循环形式对工质热力循环性能影响的分析

作者：张羽;钱婷婷;王之瑶;李晓明;

　　摘要:在双级压缩中，5种工质表现出和单级压缩中相近的趋势，其中r600同样质量单位制热量较高。且与单级压缩相比较，5种工质的cop值都有所提高，其中r134a、r245ca、r245fa提高幅度较大，因此，中高温热泵使用这三种工质时，适宜采用双极压缩的型式。
　　关键词:热泵工质;双级压缩;cop
　　
　　前言 热泵是一种高效、节能的装置,根据热泵系统冷凝温度的不同,可将热泵系统分为常温热泵和中高温热泵。为了能够满足工业过程对中高供热温度的需求,中高温热泵技术已成为近年来热泵技术发展和研究的主要方向之一。而寻求环境特性和循环性能俱优的中高温热泵工质,便成了当前中高温热泵技术研究中的关键问题。
　　在《热力条件对工质热力循环性能影响的分析》一文中，具体选择hfcs类制冷剂r245fa, r245ca和r236ea及r134a和碳氢类的制冷剂r600作为研究对象，进行了以上工质在单级压缩循环中的热力学性能的分析。为了进一步提高热泵系统的热力性，本文采用多级压缩对各工质进行了热力学性能的分析，并将分析结果与单级压缩热力循环进行了比较。
　　
　　1系统型式及其参数确定
　　
　　本文采用的压缩系统型式是两级节流、中间不完全冷却的双级压缩热泵循环。www.lw881.com两级节流是由冷凝压力pc，先节流到中间压力pm，再节流到蒸发压力pe。所谓中间不完全冷却是指从低级压缩机出来的蒸汽处于过热状态，而不是饱和状态。
　　假设：节流过程为等焓过程；蒸发和冷凝为等压过程；冷凝温度tc=50-80 ℃, 蒸发温度te=0-30℃，不计制冷剂在蒸发器、冷凝器和管道内流动时的流动阻力损失；不计制冷剂在管道中与外界的热交换损失；同单级压缩一样，系统采用回热循环，从冷凝器出来的工质进入换热器放出热量达到过冷，这部分热量用来加热从蒸发器出来的蒸汽使其过热。r245fa, r245ca, r236ea为b型工质选择能使排汽温度高于冷凝温度5℃的过热度，低压压缩机的质量流量取为1l/s。系统如图1所示。等熵压缩效率ηs=0.85。各种热力性能指标计算方法如表1所示。
　　
　　2 工质的性能指标分析
　　
　　为了研究多级压缩时所选工质的综合性能，本文分析的循环性能评价指标为热泵的单位质量制热量qc，单位质量压缩功w，制热系数cop。
　　2.1单位质量制热量qc比较
　　图2给出了冷凝温度不变时，5种工质的单位质量制热量随着蒸发温度的变化规律；从图中可以看出：
　　1）5种工质的单位质量制热量随着蒸发温度te的变化趋势相同，随温度的增加而略有减少，基本不变。
　　2）从图中可以看出，r600的单位质量制热量明显高于其他工质。
　　
　　2.2 单位质量压缩功w比较
　　图3给出的是当冷凝温度为80℃时，5种工质单位质量压缩功w随着蒸发温度的变化规律。从图中可以看出：
　　1）5种工质的w值随蒸发温度的增加而减小，并且随着蒸发温度的增加，5种工质的w值越来越接近。
　　2）在较低的蒸发温度时，5种工质的w值与单级压缩相比有所减少，一定程度上解决了单级压缩时因w值过高而引起的压气机输气系数低，制冷剂和润滑油分离，从而导致运行工况恶化的问题。
　　

　　2.3制热系数cop
　　当冷凝温度保持80°c不变时，5种工质的cop随蒸发温度的变化趋势如图4所示，从图中可以看出：
　　1）当冷凝温度tc不变时，5种工质的cop都随着蒸发温度te的增高而增加。
　　2）在相同的工作区间，r134a,r236ea,r600这三种工质的cop值相近，而r245ca的制热系数较高。
　　
　　3 单、双级压缩比较
　　
　　1）5种工质的cop值在级压缩中都有所提高，其中r134a、r245ca、r245fa提高幅度较大，这和在中高温热泵工作区间，这三种工质的压缩比较大有关系，因此，中高温热泵使用这三种工质时，适宜采用双级压缩的型式。
　　
　　2）5种工质表现出和单级压缩中相近的趋势，其中r600同样质量单位制热量较高。
　　
　　4 结论
　　
　　1. 综合来看，三种新工质r245fa、r245ca、r236ea在中高温热泵工况下，制热系数均能达到3.2以上，且其制热系数均高于现常用的替代工质r134a，可见，三种新工质应用于中高温热泵系统中能满足热力性质要求，而且用其替代r134a，对现有系统进行改造可提高其热力性能；
　　
　　2. r245ca、r245fa这两种工质在循环温升较大的情况下，压缩机进出口的压缩比较大，会造成压缩机效率低下，进而影响到制热系数的大小，因此，这两种工质应用到中高温热泵系统时，应考虑双极压缩；
　　3. r600作为中高温热泵工质时，由于其单位质量制热量、单位容积制热量高，因此所需设备减小，同时其压缩比仅高于r134a，系统型式采用单级压缩就可以满足要求。
　　
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