关于用于高温热泵蒸汽系统的几种工质循环性能的研究

  作者：张毅

  我国许多大学和研究单位也开展了对高温热泵系统及工质的研究。热泵蒸发温度的提高可以回收利用常温热泵无法利用的大量工业余热，热泵冷凝温度的提高使热泵可直接应用于工业加热过程，这对于拥有大量工业余热资源及用能需求的我国来说，具有明显的经济效益和社会效益。可见，热泵高温化是热泵技术发展的必然方向。

    提高高温热泵的供热温度，从而产出高温蒸汽而非高温热水，可以进一步满足蒸汽用户的用热需求。以此高温热泵替代传统的蒸汽锅炉，在大量需要蒸汽又有余热可以利用的行业具有广阔的市场。

    高温热泵蒸汽系统的推广应用，必须选择合适的循环工质。众所周知，相比于常温热泵，高温热泵很难找到一种既具有良好循环性能又环境友好的工质。随着传统高温工质CFC-114及常温工质HCFC-22淘汰进程的加快，研究人员进行了许多替代工质的研究，但是在高温热泵蒸汽系统方面却缺少相关研究。本文在前人研究的基础上，对各种可能的传统高温热泵纯工质进行审视，以4种高温纯工质为对象，在冷凝温度为120～140℃的高温热泵蒸汽系统工况区间内进行理论循环计算，同时也对CFC-114工质进行计算比较，以寻找在高温热泵蒸汽系统工况下循环性能优良、与系统适配良好、符合环保要求的适宜工质。

1  工质的初步筛选

    对于工质初步筛选的基本原则是臭氧破坏指数(ODP)、温室效应指数(GWP)和大气寿命

(ALT)尽可能小，油溶性好，化学性质稳定，对环境危害小，无毒，不可燃。由于考虑到系统蒸发温度等工况，因此用于高温热泵工质的临界温度（T．）应尽可能地高，这是与一般热泵工质要求所不同的。

    参考Goktun的工质筛选原则，考虑到符合所有条件的工质较少，因此对某些要求适当放宽。本文采用的工质初步筛选条件如下。

    环境友好性：ODP<5，ATL<10 a：

    安全性：低毒( TLV >400)，不可燃(NF)（至少满足其一）；

    热物性：临界温度r≥150℃，临界压力P，≤5 MPa，15℃≤标准沸点(NBP)≤80℃，50≤分子量(MW)≤150；

    其他性质：好的油溶性，高的蒸汽绝缘强度，与常规材料的良好相容性，简单易行的泄漏防护性质和低成本。

    根据以上要求，利用RefProp 9.0的工质统计功能，初步选取R123，R141b，R245ca

和R245fa作为系统的循环工质，其参数如表1所示。

2  系统理论循环计算

2.1系统设计

如图1所示，热泵蒸汽系统可分为热泵子系统与闪蒸子系统两部分。

    热泵子系统中，低品位热源水加热蒸发器中的低温低压液态工质，使之气化为低压过热蒸气；随后气态工质被压缩机吸人并被压缩成高温高压的蒸气：从压缩机出来的工质进入冷凝器冷却为高压液体：高压液体经过膨胀阀节流成低温低压液态工质后再进入蒸发器，完成一个循环。

    闪蒸子系统中，闪蒸后的尾水与补充水混合，经水泵加压后进入冷凝器吸收来自热泵工

质的冷凝热变成高温高压水，进入闪蒸器中，闪蒸出高温蒸汽；尾水继续与补充水混合，被水泵加压送入冷凝器，完成一个循环。

图2、图3分别为与流程图各点相对应的高温热泵子系统和闪蒸子系统的T-s图。

2.2热力学模型

    为了便于计算，对系统的热力学模型做如下假定：①忽略系统与环境之间的散热损失：②忽略流体的动能和势能以及它们在系统管路内流动的压力损失；③忽略闪蒸子系统中的水泵功耗：④压缩机的等熵效率为0.78：⑤冷凝温度从120℃升至140℃，蒸发温度取60℃，闪蒸温度取110℃；⑥蒸发器端部传热温差、冷凝器端部传热温差、蒸发器出口过热度和冷凝器的出口过冷度均取5℃：⑦进闪蒸器的水为饱和态水，闪蒸过程为绝热、无功量交换的过程：⑧指定冷凝器中的换热功率为120 kW，补充水温度取30℃。

    热力过程的主要参数及评价指标用下列公式计算。

热泵子系统：

闪蒸子系统：

系统评价指标：

3工质的系统循环性能对比与评价

3.1 COP的对比

    高温热泵蒸汽系统的能效系数COP定义为制取出的闪蒸蒸汽焓值与压缩机输入功率的比值，这是评价工质循环性能时的首要考虑冈素。

图4所示为各循环工质的COP随冷凝温度的变化。由图4可以看出，各工质的COP都随着冷凝温度的升高呈现出近乎相同的下降趋势，这是由于冷凝温度的升高导致压缩机耗功增加。例如，对于R123来说，冷凝温度每升高5 0C，压缩机耗功平均增加9.6%。在冷凝温度为120—140℃时，所要对比的4种工质(R123,R141b，R245ca，R245fa)的COP都高于R114，其中表现最好的是R141b。在相同冷凝温度下，高温热泵蒸汽系统采用工质R141b时的COP比采用工质R114时高25%以上：即使采用相对较差的工质R245fa，系统COP值也比采用R114时平均高13.65%。在冷凝温度为125℃时，采用工质R245fa的高温热泵蒸汽系统的COP值可达到3.556。由此可见，各对比工质与R114相比都具有明显的优势。

3.2单位容积制热量的对比

    相同的制热量下，工质的单位容积制热量关系到系统工质的循环量，从而对于机组尺寸与压缩机的选型有关键性的影响。

图5所示为各工质单位容积制热量随冷凝温度的变化情况。由图5可以看出，各工质的单位容积制热量随着冷凝温度的升高都呈降低的趋势，且4种对比工质的单位容积制热量降低速率都比R114小：当冷凝温度为120—140℃时，与其它3种T质相比，只有R245fa的单位容积制热量高于工质R114，平均高出6.4%。工质R141b的单位容积制热量比R114平均低24.1%。

3.3冷凝压力的对比

    工质在冷凝器及蒸发器内循环时的压力是决定系统运行安全性的重要因素。不论是何种

类型的热泵，为了系统能够稳定运行，对于工质的压力要求基本相同：冷凝压力小于2.5 MPa，蒸发压力大于0.1 MPa,以满足系统部件的耐压和密封条件，避免空气进入系统。

在对比的4种工质中，由于它们的标准沸点均低于本文假定的60℃的蒸发温度，因此所对应的蒸发压力均高于0.1 MPa，故这里只考察冷凝压力。图6为各工质在不同冷凝温度下的饱和压力对比曲线。由图6可知，各对比工质的冷凝压力均低于同冷凝温度下工质R114的冷凝压力。R123，R141b．R245ca在所讨论的冷凝温区内的冷凝压力均低于2.5 MPa，可适应更高的温度工况，其中工质R141b表现最好。在冷凝温度为130℃时，工质R141b的饱和压力仅为1.25 MPa,而在相同温度下，R114的饱和压力已达2.46 MPa;当冷凝温度为120～133.5℃时，工质R245fa的冷凝压力符合要求，高于133.5℃时则会超出2.5 MPa，略低于工质R114的冷凝压力：当冷凝温度为140℃时，工质R245fa对应的饱和压力为2.82 MPa。

3.4排气温度的对比

    和冷凝压力一样，热泵系统中压缩机的排气温度也是影响系统能否长期稳定运行的重要

因素。一方面，排气温度过高会发生压缩机容积效率降低而功耗增加，润滑油粘度降低而润滑效果变差等问题，严重时甚至会使压缩机烧毁；另一方面，如果排气温度过低，使得排气点处于两相区，则会导致工质的湿压缩，不利于压缩机的安全运行。图7为不同工质下，系统压缩机的排气温度随冷凝温度的变化曲线。

由图7可知，系统采用R114及R245ca作为工质时，在120～140℃的冷凝温度下均可能发生湿压缩的情况。在冷凝温度高于135℃时，采用R123作为工质的压缩机排气点也位于两相区。其他两种工质不会发生湿压缩，采用R245fa作为系统工质时，排气温度略高于各工况下的冷凝温度；冷凝温度为140℃时，排气温度为141.3℃。采用R141b作为系统工质时，排气温度则至少比相应工况下的冷凝温度高6.7℃；当冷凝温度为l 20℃时，压缩机排气温度可达127.5℃。

3.5压缩比的对比

    压缩比的大小会影响压缩机的功耗及寿命。压缩比的增大会使排气温度升高，容积效率降低，过高的压缩比不仅阻止了压缩机的吸气，还会造成活塞销的磨损。

图8为蒸发温度为60℃时，各种工质的系统压缩比随冷凝温度的变化。在相同的冷凝温度下．4种对比工质的系统压缩比都大于R114。其中，工质R123，R141b．R245fa的系统压缩比相近，差值不超过1010。工质R245fa的系统压缩比最接近R114的压缩比，比工质R114平均高18.42%。工质R245ca的系统压缩比最高，比R114平均高25.5%，且随冷凝温度升高而增加的趋势最为明显。

3.6工质的综合评价

    4种对比工质作为高温热泵蒸汽系统工质的评价如下。

    (1)工质R123

    工质R123的GWP、大气寿命值最低，不可燃，其系统COP值仅低于R141b；单位容积制热量及压缩比适中，冷凝压力较低，但其在冷凝温度大于135 0C时排气点处于两相区，限制了其在高温工况下的应用。考虑到工质R123的有毒性，且为受限工质，因此，不推荐作为高温热泵蒸汽系统的工质。

    (2)工质R141b

    在4种对比工质中，工质R141b的循环综合特性良好，COP值最高，冷凝压力最低，且在讨论的冷凝温区内不存在湿压缩的问题。但是，排气温度稍高，单位容积制热量较小，尤其是R141b T质具有的可燃性及毒性情况不清，建议在无更适合、安全的工质可供选择前提下，谨慎应用于高温热泵蒸汽系统。

    (3)工质R245ca

    工质R245ca无毒，不可燃．ODP值为0，环境友好性良好。在循环特性方面，其COP值、冷凝压力、单位容积制热量均表现适中，压缩比较高。在所讨论的冷凝温区内该工质可能存在湿压缩的问题，如果要在高温热泵蒸汽系统中应用，必须增加进入压缩机的工质过热度。经计算，冷凝温度为120℃时，过热度应至少达到7.5℃才能避免湿压缩的出现：而在冷凝温度为140 0C时，过热度至少要达到10℃。

    (4)工质R245fa

    和工质R245ca -样，工质R245fa也具有良好的环境友好性：在4种对比工质中单位容积制热量最高，且高于R114：系统COP相对较低，但仍高于工质R114：压缩比适中，排气温度较低，且不会出现湿压缩的问题，循环特性良好。该工质唯一不足的是在较高温度下（冷凝温度大于133.5 0C）冷凝压力偏高，须注意机组的耐压性。考虑到另外3种工质的不足，R245fa仍是最优先推荐应用于高温热泵蒸汽系统的工质。

4结论

    本文在高温热泵蒸汽系统热力学模型的基础上，对经过初步筛选的应用于高温热泵的4种工质( R123，R114b，R245ca，R245fa)进行了对比研究，探讨了各工质应用于系统中的循环性能参数。研究结果表明：工质R245fa的理论综合循环性能良好，单位容积制热量最高（比R114平均高6.4%），COP值比R114平均高13.65%．压缩比最为接近R114，在符合干压缩的要求下排气温度较低。

综合考虑，工质R245fa具有良好的环境友好性与循环性能，适宜在高温热泵蒸汽系统中使用。值得注意的是，工质R245fa在冷凝温度大于133.5 0C的工况下压力偏高(大于2.5MPa)，且其GWP值也较高（为820），可考虑按照优势互补的原则与其它纯工质组合为混合工质加以使用，但还须要进一步的理论筛选和实验验证。

5摘要：建立了高温热泵蒸汽系统的热力学模型。在蒸发温度为60。C，冷凝温度为120～140℃的工况下，进行经过初步筛选的4种高温热泵纯工质( R123，R141b，R245ca，R245fa)和传统高温热泵T质(R114)的循环性能对比研究。结果表明：R245fa的综合循环性能良好，单位容积制热量最高，其性能系数(COP)比R114平均高13.65%,压缩比与R114最接近；在符合干压缩要求的前提下，排气温度较低，而且环境友好，可作为高温热泵蒸汽系统的丁质。