壓力低于R134a,使得目前市場上適用于工質(zhì)R134a的壓縮機(jī)可直接應(yīng)用于R1234ze熱泵機(jī)組中,從而擴(kuò)展了適合于R1234ze工質(zhì)的壓縮機(jī)選型范圍。對(duì)于半封閉螺桿壓縮機(jī)而言,若將市場上已有的R134a壓縮機(jī)應(yīng)用于R1234ze熱泵機(jī)組,需對(duì)壓縮機(jī)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整:調(diào)整排氣孔口的位置來調(diào)節(jié)壓縮機(jī)內(nèi)容積比,使內(nèi)壓力比與外壓力比匹配,保證壓縮機(jī)效率;根據(jù)R1234ze物性參數(shù)計(jì)算轉(zhuǎn)子受力,調(diào)整壓縮機(jī)軸承;合理選擇機(jī)組潤滑油。同樣,將R1234ze應(yīng)用于高溫?zé)岜孟到y(tǒng),同樣需設(shè)置額外的保護(hù)措施保證壓縮機(jī)安全運(yùn)行。對(duì)螺桿壓縮機(jī)而言:設(shè)置外置油冷卻器來降低壓縮機(jī)潤滑油系統(tǒng)的溫度;合理設(shè)置噴油孔口及計(jì)算壓縮機(jī)在高溫工況下的噴油量,向壓縮機(jī)封閉容積腔噴入霧狀潤滑油以減低排氣溫度;應(yīng)用于高溫?zé)岜玫膲嚎s機(jī)運(yùn)行時(shí)功率較常規(guī)壓縮機(jī)高,應(yīng)對(duì)電機(jī)擴(kuò)容10%~15%左右,避免壓縮機(jī)在高溫工況下過載運(yùn)行;在電機(jī)繞圈預(yù)埋溫度傳感器監(jiān)測電機(jī)溫度。4.2冷凝器傳熱管束的布置由表3可知,制熱量相同,系統(tǒng)采用工質(zhì)R1234ze冷凝器所需的換熱面積與系統(tǒng)采用R124時(shí)相當(dāng),僅為R134a的0.84倍。較小的換熱面積顯示了R1234ze在冷凝器中良好的放熱性能,保證了換熱量較大時(shí)冷凝器可維持在合理的尺寸。為保證制冷劑在冷凝器中充分換熱,R1234ze高溫?zé)岜脵C(jī)組冷凝器換熱管束的布置區(qū)別于制冷系統(tǒng)用冷凝器。制冷系統(tǒng)中冷凝器傳熱管布置時(shí),通常在冷凝器殼體內(nèi)下部留出一定空間不裝傳熱管,起到貯液器的作用。而在高溫?zé)岜美淠髟O(shè)計(jì)中,需在殼體下部設(shè)置一定數(shù)量的傳熱管,以保證冷凝器底部制冷劑液體與冷凝水的充分換熱。4.3氣端潤滑分離R1234ze熱泵機(jī)組高溫工況下,排氣壓力過高影響排氣端潤滑油的分離,油分離效率過低會(huì)使大量的潤滑油進(jìn)入系統(tǒng),造成壓縮機(jī)油位降低,影響壓縮機(jī)正常工作甚至損壞。在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí),應(yīng)增加二次油分來增加油氣分離的效果。5制冷系統(tǒng)cop的應(yīng)