楊文娟， 張 華

（上海理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200093）

熱泵是工業(yè)生產(chǎn)中極具吸引力的能源轉(zhuǎn)換設(shè)備，因?yàn)樗峁┝死脧U熱或任何一種低品位熱能來減少一次能源消耗的有效方法。全球經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，全球能源消耗快速增長(zhǎng)，高溫?zé)岜眉夹g(shù)廣泛應(yīng)用于木材干燥、建筑供暖、制藥等領(lǐng)域，它在節(jié)能效果上的優(yōu)勢(shì)比電或一次能源用熱系統(tǒng)更加明顯，高溫?zé)岜眉夹g(shù)可以利用30～60℃范圍的低等級(jí)熱源提供80～100℃以上的熱量，所以近年來，具有低GWP的制冷劑蒸汽壓縮高溫?zé)岜迷趶U熱回收方面受到了廣泛的關(guān)注[1-3]。熱泵中必須使用制冷劑，而人們對(duì)環(huán)境保護(hù)越發(fā)重視，破壞環(huán)境的HCFs類制冷劑正加速淘汰，而把研究重點(diǎn)逐漸轉(zhuǎn)移到HFC類和HFE類等環(huán)境友好型制冷工質(zhì)[4]。

與常規(guī)的熱泵技術(shù)相比，高溫?zé)岜眉夹g(shù)有其自身的特點(diǎn)：冷凝壓力和冷凝溫度相對(duì)較高，排氣溫度也相對(duì)較高，壓比也比常規(guī)的熱泵的壓比高[5]。配合使用的常見的高溫?zé)岜眉夹g(shù)的制冷劑有R1234ze、R124、R114、R134a等純制冷劑，也有共沸混合工質(zhì)。

隨著傳統(tǒng)高溫工質(zhì)的淘汰，一些學(xué)者對(duì)高溫?zé)岜弥兄评鋭┑奶鎿Q做了許多研究，而針對(duì)新型環(huán)保制冷劑R245fa、R1233zd(E)及R1336mzz(Z)在高溫?zé)岜弥械睦碚摲治鱿鄬?duì)較少，本文選取兩種傳統(tǒng)工質(zhì)和三種新型環(huán)保工質(zhì)在冷凝溫度70～100℃的高溫工況下進(jìn)行理論計(jì)算，以尋找在高溫?zé)岜弥醒h(huán)性能優(yōu)良、環(huán)境友好、熱力學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的高溫工質(zhì)，為今后更高冷凝溫度的工況下的深入研究提供數(shù)據(jù)借鑒。

1 R245fa 簡(jiǎn)介及與其他四種高溫?zé)岜霉べ|(zhì)物性對(duì)比

1.1 R245fa 簡(jiǎn)介

R245fa是由霍尼韋爾公司推出的一種新型制冷劑，CAS登記號(hào) 460-73-1，簡(jiǎn)稱 HFC-245fa，學(xué)名1,1,1,3,3-五氟丙烷，分子式CF3CH2CHF2，相對(duì)分子量136.48，臭氧消耗潛能值ODP為0，全球變暖潛值GWP相對(duì)較低，R245fa中沒有破壞大氣臭氧層的氯原子，并且在大氣中的存在壽命短。常溫常壓下R245fa不會(huì)燃燒，且毒性較低[6]。

當(dāng)前，一些學(xué)者已經(jīng)對(duì)R245fa制冷劑在各方面進(jìn)行了研究，王奪等[7]試驗(yàn)了工質(zhì)R245fa在水平管內(nèi)流動(dòng)沸騰換熱，結(jié)果表明該工質(zhì)在沸騰開始的階段，隨著含汽率的不斷增大，R245fa的流動(dòng)沸騰換熱系數(shù)迅速升高；當(dāng)流動(dòng)沸騰換熱系數(shù)達(dá)到最大值后，隨著含汽率的繼續(xù)增大，流動(dòng)沸騰換熱系數(shù)卻出現(xiàn)了下降。邱金友等[8]對(duì)R245fa有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行性能進(jìn)行研究，在保持冷端溫度不變，提高熱源溫度可以使蒸發(fā)壓力增加，膨脹比、等熵效率都出現(xiàn)了增加，使得膨脹做功能力增強(qiáng)，系統(tǒng)的循環(huán)熱效率、發(fā)電效率局增大。白景輝等[9]基于工質(zhì)R245fa的太陽(yáng)能平板集熱器集熱進(jìn)行了動(dòng)態(tài)模擬，結(jié)果表明，在系統(tǒng)熱過程中太陽(yáng)能輻射強(qiáng)度的影響對(duì)系統(tǒng)集熱有很大的影響，但是系統(tǒng)的啟動(dòng)溫度對(duì)集熱的影響較小。劉健等[10]研究了工質(zhì)R123和R245fa的有機(jī)朗肯循環(huán)熱力性能，實(shí)驗(yàn)指出在相同的蒸發(fā)參數(shù)下，工質(zhì)R245fa的循環(huán)熱效率低于R123的循環(huán)熱效率，相同蒸發(fā)溫度下R123具有低壓特性，這有利于系統(tǒng)安全運(yùn)行。YANY Min-hsiung[11]研究了混合工質(zhì)R245fa/R236fa的組成比和壓降對(duì)有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)廢熱回收的影響，結(jié)果表明，用R245fa / R236fa混合物循環(huán)的ORC系統(tǒng)比具有純組分R236fa或純組分R245fa的ORC系統(tǒng)具有更高的熱力學(xué)和經(jīng)濟(jì)性能。

本文基于 R245fa的熱物性參數(shù)，對(duì) R245fa在高溫?zé)岜孟到y(tǒng)中的性能進(jìn)行了計(jì)算，分析對(duì)比 R245fa和其他幾種高溫制冷劑在高溫?zé)岜孟到y(tǒng)中的性能。

1.2 R245fa 與其他四種高溫?zé)岜霉べ|(zhì)物性對(duì)比

如表 1所示，對(duì) R245fa及其他高溫?zé)岜眉児べ|(zhì)的基本物性進(jìn)行了對(duì)比，工質(zhì) R245fa的臨界溫度為154.1℃，高于R134a、R1234ze、R142b的臨界溫度，低于R1233zd(E)和R1336mzz(Z)的臨界溫度；R245fa臨界壓力為3.651 MPa，低于R134a的臨界壓力，與R1233zd(E)和R124的臨界壓力相當(dāng)；R245fa的ODP值為0，GWP值相對(duì)R134a的GWP相對(duì)較低，對(duì)環(huán)境的影響比較小。

表1 五種工質(zhì)的基本性質(zhì)[12]

2 結(jié)果與討論

為了方便計(jì)算，對(duì)高溫?zé)岜孟到y(tǒng)的熱力學(xué)模型做了一些如下的假設(shè)：1）理論計(jì)算時(shí)冷凝溫度在70～100℃，蒸發(fā)溫度為 30℃；2）蒸發(fā)器出口的過熱度及冷凝器出口的過冷度都為 5℃；3）壓縮機(jī)壓縮過程中考慮等熵效率，在計(jì)算中等熵效率取0.85；4）在理論計(jì)算中節(jié)流過程認(rèn)為是等焓過程；5）殼體的散熱忽略不計(jì)，系統(tǒng)與環(huán)境的散熱也忽略不計(jì)；6）忽略壓降對(duì)蒸發(fā)溫度的影響。在計(jì)算過程中冷凝溫度在70～100℃度之間每隔5℃取一個(gè)點(diǎn)，總共有7個(gè)工況點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比。主要對(duì)比分析了五種制冷劑在相同的工況下冷凝壓力、排氣溫度、COP、單位容積制熱量和壓縮比。

2.1 冷凝壓力的對(duì)比

制冷劑在冷凝器內(nèi)的壓力會(huì)影響系統(tǒng)的運(yùn)行，為了安全穩(wěn)定運(yùn)行，工程上的冷凝壓力不超過2.5 MPa。圖1為各種工質(zhì)的冷凝壓力隨冷凝溫度變化的關(guān)系曲線。由圖1可知，每種工質(zhì)的冷凝壓力都隨著冷凝溫度的增大而增大，R245fa的冷凝壓力高于R1233zd(E)、R11和R1336mzz(Z)的壓力，低于R134a的冷凝壓力，在理論計(jì)算中，當(dāng)R245fa最高冷凝溫度為100℃時(shí)，R245fa的最高壓力是1.264 9 MPa，并沒有超過工程上冷凝壓力上限（2.5 MPa），而R134a在冷凝溫度80℃時(shí)，冷凝壓力已經(jīng)達(dá)到了2.633 2 MPa，所以R134a只適合80℃以下的工況，R1233zd(E)、R11和R1336mzz(Z)在100℃時(shí)冷凝壓力也未達(dá)到工程應(yīng)用中對(duì)冷凝壓力的限制，所以這幾種工質(zhì)還能用于更高溫度的工況。所以，在這幾種高溫?zé)岜霉べ|(zhì)中，R245fa的冷凝壓力居中，可以在高溫?zé)岜弥械玫胶芎玫膽?yīng)用。

圖1 冷凝壓力隨冷凝溫度的變化

圖2 壓縮機(jī)排氣溫度隨冷凝溫度的變化

2.2 排氣溫度的對(duì)比

在系統(tǒng)運(yùn)行中，壓縮機(jī)的排氣溫度也是系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的一個(gè)很重要的因素，當(dāng)壓縮機(jī)的排氣溫度過高時(shí)，會(huì)影響壓縮機(jī)的容積效率，從而使壓縮機(jī)的耗功增加，嚴(yán)重的情況下會(huì)使壓縮機(jī)損壞，使整個(gè)機(jī)組不能正常運(yùn)行；但是壓縮機(jī)的排氣溫度也不能過低，如果排氣溫度過低的話，排氣點(diǎn)在兩相區(qū)，這樣對(duì)壓縮機(jī)的運(yùn)行也會(huì)造成不利影響。

圖2為壓縮機(jī)排氣溫度隨冷凝溫度變化關(guān)系曲線。由圖2可知，高溫?zé)岜弥袎嚎s機(jī)的排氣溫度隨著冷凝溫度的升高而升高，采用工質(zhì)R245fa的壓縮機(jī)的排氣溫度比采用R11、R1233zd(E)和R134a的壓縮機(jī)的排氣溫度低，比采用工質(zhì) R1336mzz(Z)的壓縮機(jī)的排氣溫度略高，隨著冷凝溫度的升高，R1336mzz(Z)的排氣溫度逐漸逼近R245fa的排氣溫度；當(dāng)冷凝溫度在100℃時(shí)，采用R245fa壓縮機(jī)的排氣溫度為100.4℃，沒有超過壓縮機(jī)排氣溫度的上限，這就使得壓縮機(jī)在高冷凝壓力下穩(wěn)定地運(yùn)行，也不會(huì)對(duì)壓縮機(jī)造成損壞。

2.3 COP 的對(duì)比

系統(tǒng)的COP是指系統(tǒng)運(yùn)行過程中的制熱量與壓縮機(jī)輸入功率的比值，COP是評(píng)價(jià)循環(huán)性能的第一要素，在相同的工況下系統(tǒng)的COP越高，說明系統(tǒng)工作效率更高，性能更好。圖3是高溫?zé)岜孟到y(tǒng)的COP隨冷凝溫度的變化曲線。由圖3可知，高溫?zé)岜孟到y(tǒng)的COP隨著冷凝溫度的升高而降低，采用不同的制冷劑系統(tǒng)的COP的變化趨勢(shì)基本一致，這主要是因?yàn)殡S著冷凝溫度升高，壓縮機(jī)的耗功量增加。采用R245fa為例，冷凝溫度在70～100℃的區(qū)間內(nèi)冷凝溫度每升高5℃，壓縮機(jī)平均耗功增加7.14%。采用制冷劑R245fa的系統(tǒng)COP在冷凝溫度70～100℃的冷凝溫度區(qū)間內(nèi)從6.3降低到3.29；采用制冷劑R245fa系統(tǒng)的COP高于采用R134a系統(tǒng)的COP，也高于采用制冷劑R1336mzz(Z)系統(tǒng)的COP，這說明采用R245fa制冷劑時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)的工作效率比采用R134a或采用R1336mzz(Z)的高，而且更節(jié)能。

圖3 系統(tǒng)COP隨冷凝溫度的變化

圖4 單位容積制熱量隨冷凝溫度的變化

2.4 單位容積制熱量的對(duì)比

單位容積制熱量是選擇壓縮機(jī)的決定條件之一，相同的制熱量，單位容積制熱量越小，需要的壓縮機(jī)容積越大，那就使得壓縮機(jī)整體的尺寸越大。圖4為單位容積制熱量隨著冷凝溫度的變化曲線。從圖4可以看出，每種制冷劑的單位容積制熱量隨著冷凝溫度的升高而降低，R134a的單位容積制熱量遠(yuǎn)大于其他幾種制冷劑的單位容積制熱量，而且R134a的單位容積制熱量降低的速率比其他四種制冷劑的單位容積制熱量降低的速率快。R245fa的單位容積制熱量比R134a的單位容積制熱量小，但是大于同等條件下R11、R1336mzz(Z)和R1233zd(E)的單位容積制熱量。隨著冷凝溫度的升高，R245fa、R11和R1233zd(E)的單位容積制熱量之間的差別逐漸變小。

2.5 壓縮比的對(duì)比

所謂的壓縮比是指壓縮機(jī)排氣壓力與吸氣壓力的比值。壓縮比的高低對(duì)熱泵系統(tǒng)運(yùn)行整體的性能有很大的影響，較高的壓縮比會(huì)使壓縮機(jī)的排氣量減小，制冷量也會(huì)減小。壓縮比增大，排氣溫度也會(huì)升高，容積效率就會(huì)降低，過高的壓縮比對(duì)壓縮機(jī)的吸氣造成影響，也會(huì)使活塞銷損壞。圖5為蒸發(fā)溫度30℃時(shí)各種制冷劑壓縮比隨冷凝溫度的變化曲線。由圖5可知，系統(tǒng)的壓縮比隨著冷凝溫度的升高而升高，采用 R1336mzz(Z)時(shí)的壓縮比比相同條件下其他四種制冷劑的壓縮比高，而采用R245fa時(shí)的壓縮比高于相同條件下采用R11、R134a和R1233zd(E)的壓縮比。

圖5 系統(tǒng)壓縮比隨冷凝溫度變化的關(guān)系

3 結(jié)論

本文在對(duì)R245fa、R134a、R11、R1336mzz(Z)和R1233zd(E)工質(zhì)在高溫?zé)岜弥械男阅苓M(jìn)行了比對(duì)。結(jié)論表明，R245fa在高溫?zé)岜孟到y(tǒng)中，系統(tǒng)在高的冷凝溫度100℃下的冷凝壓力為1.264 6 MPa，冷凝壓力較低并沒有超過工程上對(duì)冷凝壓力限制的范圍，可以應(yīng)用于現(xiàn)有的熱泵系統(tǒng)部件；單位容積制熱量比R134a的低但大于其他幾種制冷劑的單位容積制熱量；在同等高溫工況下R245fa的COP高于R134fa的值；壓縮機(jī)的排氣溫度在冷凝溫度100℃時(shí)為100.4℃，沒有超過壓縮機(jī)的排氣溫度上限，因此具有良好的循環(huán)性能。R245fa的臭氧消耗潛值ODP為0，全球變暖潛能值GWP相對(duì)較低，對(duì)環(huán)境相對(duì)友好，基于以上的研究，R245fa擁有應(yīng)用于更高冷凝溫度工況下的潛質(zhì)，有待今后更為深入的研究。