二元混合工質(zhì)MB85中高溫?zé)岜玫男阅?/h1>
2011-08-01 09:08:08王懷信陳清瑩潘利生
王懷信，陳清瑩，潘利生
(天津大學(xué)機械工程學(xué)院，天津 300072)
近年來隨著我國工業(yè)的發(fā)展，能源緊張、環(huán)境污染問題已經(jīng)成為人類社會可持續(xù)發(fā)展的一項難題．中高溫?zé)岜眉夹g(shù)可以提高能源利用率，節(jié)約能源．現(xiàn)階段，中高溫?zé)岜眉夹g(shù)的研究集中在尋找適合中高溫?zé)岜霉r的環(huán)境友好型工質(zhì)．早期的研究中曾以CFC11、CFC114為工質(zhì)，隨著環(huán)境保護受到重視，近期研究中涉及的工質(zhì)則以 HCFCs非共沸混合工質(zhì)為主，Nakatani等[1]對使用 HCFC-22/HFC-134,a，HCFC-22/HFC-152a，HCFC-22/HCFC-142b 和HCFC-22/HCFC-123作為工質(zhì)的熱泵系統(tǒng)進行了測試；Liebenberg等[2]和 Smit等[3]均對 HCFC-22/HCFC-142b混合工質(zhì)進行了理論研究；日本新能源工業(yè)技術(shù)開發(fā)組織(New Energy and Industrial Technology Development Organization，NEDO)開發(fā)的超級熱泵使用HCFC-123/HFC-134a作為工質(zhì)[4]．在國內(nèi)，清華大學(xué)、天津大學(xué)、上海交通大學(xué)和中科院廣州能源研究所在中高溫?zé)岜妙I(lǐng)域開展過研究：李廷勛等[5]利用非共沸混合工質(zhì) HCFC-22/HCFC-142b進行中高溫?zé)岜脤嶒炑芯?，獲得 80,℃的出水溫度；王懷信[6-9]、趙力[10]、史琳[11]等研究了多種混合工質(zhì)的理論計算，進行了部分實驗研究．
目前，蒸汽壓縮式熱泵技術(shù)高溫化研究在熱輸出溫度水平方面受到系統(tǒng)硬件的制約．現(xiàn)階段研究的主要目標(biāo)為，立足于現(xiàn)有常溫?zé)岜孟到y(tǒng)硬件，尋求環(huán)境特性、循環(huán)性能俱優(yōu)的適宜工質(zhì)．
本文以理論篩選出的循環(huán)性能優(yōu)良、樣品可得的混合工質(zhì)MB85為研究對象，以純質(zhì)HFC245fa(前期研究[12-13]中得出的優(yōu)良工質(zhì))為比較對象，采用指定工質(zhì)側(cè)參數(shù)的循環(huán)性能對比實驗評價研究方法[14]進行循環(huán)性能對比實驗研究，考察的溫度范圍為冷凝溫度 70～100,℃．
1 新型混合工質(zhì)的提出
根據(jù)優(yōu)勢互補原則對由臭氧破壞潛能(ozone depletion potential，ODP)為 0 的 HFCs、HCs物質(zhì)組成的多種混合物，在冷凝溫度 70～100,℃范圍內(nèi)，采用改進性能研究方法，進行了理論循環(huán)分析，篩選得到了一種由HFCs與HCs組成的二元近共沸混合工質(zhì)MB85(HC600/HFC245fa)．MB85的 ODP為 0，全球變暖潛能(global warming potential，GWP)為 963．蒸發(fā)溫度 tevap＝50,℃、冷凝溫度 tcond＝95,℃、過熱度 5,℃、過冷度5,℃的中高溫?zé)岜霉r下的理論循環(huán)性能如表 1所示(指定壓縮機的氣缸余隙容積系數(shù)取為0.03，電機效率、機械效率取為0.85)．
表1 MB85的循環(huán)性能參數(shù)Tab.1 Cycle performance parameters of MB85
表 1中：pcond為冷凝壓力；Pr為壓比；tdis為壓縮機排氣溫度；Qm為單位質(zhì)量制熱量；Qv為單位容積制熱量；COP為性能系數(shù)；Δtevap為蒸發(fā)器溫度滑移；Δtcond為冷凝器溫度滑移．
由表 1可見，從壓力水平看，MB85的壓力較HFC245fa略高，但遠低于常規(guī)空調(diào)、熱泵系統(tǒng)設(shè)備可承受的壓力上限；從循環(huán)性能方面看，MB85的COP較 HFC245fa略高，在節(jié)能方面有一定的潛力；單位質(zhì)量工質(zhì)制熱量 Qm大于 HFC245fa；Qv大于HFC245fa，有利于壓縮機小型化；壓比較 HFC245fa略小，有利于提高壓縮機的性能；排氣溫度也比HFC245fa略高．蒸發(fā)器和冷凝器中的相變溫度滑移分別為 0.76,℃和 0.13,℃．由以上分析可以看出，有必要對新工質(zhì)MB85進行實驗研究．
2 循環(huán)性能實驗研究
在水-水熱泵實驗臺上對新混合工質(zhì) MB85，采用指定工質(zhì)側(cè)參數(shù)的循環(huán)性能對比實驗評價研究方法[13]進行循環(huán)性能對比實驗研究．
2.1 實驗裝置
圖1為實驗裝置示意．圖中虛線表示工質(zhì)回路，實線表示載熱流體回路；冷凝器與蒸發(fā)器的載熱流體均為水．、分別為溫度、壓力測點．壓縮機為HFC134a全封閉活塞式壓縮機(丹佛斯美優(yōu)樂，MTZ22JC4AVE)，除載熱流體進出口溫度由玻璃溫度計測量外，其余各處工質(zhì)和載熱流體的溫度，均由銅-康銅熱電偶測量并由 FLUKE公司的 NetDAQ數(shù)據(jù)采集器連接計算機采集(經(jīng)標(biāo)定，測量誤差小于0.2,℃)．蒸發(fā)器和冷凝器載熱流體流量由渦輪流量計(1級)測得．三相功率表(0.2級)測量壓縮機的電機輸入功率．工質(zhì)側(cè)流量由科里奧利質(zhì)量流量計(DMF-1-3)測得．關(guān)于系統(tǒng)和測量儀表的詳細說明見文獻[15]．
2.2 實驗方法
為提高以同一實驗裝置進行不同工質(zhì)對比實驗評價的客觀性[12]，采用指定工質(zhì)側(cè)參數(shù)(蒸發(fā)溫度、冷凝溫度、過熱度、過冷度)與蒸發(fā)器和冷凝器載熱流體流量的實驗方式．通過調(diào)整蒸發(fā)器和冷凝器載熱流體進口溫度來控制、調(diào)節(jié)工質(zhì)的蒸發(fā)溫度和冷凝溫度，通過熱力膨脹閥設(shè)定過熱度，過冷度為5,℃左右．
考慮冷凝器與蒸發(fā)器中工質(zhì)流動壓降和非共沸混合工質(zhì)相變溫度滑移的影響，實驗中取蒸發(fā)溫度為工質(zhì)在蒸發(fā)器進口處的溫度與露點的平均值，冷凝溫度取為工質(zhì)在冷凝器中的露點與泡點的平均值．
2.3 實驗內(nèi)容
通過調(diào)節(jié)水側(cè)參數(shù)，對混合工質(zhì) MB85，控制蒸發(fā)溫度在 40～55,℃范圍內(nèi)變化，相應(yīng)的冷凝溫度從70,℃變化至 100,℃，進行實驗研究；對于工質(zhì)HFC245fa，保證循環(huán)溫升在 45,℃左右，冷凝溫度以5,℃左右的間隔從 85,℃改變到 100,℃，進行對照實驗研究．
圖1 實驗裝置示意Fig.1 Experimental setup
3 實驗結(jié)果與討論
循環(huán)性能對比實驗研究結(jié)果見圖 2，其中 COP由制熱量/壓縮機輸入功率(P)得到，前者由冷凝器水流量、進出口水溫差得出，也可以通過工質(zhì)進出口焓差及工質(zhì)質(zhì)量流量得出；后者由功率表直接讀?。?/p>
如圖 2(a)所示，當(dāng)冷凝溫度大于 90,℃時，在相同的冷凝溫度和 45,℃左右的循環(huán)溫升下，混合工質(zhì)MB85的制熱系數(shù)COP高于HFC245fa，當(dāng)冷凝溫度小于 90,℃時，由于缺乏數(shù)據(jù)不能準(zhǔn)確說明 2種工質(zhì)制熱系數(shù) COP的大小，但從已有的數(shù)據(jù)可以看出，2種工質(zhì)制熱系數(shù)COP相差不大．相同的蒸發(fā)溫度下，混合工質(zhì)MB85的制熱系數(shù)COP隨著冷凝溫度的升高而減?。诶淠郎囟葹?00,℃，循環(huán)溫升45,℃時COP為3.83．
實測COP遠小于理論COP值．這主要是由于硬件方面的原因及存在各種損失．一是理論計算采用指定壓縮機效率的方法，實驗中由于各種損失，所用壓縮機效率低于指定的效率；二是冷凝器中環(huán)路截面積過小導(dǎo)致工質(zhì)壓降過大．這一缺陷雖影響各工質(zhì)COP的絕對值，卻不妨礙不同工質(zhì)的對比實驗研究，可以理解為系統(tǒng)偏差．損失因素主要是熱量的散失，實驗是在高溫工況下進行的，冷凝器、壓縮機與環(huán)境間的溫差較大，由于保溫不夠造成的蒸發(fā)器、冷凝器、壓縮機的熱量散失較大．
從圖 2(b)可以看出，當(dāng)循環(huán)溫升不變時，2種工質(zhì)的制熱量都隨著冷凝溫度的升高而增大．冷凝溫度在 90,℃以上時，混合工質(zhì) MB85的制熱量明顯高于HFC245fa，高出約353～653,W左右，而壓縮機耗功比 HFC245fa僅高出 89～132,W．說明混合工質(zhì)MB85具有更強的制熱能力．
如圖 2(c)所示，在相同的冷凝溫度和循環(huán)溫升下，混合工質(zhì) MB85的耗功高于 HFC245fa．在同一蒸發(fā)溫度下，隨著冷凝溫度的增大混合工質(zhì) MB85的壓縮機耗功逐漸增大．而同一冷凝溫度下，混合工質(zhì) MB85的壓縮機耗功隨著蒸發(fā)溫度的增大先減小而后增大．這是因為相同冷凝溫度，隨著蒸發(fā)溫度升高，壓縮機吸氣比容減小，工質(zhì)的質(zhì)量流量增加；而單位質(zhì)量壓縮功減??；工質(zhì)的質(zhì)量流量增加與單位質(zhì)量壓縮功減小，二者綜合作用的結(jié)果使得壓縮機耗功隨著蒸發(fā)溫度升高，先減小后增大．
從圖 2(d)可以看出混合制冷劑MB85的壓比略低于 HFC245fa．2種工質(zhì)的壓比都隨著冷凝溫度的升高而降低，這樣，在較高冷凝溫度下的壓縮機效率比較低冷凝溫度下的效率高些．由于混合工質(zhì)MB85的低壓比性能使其更利于壓縮機運行．
從圖 2(e)可以看出，循環(huán)溫升 45,℃混合工質(zhì)MB85的壓縮機排氣溫度比HFC245fa略高2～3,℃，且隨著冷凝溫度的升高而增加．但是當(dāng)冷凝溫度達到 100,℃時，壓縮機排氣溫度才 103.2,℃，完全處于壓縮機安全運行范圍內(nèi)．
經(jīng)實驗研究可以看出，與課題組前期研究提出的優(yōu)良工質(zhì)HFC245fa相比，混合工質(zhì)MB85雖然存在排溫略高于 HFC245fa的不足，但綜合實驗循環(huán)性能優(yōu)于HFC245fa．
圖2 循環(huán)性能參數(shù)隨冷凝溫度的變化Fig.2 Change of the cycle performance parameters with condensing temperature
4 結(jié) 論
(1) 采用指定工質(zhì)側(cè)溫度的循環(huán)性能對比實驗評價研究方法，對混合工質(zhì)MB85在70～100,℃的冷凝溫度工況范圍內(nèi)進行了循環(huán)性能對比實驗研究．實驗中，在正常水流量下取得了高于 97,℃的冷凝器出口水溫；在冷凝溫度為 100,℃，循環(huán)溫升為45,℃時COP為3.83．混合工質(zhì)MB85完全滿足中高溫?zé)岜孟到y(tǒng)的要求．
(2) 新型混合工質(zhì) MB85的實驗循環(huán)性能優(yōu)于HFC245fa，除壓縮機排氣溫度比 HFC245fa高 2～3,℃外，冷凝溫度在90,℃以上時，制熱系數(shù)COP、制熱量都高于HFC245fa；壓比比HFC245fa低，綜合循環(huán)性能優(yōu)于HFC245fa．
(3) 新型混合制冷劑 MB85在中高溫?zé)岜霉r下壓力適中，壓縮機排氣溫度不高，有相對較高的COP及制熱量，還有在更高溫度空間應(yīng)用的潛力．
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由表 1可見，從壓力水平看，MB85的壓力較HFC245fa略高，但遠低于常規(guī)空調(diào)、熱泵系統(tǒng)設(shè)備可承受的壓力上限；從循環(huán)性能方面看，MB85的COP較 HFC245fa略高，在節(jié)能方面有一定的潛力；單位質(zhì)量工質(zhì)制熱量 Qm大于 HFC245fa；Qv大于HFC245fa，有利于壓縮機小型化；壓比較 HFC245fa略小，有利于提高壓縮機的性能；排氣溫度也比HFC245fa略高．蒸發(fā)器和冷凝器中的相變溫度滑移分別為 0.76,℃和 0.13,℃．由以上分析可以看出，有必要對新工質(zhì)MB85進行實驗研究．
2 循環(huán)性能實驗研究
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2.1 實驗裝置
圖1為實驗裝置示意．圖中虛線表示工質(zhì)回路，實線表示載熱流體回路；冷凝器與蒸發(fā)器的載熱流體均為水．、分別為溫度、壓力測點．壓縮機為HFC134a全封閉活塞式壓縮機(丹佛斯美優(yōu)樂，MTZ22JC4AVE)，除載熱流體進出口溫度由玻璃溫度計測量外，其余各處工質(zhì)和載熱流體的溫度，均由銅-康銅熱電偶測量并由 FLUKE公司的 NetDAQ數(shù)據(jù)采集器連接計算機采集(經(jīng)標(biāo)定，測量誤差小于0.2,℃)．蒸發(fā)器和冷凝器載熱流體流量由渦輪流量計(1級)測得．三相功率表(0.2級)測量壓縮機的電機輸入功率．工質(zhì)側(cè)流量由科里奧利質(zhì)量流量計(DMF-1-3)測得．關(guān)于系統(tǒng)和測量儀表的詳細說明見文獻[15]．
2.2 實驗方法
為提高以同一實驗裝置進行不同工質(zhì)對比實驗評價的客觀性[12]，采用指定工質(zhì)側(cè)參數(shù)(蒸發(fā)溫度、冷凝溫度、過熱度、過冷度)與蒸發(fā)器和冷凝器載熱流體流量的實驗方式．通過調(diào)整蒸發(fā)器和冷凝器載熱流體進口溫度來控制、調(diào)節(jié)工質(zhì)的蒸發(fā)溫度和冷凝溫度，通過熱力膨脹閥設(shè)定過熱度，過冷度為5,℃左右．
考慮冷凝器與蒸發(fā)器中工質(zhì)流動壓降和非共沸混合工質(zhì)相變溫度滑移的影響，實驗中取蒸發(fā)溫度為工質(zhì)在蒸發(fā)器進口處的溫度與露點的平均值，冷凝溫度取為工質(zhì)在冷凝器中的露點與泡點的平均值．
2.3 實驗內(nèi)容
通過調(diào)節(jié)水側(cè)參數(shù)，對混合工質(zhì) MB85，控制蒸發(fā)溫度在 40～55,℃范圍內(nèi)變化，相應(yīng)的冷凝溫度從70,℃變化至 100,℃，進行實驗研究；對于工質(zhì)HFC245fa，保證循環(huán)溫升在 45,℃左右，冷凝溫度以5,℃左右的間隔從 85,℃改變到 100,℃，進行對照實驗研究．
圖1 實驗裝置示意Fig.1 Experimental setup
3 實驗結(jié)果與討論
循環(huán)性能對比實驗研究結(jié)果見圖 2，其中 COP由制熱量/壓縮機輸入功率(P)得到，前者由冷凝器水流量、進出口水溫差得出，也可以通過工質(zhì)進出口焓差及工質(zhì)質(zhì)量流量得出；后者由功率表直接讀?。?/p>
如圖 2(a)所示，當(dāng)冷凝溫度大于 90,℃時，在相同的冷凝溫度和 45,℃左右的循環(huán)溫升下，混合工質(zhì)MB85的制熱系數(shù)COP高于HFC245fa，當(dāng)冷凝溫度小于 90,℃時，由于缺乏數(shù)據(jù)不能準(zhǔn)確說明 2種工質(zhì)制熱系數(shù) COP的大小，但從已有的數(shù)據(jù)可以看出，2種工質(zhì)制熱系數(shù)COP相差不大．相同的蒸發(fā)溫度下，混合工質(zhì)MB85的制熱系數(shù)COP隨著冷凝溫度的升高而減?。诶淠郎囟葹?00,℃，循環(huán)溫升45,℃時COP為3.83．
實測COP遠小于理論COP值．這主要是由于硬件方面的原因及存在各種損失．一是理論計算采用指定壓縮機效率的方法，實驗中由于各種損失，所用壓縮機效率低于指定的效率；二是冷凝器中環(huán)路截面積過小導(dǎo)致工質(zhì)壓降過大．這一缺陷雖影響各工質(zhì)COP的絕對值，卻不妨礙不同工質(zhì)的對比實驗研究，可以理解為系統(tǒng)偏差．損失因素主要是熱量的散失，實驗是在高溫工況下進行的，冷凝器、壓縮機與環(huán)境間的溫差較大，由于保溫不夠造成的蒸發(fā)器、冷凝器、壓縮機的熱量散失較大．
從圖 2(b)可以看出，當(dāng)循環(huán)溫升不變時，2種工質(zhì)的制熱量都隨著冷凝溫度的升高而增大．冷凝溫度在 90,℃以上時，混合工質(zhì) MB85的制熱量明顯高于HFC245fa，高出約353～653,W左右，而壓縮機耗功比 HFC245fa僅高出 89～132,W．說明混合工質(zhì)MB85具有更強的制熱能力．
如圖 2(c)所示，在相同的冷凝溫度和循環(huán)溫升下，混合工質(zhì) MB85的耗功高于 HFC245fa．在同一蒸發(fā)溫度下，隨著冷凝溫度的增大混合工質(zhì) MB85的壓縮機耗功逐漸增大．而同一冷凝溫度下，混合工質(zhì) MB85的壓縮機耗功隨著蒸發(fā)溫度的增大先減小而后增大．這是因為相同冷凝溫度，隨著蒸發(fā)溫度升高，壓縮機吸氣比容減小，工質(zhì)的質(zhì)量流量增加；而單位質(zhì)量壓縮功減??；工質(zhì)的質(zhì)量流量增加與單位質(zhì)量壓縮功減小，二者綜合作用的結(jié)果使得壓縮機耗功隨著蒸發(fā)溫度升高，先減小后增大．
從圖 2(d)可以看出混合制冷劑MB85的壓比略低于 HFC245fa．2種工質(zhì)的壓比都隨著冷凝溫度的升高而降低，這樣，在較高冷凝溫度下的壓縮機效率比較低冷凝溫度下的效率高些．由于混合工質(zhì)MB85的低壓比性能使其更利于壓縮機運行．
從圖 2(e)可以看出，循環(huán)溫升 45,℃混合工質(zhì)MB85的壓縮機排氣溫度比HFC245fa略高2～3,℃，且隨著冷凝溫度的升高而增加．但是當(dāng)冷凝溫度達到 100,℃時，壓縮機排氣溫度才 103.2,℃，完全處于壓縮機安全運行范圍內(nèi)．
經(jīng)實驗研究可以看出，與課題組前期研究提出的優(yōu)良工質(zhì)HFC245fa相比，混合工質(zhì)MB85雖然存在排溫略高于 HFC245fa的不足，但綜合實驗循環(huán)性能優(yōu)于HFC245fa．
圖2 循環(huán)性能參數(shù)隨冷凝溫度的變化Fig.2 Change of the cycle performance parameters with condensing temperature
4 結(jié) 論
(1) 采用指定工質(zhì)側(cè)溫度的循環(huán)性能對比實驗評價研究方法，對混合工質(zhì)MB85在70～100,℃的冷凝溫度工況范圍內(nèi)進行了循環(huán)性能對比實驗研究．實驗中，在正常水流量下取得了高于 97,℃的冷凝器出口水溫；在冷凝溫度為 100,℃，循環(huán)溫升為45,℃時COP為3.83．混合工質(zhì)MB85完全滿足中高溫?zé)岜孟到y(tǒng)的要求．
(2) 新型混合工質(zhì) MB85的實驗循環(huán)性能優(yōu)于HFC245fa，除壓縮機排氣溫度比 HFC245fa高 2～3,℃外，冷凝溫度在90,℃以上時，制熱系數(shù)COP、制熱量都高于HFC245fa；壓比比HFC245fa低，綜合循環(huán)性能優(yōu)于HFC245fa．
(3) 新型混合制冷劑 MB85在中高溫?zé)岜霉r下壓力適中，壓縮機排氣溫度不高，有相對較高的COP及制熱量，還有在更高溫度空間應(yīng)用的潛力．
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