張于峰，孔令騰，于曉慧，張 彥，高 巖

(1.天津大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300072；2.天津化學(xué)化工協(xié)同創(chuàng)新中心，天津 300072)

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一種高溫?zé)岜弥评鋭┑睦碚摵蛯?shí)驗(yàn)研究

張于峰1,2，孔令騰1，于曉慧1，張 彥1，高 巖1

(1.天津大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300072；2.天津化學(xué)化工協(xié)同創(chuàng)新中心，天津 300072)

摘 要：提出一種ODP為0 的高溫非共沸制冷劑BY4，通過(guò)與其他4種純制冷劑的理論循環(huán)計(jì)算對(duì)比，得出BY4在冷凝溫度區(qū)間(90～110,℃)的COP、單位容積功、冷凝壓力方面性能優(yōu)越，且熱物理性質(zhì)良好；同時(shí)設(shè)計(jì)了以BY4為工質(zhì)的高溫?zé)岜脵C(jī)組，在經(jīng)過(guò)改造的熱泵檢測(cè)系統(tǒng)上進(jìn)行了蒸發(fā)器進(jìn)水溫度在40～60,℃的實(shí)驗(yàn)工況測(cè)試.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：冷凝器側(cè)最高出水溫度能達(dá)到110,℃，此時(shí)排氣溫度和冷凝壓力適中；當(dāng)冷凝器側(cè)出水溫度和蒸發(fā)器側(cè)進(jìn)水溫度差小于35,℃時(shí)，COP總是大于3.5.

關(guān)鍵詞：高溫?zé)岜茫画h(huán)境友好；COP；冷凝壓力

我國(guó)是一個(gè)能源消費(fèi)大國(guó)，在我國(guó)的能源結(jié)構(gòu)圖中，礦物燃料的燃燒是產(chǎn)生高品質(zhì)熱能的主要方式，它被大量用于工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域，高品質(zhì)能源用于各種工藝流程之后會(huì)產(chǎn)生低溫?zé)?30～85,℃)[1]，這些低溫?zé)嶂苯颖会尫诺酱髿庵?，加劇了溫室氣體效應(yīng)和熱污染等環(huán)境危害.因此，開(kāi)發(fā)出能夠有效利用低溫?zé)崮艿募夹g(shù)方法至關(guān)重要.高溫?zé)岜檬堑蜏責(zé)峄厥盏挠行Х绞街唬ㄟ^(guò)消耗較少的高品位能，把熱源中貯存的低位能轉(zhuǎn)化為高位能[2]，并可將這些高品位能用于供暖或工藝加工，既提高了能源利用效率，又能減少了化石燃料的燃燒.

在高溫?zé)岜玫倪\(yùn)行中，制冷劑的選用非常關(guān)鍵.清華大學(xué)史琳等[3-5]自主研發(fā)出3種命名為HTR01、HTR02和HTR04的熱泵工質(zhì)，熱輸出溫度分別能達(dá)到85,℃、75,℃和80,℃，COP較高；Zhang等[6]對(duì)混合工質(zhì)M1A、M1B、M1C在冷凝溫度范圍70～90,℃，提升溫質(zhì)為45,℃進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，并將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與R245fa進(jìn)行對(duì)比，得出M1B的各種參數(shù)最佳；Pan 等[7]將HFC245fa、HC600、HC600a、HC600/HFC245fa(2.83%/97.17%)幾種制冷劑進(jìn)行了理論分析和實(shí)驗(yàn)研究，研究表明在高溫區(qū)段混合HC600/HFC245fa的性能優(yōu)于其余幾種工質(zhì)，在蒸發(fā)器進(jìn)水溫度為50,℃、冷凝器出水溫度為95,℃時(shí)，COP仍然能達(dá)到3.3.但是，對(duì)于熱輸出溫度更高且熱力參數(shù)和循環(huán)性能優(yōu)良的環(huán)境友好型高溫制冷劑的研究比較少.

筆者提出一種由天津大學(xué)自主研發(fā)的高溫制冷劑BY4，以BY4作為冷媒設(shè)計(jì)了一臺(tái)額定制熱量為600 kW的高溫?zé)岜脵C(jī)組，并在經(jīng)過(guò)改造的熱泵檢測(cè)系統(tǒng)上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)工況的檢測(cè).

1　新型高溫?zé)岜弥评鋭┑奶岢?/h2>

1.1制冷劑的提出

理想的高溫?zé)岜弥评鋭?yīng)該需要滿(mǎn)足以下要求：

(1)性質(zhì)穩(wěn)定、無(wú)毒、不易燃；

(2)壓力適中，尤其是在高冷凝溫度(100,℃左右)下的冷凝壓力不超過(guò)2.5,MPa，壓縮比不超過(guò)8；

(3)環(huán)境友好性：ODP＝0，GWP值較低[8]；(4)盡可能高的單位容積制熱量；

(5)提升溫質(zhì)(冷凝溫度與蒸發(fā)溫度之差)較大的情況下COP較高.

基于以上5點(diǎn)考慮，高溫制冷劑BY4是一種雙元非共沸混合物，環(huán)境性能良好、無(wú)毒、不燃燒，其特殊的熱力學(xué)性質(zhì)，使系統(tǒng)工作節(jié)流過(guò)程的壓力工況、低溫吸熱和高溫排熱工況、壓縮過(guò)程的容積制熱量更適用于90～110,℃的高溫區(qū)間.

1.2BY4的熱物理性質(zhì)

為了體現(xiàn)BY4的高溫優(yōu)越性，現(xiàn)將BY4的基本熱物理性質(zhì)與4種常規(guī)的中高溫純制冷劑(CFC114、HFC245fa、HFC236ea、HCFC124)的熱物理性質(zhì)進(jìn)行對(duì)比，REFPROP 8.0-NIS流體性質(zhì)軟件庫(kù)用于計(jì)算5種制冷劑的基本性質(zhì).5種制冷劑的熱物理性質(zhì)見(jiàn)表1.

表1　制冷劑的熱物理性質(zhì)Tab.1 Thermo-physical properties of refrigerant

1.3BY4的理論循環(huán)計(jì)算

如圖1所示，針對(duì)BY4的熱物理性質(zhì)對(duì)典型循環(huán)工況做如下設(shè)定：蒸發(fā)溫度為60,℃，冷凝溫度90～110,℃，過(guò)熱度和過(guò)冷度均設(shè)為5,℃，蒸發(fā)(4→1)和冷凝(2→3)過(guò)程為等壓過(guò)程，節(jié)流(3→4)為等焓過(guò)程，壓縮機(jī)做等熵絕熱壓縮(1→2)，同時(shí)考慮壓縮機(jī)的絕熱效率、電動(dòng)機(jī)效率.因?yàn)榉枪卜谢旌衔锞哂袦囟然?，因此在?jì)算過(guò)程中蒸發(fā)溫度和冷凝溫度分別取蒸發(fā)壓力和冷凝壓力下的泡點(diǎn)溫度和露點(diǎn)溫度的平均值.

熱力過(guò)程的計(jì)算式為

式中：Wv為單位容積功，kJ/m3；h1、h2、h3分別為圖1 中1、2、3點(diǎn)的焓值，kJ/kg；Pin為壓縮機(jī)輸入功率，kW；1ν、2ν分別為壓縮機(jī)的吸氣、排氣比容，m3/kg；qm為制冷劑質(zhì)量流量，kg/h；ηv為壓縮機(jī)的容積效率，它和壓縮機(jī)的壓縮比有關(guān)，壓縮比越大，ηv值越??；Vth為壓縮機(jī)的理論排氣量，對(duì)于同一臺(tái)壓縮機(jī)來(lái)說(shuō)，Vth不變，m3/h；ηad為壓縮機(jī)的絕熱效率，取值0.8；ηme為壓縮機(jī)的電動(dòng)機(jī)效率，取值0.9.

圖1　制冷劑理論循環(huán)壓焓圖Fig.1 Pressure enthalpy diagram of theoretical cycle of refrigerant

由圖2的對(duì)比曲線可以看出，各種制冷劑的COP會(huì)隨著冷凝溫度的增加而減小，且隨著冷凝溫度區(qū)間的增大，減小的速度變慢.在5種制冷劑中BY4的COP最高，HCFC124的COP最低，其余3種工質(zhì)的COP適中.

圖2　COP隨冷凝溫度的變化Fig.2 Variation of COP with condensing temperature

圖3表示了冷凝溫度與冷凝壓力的關(guān)系，冷凝壓力太大會(huì)加重冷凝器的承壓強(qiáng)度，同時(shí)也會(huì)增大壓縮比，進(jìn)而影響壓縮機(jī)的容積效率.對(duì)同一種制冷劑而言，冷凝壓力會(huì)隨著冷凝溫度的升高而增大.當(dāng)冷凝溫度超過(guò)100,℃時(shí)，HCFC124的冷凝壓力已經(jīng)超過(guò)2.5,MPa，帶來(lái)的機(jī)械強(qiáng)度要求較高，因此不適合做高溫?zé)岜霉べ|(zhì).其余4種工質(zhì)的冷凝壓力適中，且BY4的壓力與HFC236ea非常接近.

圖3　冷凝壓力隨冷凝溫度的變化Fig.3 Variation of condensing pressure with condensing temperature

單位容積功和壓縮機(jī)設(shè)備的選型有關(guān)系.單位容積功Wv越大，在制熱量相同的情況下，壓縮機(jī)排氣量越低，這有利于簡(jiǎn)化壓縮機(jī)的設(shè)備尺寸.縱向比較來(lái)看，由圖4可以看出BY4的Wv較大，其值僅低于HCFC124.與冷凝壓力的變化規(guī)律相同，容積制熱量也會(huì)隨著冷凝溫度的升高而升高.

綜上可知，在理論循環(huán)條件下，BY4在5種制冷劑中COP最高，在冷凝溫度(110,℃)下的冷凝壓力小于2.4 MPa，單位容積功大，且熱物理性質(zhì)良好，理論分析來(lái)看，它是一種優(yōu)秀的高溫制冷劑.

圖4　單位容積功隨冷凝溫度的變化Fig.4 Variation of unit volumetric work with condensing temperature

2　實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的建立和檢測(cè)

2.1實(shí)驗(yàn)原理

實(shí)驗(yàn)檢測(cè)臺(tái)為山東省某空調(diào)公司的熱泵機(jī)組標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)系統(tǒng).實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理如圖5所示.該檢測(cè)系統(tǒng)經(jīng)過(guò)改造.原檢測(cè)系統(tǒng)只包括一個(gè)冷卻水系統(tǒng)和冷媒水系統(tǒng)，兩系統(tǒng)除分別與蒸發(fā)器、冷凝器連接外，還都與開(kāi)式水箱相連.由于高溫?zé)岜美淠鱾?cè)產(chǎn)生的高溫水達(dá)到110,℃，在大氣壓下會(huì)產(chǎn)生汽化現(xiàn)象，原檢測(cè)臺(tái)不能滿(mǎn)足熱輸出溫度100,℃以上的運(yùn)行工況檢測(cè)，課題組針對(duì)此現(xiàn)狀，對(duì)原有的檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了改造.

圖5　實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理Fig.5 Schematic diagram of experimental system

改造后的檢測(cè)系統(tǒng)是國(guó)內(nèi)首個(gè)能夠檢測(cè)熱輸出溫度100,℃以上的熱泵檢測(cè)臺(tái)，它新增一個(gè)板式換熱器和一個(gè)冷卻水系統(tǒng)，共包括3個(gè)水循環(huán)系統(tǒng)，即冷卻水系統(tǒng)Ⅰ、輔助冷卻水系統(tǒng)Ⅱ和冷媒水系統(tǒng)Ⅲ.冷卻水系統(tǒng)Ⅰ為閉式系統(tǒng)，設(shè)有加壓罐，維持冷卻水系統(tǒng)的壓力高于大氣壓力，恒為0.4,MPa.檢測(cè)系統(tǒng)中的電動(dòng)三通閥用于調(diào)節(jié)開(kāi)式水箱與水系統(tǒng)回水的混水量，能精確控制冷媒水的進(jìn)水溫度和冷卻水的出水溫度.電動(dòng)調(diào)節(jié)閥可在自動(dòng)控制過(guò)程中調(diào)節(jié)水系統(tǒng)的流量，而冷卻水系統(tǒng)中的調(diào)節(jié)閥只能手動(dòng)調(diào)節(jié)流量.冷凝器的制熱量釋放給冷卻水系統(tǒng)，冷卻水系統(tǒng)通過(guò)板式換熱器將熱量轉(zhuǎn)移給輔助冷卻水系統(tǒng).若機(jī)組的制熱量大于板式換熱器的換熱量，冷卻水系統(tǒng)多余的熱量用于自身的升溫，反之，冷卻水降溫.實(shí)驗(yàn)中，冷卻水系統(tǒng)的流量固定，故板式換熱器的換熱量是通過(guò)改變輔助冷卻水系統(tǒng)的流量來(lái)調(diào)節(jié)的.輔助冷卻水系統(tǒng)最終仍把換來(lái)的熱量轉(zhuǎn)移給開(kāi)式水箱.蒸發(fā)器從冷媒水系統(tǒng)中吸收的熱量也從開(kāi)式水箱中得到補(bǔ)充.

2.2樣機(jī)的設(shè)計(jì)和改進(jìn)

2.2.1實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的設(shè)計(jì)

以BY4的熱物理參數(shù)為依據(jù)，課題組設(shè)計(jì)了一臺(tái)額定制熱量為600,kW的高溫?zé)岜脵C(jī)組.具體型號(hào)如下：蒸發(fā)器為干式換熱器，管程走制冷劑，殼程走水，換熱面積為62,m2，殼體尺寸Φ508,mm×8,mm，換熱管采用Φ12,mm×0.75,mm內(nèi)螺紋高效蒸發(fā)管，材質(zhì)為T(mén)P2紫銅，管長(zhǎng)2.4,m，共630支，氟路為四回程.冷凝器為滿(mǎn)液式換熱器，殼體Φ450,mm×8,mm，換熱管采用Φ16,mm×1.2,mm內(nèi)外螺紋高效冷凝管，材質(zhì)為T(mén)P2紫銅，管長(zhǎng)2.4,m，共300支，水路為兩回程.壓縮機(jī)采用德國(guó)比澤爾的螺桿壓縮機(jī)，型號(hào)為CSH9573-240-38D，額定功率為176,kW，理論排氣量700,m3/h，額定轉(zhuǎn)速2,900,r/min.電子膨脹閥系統(tǒng)包括電子膨脹閥閥體ETS250、控制器EKC312、壓力傳感器AKS33、溫度傳感器AKS11.

高溫下壓縮機(jī)的潤(rùn)滑問(wèn)題是必須解決的問(wèn)題之一，本實(shí)驗(yàn)所用壓縮機(jī)潤(rùn)滑油為德國(guó)比澤爾的B320SH，它的運(yùn)動(dòng)黏度隨著溫度的升高而降低，當(dāng)潤(rùn)滑油的黏度降到一定值時(shí)，其潤(rùn)滑螺桿機(jī)轉(zhuǎn)子的能力就會(huì)大大下降，在此種狀態(tài)下長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行會(huì)對(duì)壓縮機(jī)造成磨損.同時(shí)壓縮機(jī)的排氣溫度還應(yīng)低于潤(rùn)滑油的閃點(diǎn)，以免造成潤(rùn)滑油碳化，因此在運(yùn)行過(guò)程中要不斷監(jiān)測(cè)排氣溫度的變化.基于以上考慮，在此實(shí)驗(yàn)中，設(shè)定排氣溫度的極限是120,℃.

2.2.2電子膨脹閥控制系統(tǒng)的改進(jìn)

系統(tǒng)工作原理.控制器EKC312分別通過(guò)壓力傳感器和溫度傳感器采集蒸發(fā)器的出口壓力p和出口溫度T′，經(jīng)過(guò)內(nèi)部計(jì)算，壓力p轉(zhuǎn)換成制冷劑對(duì)應(yīng)的飽和溫度T，則ΔT＝(T′-T)即為蒸發(fā)器出口過(guò)熱度.控制器通過(guò)控制過(guò)熱度來(lái)自動(dòng)控制膨脹閥開(kāi)度.由于不同制冷劑的飽和壓力和溫度對(duì)應(yīng)的函數(shù)關(guān)系T＝f(p)是不同的，控制器內(nèi)可設(shè)定的冷媒均為常規(guī)制冷劑，但BY4為天津大學(xué)自主研發(fā)的制冷劑，它的飽和溫度、壓力的函數(shù)關(guān)系并沒(méi)有寫(xiě)入到該控制器中，因此需要對(duì)現(xiàn)有的控制特性進(jìn)行匹配調(diào)整.

匹配調(diào)整方法.課題組通過(guò)對(duì)比控制器內(nèi)所有常規(guī)冷媒和BY4的飽和溫度和壓力的函數(shù)公式曲線，得出BY4函數(shù)公式與控制器內(nèi)某制冷劑的函數(shù)公式T1＝f(p1)數(shù)學(xué)關(guān)系相似，參考該制冷劑的函數(shù)關(guān)系，將控制器接收的壓力傳感器的最大值和最小值上調(diào)，可完成對(duì)控制器的改進(jìn).經(jīng)實(shí)驗(yàn)校核，此方法能夠?qū)崿F(xiàn)控制器對(duì)BY4飽和溫度-壓力函數(shù)關(guān)系的計(jì)算，轉(zhuǎn)換后的溫度精度為±0.3,℃.

2.2.3測(cè)量?jī)x器

在檢測(cè)系統(tǒng)中用到的所有儀器儀表的型號(hào)和測(cè)量精度見(jiàn)表2.

表2　儀器儀表型號(hào)Tab.2 Instruments and apparatuses

檢測(cè)系統(tǒng)的各儀器儀表在安裝前都經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)，所測(cè)的數(shù)據(jù)經(jīng)采集器Agient 34970A采集后通過(guò)傳輸通道RS232C傳送到計(jì)算機(jī)中.

2.3實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中為防止排氣溫度過(guò)高，過(guò)熱度控制在5～8,℃.本次實(shí)驗(yàn)中，調(diào)節(jié)冷卻水系統(tǒng)的調(diào)節(jié)閥，固定冷卻水系統(tǒng)的水流量為91.6,m3/h，同時(shí)設(shè)定蒸發(fā)器進(jìn)水溫度分別為40,℃、50,℃、60,℃，檢測(cè)冷凝器出水溫度在70～110,℃溫度區(qū)間時(shí)的熱泵參數(shù).實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后首先讓熱泵機(jī)組連續(xù)運(yùn)行15,h，待所有參數(shù)穩(wěn)定之后開(kāi)始記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).

2.4實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的獲取

在實(shí)驗(yàn)運(yùn)行過(guò)程中，通過(guò)自動(dòng)控制系統(tǒng)從計(jì)算機(jī)直接采集到的技術(shù)參數(shù)有：壓縮機(jī)輸入功率、壓縮機(jī)進(jìn)出口的低壓和高壓、過(guò)熱度、冷卻水系統(tǒng)的水流量和進(jìn)出水溫度、冷媒水系統(tǒng)的水流量和進(jìn)出水溫度.機(jī)組制熱量和COP需要通過(guò)檢測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算得到.

式中：Q為冷凝器制熱量，kW；ρw為水密度，取值為1,000,kg/m3；cw為水比熱容，取值為4.187,kJ/(kg·K)；qV,w為冷卻水系統(tǒng)水體積流量，m3/h；tc,out為冷凝器出水溫度，℃；tc,in為冷凝器進(jìn)水溫度，℃.

式(5)經(jīng)化簡(jiǎn)后，有

性能系數(shù)為

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1制熱量

由圖6可以看出，制熱量Q會(huì)隨著冷凝器出水溫度(tc,out)的升高而減小，隨著蒸發(fā)側(cè)進(jìn)水溫度(te,in)的升高而增大.tc,out每增加10,℃，制熱量會(huì)減小6%～19%，且減小速度逐漸變慢，而te,in每增加10,℃，制熱量會(huì)增大18%～34%，增長(zhǎng)幅度較大.因?yàn)閠e,in和tc,out分別能反映蒸發(fā)溫度和冷凝溫度，可知蒸發(fā)溫度對(duì)制熱量的影響大于冷凝溫度，同時(shí)制熱量還會(huì)隨著提升溫質(zhì)的增大而減小.當(dāng)te,in為60,℃、tc,out達(dá)到80,℃時(shí)，制熱量達(dá)到最大486,kW.

圖6　制熱量隨冷凝器出水溫度的變化Fig.6 Variation of heating capacity with condenser outlet water temperature

3.2吸氣壓力和排氣壓力的變化

壓縮機(jī)的排氣壓力主要受冷凝器側(cè)水溫影響，與蒸發(fā)器側(cè)水溫?zé)o關(guān).圖7表明了排氣壓力會(huì)隨著tc,out的升高而增加，tc,out從60,℃開(kāi)始每增加10,℃，冷凝壓力約以25%幅度增長(zhǎng)，當(dāng)tc,out達(dá)到110,℃時(shí)，冷凝壓力也只增長(zhǎng)到1.84,MPa，低于熱泵運(yùn)行的安全范圍2.5,MPa，并且留有余量.同時(shí)壓縮機(jī)的吸氣壓力主要和蒸發(fā)器側(cè)水溫有關(guān)，蒸發(fā)器進(jìn)水溫度在40～60,℃時(shí)，吸氣壓力在0.18～0.32,MPa范圍內(nèi).當(dāng)蒸發(fā)器進(jìn)水溫度40,℃、冷凝器出水溫度90,℃時(shí)，熱泵壓縮比會(huì)達(dá)到最大值6.9，并沒(méi)有超過(guò)熱泵允許的最大壓縮比.

圖7　壓縮機(jī)進(jìn)出口壓力隨冷凝器出水溫度的變化Fig.7 Variation of compressor inlet and outlet pressures with condenser outlet water temperature

3.3壓縮機(jī)功率

如圖8所示，當(dāng)te,in不變、tc,out每升高10,℃，壓縮機(jī)的輸入功率會(huì)增加14%～22%，而te,in每增加10,℃(tc,out不變)，輸入功率僅略增3%～6%.由此得知，在壓縮機(jī)實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，冷凝溫度對(duì)壓縮機(jī)功率的影響大于蒸發(fā)溫度.從理論循環(huán)的角度分析，式(3)表明影響壓縮機(jī)功率的因素有兩個(gè)：制冷劑質(zhì)量流量qm和單位質(zhì)量壓縮功h2-h1.又從式(2)得知qm主要和壓縮機(jī)的容積效率和吸氣比容有關(guān).故當(dāng)te,in不變、tc,out升高時(shí)，由于壓縮比的增大，吸氣比容不變，因此qm減小，同時(shí)h2-h1增大，但qm減小的比值小于h2-h1增大的比值，兩者相乘后得到的壓縮機(jī)輸入功率仍然明顯增加.同理當(dāng)tc,out不變、te,in增加，此時(shí)因壓縮比的減小和吸氣比容的減小會(huì)導(dǎo)致qm增加幅度較大，其增加的比值和h2-h1減小的比值幾乎相當(dāng)，故總壓縮機(jī)輸入功率變化不大.

圖8　壓縮機(jī)輸入功率隨冷凝器出水溫度的變化Fig.8 Variation of compressor input power with condenser outlet water temperature

3.4機(jī)組COP的變化

圖9　COP隨冷凝器出水溫度的變化Fig.9 Variation of COP with condenser outlet water temperature

由公式(7)可知，COP受制熱量和壓縮機(jī)功率二者的共同影響.如圖9所示，當(dāng)te,in不變時(shí)，tc,out每升高10,℃，由于制熱量的減小和壓縮機(jī)輸入功率的顯著增加，COP值會(huì)減小18%～30%.而當(dāng)tc,out不變時(shí)，te,in每升高10,℃，壓縮機(jī)輸入功率的變化較小，故制熱量的大幅度增加也會(huì)導(dǎo)致COP增大15%～27%.當(dāng)冷凝器側(cè)出水溫度與蒸發(fā)器側(cè)進(jìn)水溫度之差在35,℃以?xún)?nèi)時(shí)，機(jī)組的COP總是大于3.5，這說(shuō)明機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性能良好.

3.5排氣溫度的變化

圖10表示排氣溫度隨冷凝器出水溫度的變化，可知排氣溫度值高于tc,out，并隨著tc,out的增加而增加.當(dāng)tc,out達(dá)到110,℃時(shí)，排氣溫度只有112,℃，低于壓縮機(jī)設(shè)定的最高排氣溫度120,℃.如果熱泵想要在更高的冷凝溫度下運(yùn)行，首要解決的問(wèn)題就是壓縮機(jī)潤(rùn)滑油的選用，必須要避免潤(rùn)滑油在高溫下黏度過(guò)低的情況發(fā)生.

圖10　排氣溫度隨冷凝器出水溫度的變化Fig.10 Variation of discharge temperature with condenser outlet water temperature

4　結(jié) 論

本文對(duì)高溫非共沸制冷劑BY4做了理論循環(huán)分析，并對(duì)以BY4為工質(zhì)設(shè)計(jì)的高溫?zé)釞C(jī)組進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)工況檢測(cè)，得出如下結(jié)論.

(1)通過(guò)理論循環(huán)計(jì)算可知，在90～110,℃的高溫條件下，BY4與其他4種制冷劑相比在環(huán)境友好性、單位容積換熱量、高冷凝溫度下的適中壓力等方面都具有突出優(yōu)勢(shì).

(2)由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析得出，蒸發(fā)側(cè)水溫度對(duì)制熱量的影響大于冷凝溫度，在已檢測(cè)的工況中，最大制熱量能達(dá)到486,kW.由于BY4運(yùn)行的典型蒸發(fā)溫度為60,℃，蒸發(fā)器側(cè)進(jìn)水溫度繼續(xù)上升時(shí)，制熱量能達(dá)到600,kW，因此對(duì)高溫?zé)岜脵C(jī)組的設(shè)計(jì)可行.

(3)冷凝器側(cè)最高出水溫度能夠達(dá)到110,℃，此時(shí)冷凝壓力只有1.84,MPa，排氣溫度也只有112,℃，符合系統(tǒng)安全運(yùn)行限制，同時(shí)說(shuō)明該工質(zhì)有潛力應(yīng)用于更高溫度的運(yùn)行工況.

(4)通過(guò)實(shí)驗(yàn)成功連續(xù)運(yùn)行可知，檢測(cè)臺(tái)系統(tǒng)的改造合理；同時(shí)控制器EKC312能正確顯示BY4的過(guò)熱度，說(shuō)明控制器的調(diào)整也是成功的.

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（責(zé)任編輯：田 軍）

Theoretical and Experimental Study on a High Temperature Heat Pump Refrigerant

Zhang Yufeng1,2，Kong Lingteng1，Yu Xiaohui1，Zhang Yan1，Gao Yan1
(1.School of Environmental Science and Technology，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2.Collaborative Innovation Center of Chemical Science and Engineering(Tianjin)，Tianjin 300072，China)

Abstract：BY4 was presented as a high temperature non-azeotropic refrigerant，and its ozone depression potential(ODP)was zero.Through theoretical cycle calculation comparison with other four kinds of pure refrigerant，it was concluded that the coefficient of performance(COP)，unit volumetric work and condensing pressure of BY4 in the condensing temperature range(90—110,℃)were more excellent，and its thermal physical properties were also better.At the same time a high temperature heat pump unit based on BY4 refrigerant was designed to carry out a experimental test，which was conducted in a transformed heat pump testing system with the evaporator inlet temperature ranging from 40 to 60,℃.According to the experimental results，the condenser outlet water temperature can reach as high as 110,℃，the discharge temperature and condensing pressure are moderate under this condition，when the difference between the condenser outlet water temperature and the evaporator inlet temperature is less than 35,℃，COP is always higher than 3.5.

Keywords：high temperature heat pump；environmental friendly；coefficient of performance(COP)；condensing pressure

通訊作者：張于峰，yufengfa@tju.edu.cn.

作者簡(jiǎn)介：張于峰（1954—），男，博士，教授.

基金項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)資助項(xiàng)目(2009CB219907).

收稿日期：2014-07-16；修回日期：2014-10-02.

DOI:10.11784/tdxbz201407052

中圖分類(lèi)號(hào)：TB6

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：0493-2137(2016)03-0314-06

網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2014-10-29.網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/doi/10.11784/tdxbz201407052.html.