制冷劑R1234ze在高溫熱泵中應用的對比研究

熱泵 何永寧 西安交通大學

  對比了R1234ze、R134a、R124、R142b等工質的熱物理性質,分析了幾種工質在高溫熱泵應用中相同工況下的壓比、COP、壓縮機排氣量、排氣溫度等性能參數,論述了R1234ze用作高溫熱泵工質的可行性及R1234ze高溫熱泵機組的特性。結果表明R1234ze在高溫熱泵75~95℃工作區間內,具有系統制熱COP高、壓比適中、壓縮機排氣溫度低等特點。同時,其良好的熱物性、較低的GWP值決定了其可以應用于高溫熱泵中。

1、高溫熱泵技術

  以溫度在30~50℃的工業廢水作為熱源,高溫水源熱泵能夠提供75~95℃的熱水,可直接應用于供暖和工業余熱回收。高溫熱泵因其較高的出水溫度,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用。

  高溫水源熱泵技術與常規熱泵相比,具有其自身的特點:較高的冷凝溫度和冷凝壓力,較高的壓縮比和排氣溫度等。熱泵工質的性質在一定程度上決定著系統整體的工作性能,在蒸汽壓縮式熱泵系統中,目前常用工質主要有CO2、R134a、R124、R142b等純質工質及非共沸及近共沸混合工質,如R404A等。

  自然工質如CO2屬環境友好型制冷劑,但運行壓力高,對系統部件耐壓要求較高;R124、R142b等HCFC類工質可以在高溫熱泵中應用,但根據蒙特利爾議定書的要求,該類制冷劑將逐步減少產量直至淘汰,使其在高溫熱泵領域內的持續應用受到限制。尋求環境友好、熱力性質穩定、系統性能良好的高溫工質,是目前高溫水源熱泵研究的一個重要內容,對推進節能型社會的發展具有積極意義。

2、R1234ze介紹

  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,大氣停留時間為11天,化學性質穩定。

  在國內針對R1234ze的研究中,不少學者詳細介紹了該制冷工質的熱物理性質、合成研究進展、與現有制冷系統所用材料的相容性及其在制冷領域的應用等。汪訓昌介紹了R1234ze熱物性的相關測試方法,給出了制冷劑參數的測試結果,并分析了該測試所得數據與其他文獻數據存在差異的原因。Brown等在詳細研究R1234ze的基礎上,提供了R1234ze的臨界壓力、臨界溫度、密度、偏心因子等參數及工質的傳熱特性,對比R1234ze與R114的系統循環性能后提出可將R1234ze作為R114的替代物。Akasaka基于有效實驗數據提出了一個R1234ze的熱物性模型,利用該模型可準確計算R1234ze的蒸汽壓力、飽和液體密度、等壓熱容等物性參數,并提供了由該模型計算得到的R1234ze熱物性圖表。Grauso研究了相同工況下R1234ze與R134a在蒸發過程中的流動模型、換熱及壓降情況,結果顯示R1234ze可在多個應用場合作為R134a的替代品。Park等采用實驗手段對比了相同工況下制冷劑R1234ze與R134a、R236fa在垂直微通道內的冷凝傳熱性能,結果表明R1234e的放熱性能與R236fa相當,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,實驗指出在40℃的飽和溫度下,真空技術網(http://www.qbjic.club/)認為R1234ze的傳熱性能比R32低20%~45%,比R410A高10%~30%。目前國內外關于R1234ze的研究,主要集中于R1234ze熱物理性質及其在不同尺度管內流動換熱性能的研究,有部分文獻介紹了其在制冷循環中的應用,但以R1234ze作為高溫水源熱泵工質的應用研究尚未展開。

  基于R1234ze熱物性參數,本文對其在高溫熱泵系統中應用的性能進行了計算。通過與目前常用熱泵工質的對比分析,探討了將R1234ze用于高溫熱泵的可行性。同時基于高溫水源熱泵系統運行中出現的問題,以R1234ze為熱泵工質的前提下,介紹了對壓縮機和熱泵機組的改進情況。

4、R1234ze熱泵機組的特性

  將R1234ze實際應用于高溫熱泵機組時,需根據R1234ze的特點調整機組各部件來保證系統的穩定高效運行。表3給出了在蒸發溫度為35℃,冷凝溫度為95℃,制熱量為100kW工況下,系統采用不同工質所需壓縮機理論排氣量及冷凝器所需換熱面積的對比。目前,常用于高溫熱泵機組的壓縮機主要是半封閉螺桿壓縮機和半封閉活塞壓縮機。冷凝器為殼管式換熱器,制冷劑在管外凝結放熱,冷卻水設計流速為1m/s,其傳熱系數采用Dhir等提出的關聯式計算。

表3 壓縮機理論排氣量及冷凝器換熱面積對比

壓縮機理論排氣量及冷凝器換熱面積對比

  4.1、壓縮機的調整

  從表3可以看出:制熱量相同,采用R1234ze為工質的系統需要壓縮機排氣量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R134a的壓縮機可直接應用于R1234ze熱泵機組中,從而擴展了適合于R1234ze工質的壓縮機選型范圍。

  對于半封閉螺桿壓縮機而言,若將市場上已有的R134a壓縮機應用于R1234ze熱泵機組,需對壓縮機進行適當的調整:調整排氣孔口的位置來調節壓縮機內容積比,使內壓力比與外壓力比匹配,保證壓縮機效率;根據R1234ze物性參數計算轉子受力,調整壓縮機軸承;合理選擇機組潤滑油。

  同樣,將R1234ze應用于高溫熱泵系統,同樣需設置額外的保護措施保證壓縮機安全運行。對螺桿壓縮機而言:設置外置油冷卻器來降低壓縮機潤滑油系統的溫度;合理設置噴油孔口及計算壓縮機在高溫工況下的噴油量,向壓縮機封閉容積腔噴入霧狀潤滑油以減低排氣溫度;應用于高溫熱泵的壓縮機運行時功率較常規壓縮機高,應對電機擴容10%~15%左右,避免壓縮機在高溫工況下過載運行;在電機繞圈預埋溫度傳感器監測電機溫度。

  4.2、換熱器的改進

  由表3可知,制熱量相同,系統采用工質R1234ze冷凝器所需的換熱面積與系統采用R124時相當,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高溫熱泵機組冷凝器換熱管束的布置區別于制冷系統用冷凝器。制冷系統中冷凝器傳熱管布置時,通常在冷凝器殼體內下部留出一定空間不裝傳熱管,起到貯液器的作用。而在高溫熱泵冷凝器設計中,需在殼體下部設置一定數量的傳熱管,以保證冷凝器底部制冷劑液體與冷凝水的充分換熱。

  4.3、二次油分的設置

  R1234ze熱泵機組高溫工況下,排氣壓力過高影響排氣端潤滑油的分離,油分離效率過低會使大量的潤滑油進入系統,造成壓縮機油位降低,影響壓縮機正常工作甚至損壞。在設計系統時,應增加二次油分來增加油氣分離的效果。

5、結語

  本文對比了R1234ze、R134a、R124、R142b等工質在高溫水源熱泵工況下的性能,結論表明:將R1234ze應用于高溫熱泵中時,系統冷凝壓力低,可直接應用現有制冷系統部件,單位容積制熱量較大,高溫工況時COP值不低于同等條件下R134a的值,壓縮機排氣溫度在壓縮機承受范圍。與常用熱泵工質相比;R1234ze的ODP值為0,GWP值較低,對環境及臭氧層友好,與常見潤滑油互溶性好,不與機組材料發生化學反應。基于以上研究,R1234ze適用于高溫熱泵的運行范圍,可以在高溫水源熱泵中使用。