HFO1234ze/HFCs混合工质热泵系统循环性能分析

王 方， 朱飞宇， 杨理想， 袁秋艳， 王帅琪(中原工学院 能源与环境学院， 郑州 450007)

0 引 言

经济社会发展导致的能源短缺、臭氧层破坏以及温室效应等问题日益凸显，热泵[1]正是因其具有节能减排、环保高效等独特优势受到业内研究人员青睐。目前常用制冷工质主要是R22、R134a、R410a和R407c等[2]，这些制冷工质的ODP指数相对较低或为零，但GWP值均较高，研制开发ODP为零、GWP较低的制冷工质是保证热泵技术快速高效发展的前提。HFO1234ze[3]的ODP为零，GWP较低，大气寿命极短，蒸发压力偏低，但气化潜热较低、轻微易燃，其COP与体积制冷量均低于目前常用工质R134a[4]；氢氟烃(HFCs)虽然其ODP为零，但GWP较高，大气停留时间较长，大量使用会引起全球气候变暖，但具有较好的热力学性能。基于HFO1234ze、HFCs的各自特性，将HFO1234ze和HFCs按不同比例混合以期实现两者优势互补，通过添加适量HFCs以改善HFO1234ze热力学特性与传输特性成为了研究者的关注焦点。

杨英英等[5]用R32、R1234ze两种制冷剂在直径2 mm的水平细圆管内进行了冷凝换热实验，测试了R32、R1234ze在不同工况条件下的冷凝换热系数和压降，得出R32的冷凝换热系数较高，对小通道内换热机理的研究提供了数据基础与理论支持；陈红群等[6]在非热泵热水器名义工况下(设定热汇进出口温度分别为为15 ℃、42 ℃，环境干湿球温度分别为20 ℃、15 ℃)应用优化的KW2模型参数计算程序，对比分析了R1234ze/R32混合制冷剂与R410a的热物理性质，得出R1234ze/R32混合制冷剂配比为0.3/0.7时，单位容积制热量与 R410a最为接近，且冷凝压力更低，制热系数更高，为热泵热水器的制冷剂替代提供了可行性参考；Mota-Babiloni等[7]通过实验得出R1234ze/R134a系统相比于R134a系统，COP平均高出1%，排气温度、压缩机功耗均低于R134a系统，分析了R1234ze/R134a作为R134a的替代趋势；Han等[8]通过实验验证了新型三元非共沸混合工质HFC-161/125/143a (0.15/0.45/0.40)与R404a相比，其系统COP增加了6.3% ～12.1%，压比降低了1.8%～6.6%，但其排气温度略高于R404a；WANG等[9]对制冷剂作为工质的脉动热管的传热性能进行了试验，结果表明，使用R134a作为工质的脉动热管的传热热阻要比使用R404a或者R600a的要小得多，指出R134a具有更好的热传导能力。文献调研发现，对于各种工况下的二元混合工质热泵系统循环性能研究尚不完善，且针对热泵热水器名义工况下的HFO1234ze/HFCs混合工质热泵系统性能研究更是鲜有报道。本文对3组HFO1234ze/HFCs混合工质热泵系统循环的热力学特性进行系统分析，并与常用的纯工质热泵系统进行对比，以期对新型替代工质研究提供理论基础。

1 热泵系统循环热力学模型

1.1 热泵系统模型建立

图1为HFO1234ze/HFCs热泵系统循环流程图，该系统主要由压缩机、冷凝器、膨胀阀、蒸发器组成。为简化分析热力计算，先做出如下假设[10]：① 工质在换热器出口处均为饱和状态；② 系统与外界之间无热量损失；③ 忽略润滑油对工质或混合工质的影响；④ 忽略工质在换热器、连接管路中的压降；⑤ 压缩过程为绝热非等熵过程，等熵效率为0.7；⑥ 蒸发器和冷凝器中最小传热温差取7 ℃；⑦ 节流过程为绝热节流。

图1 混合工质热泵系统循环流程图

混合工质亚临界理论循环主要计算公式如下：

制热性能系数

COPh=(h2-h3)/(h2-h1)

(1)

单位质量制热量

qh=h2-h3

(2)

单位功耗

w=h2-h1

(3)

压缩机压比

r=pc/pe

(4)

非共沸混合工质在换热器中定压相变时温度呈非线性变化，在热力循环计算中，考虑到传热窄点温差的作用，冷凝器中每处热汇和工质的温差均满足[12]：

(5)

蒸发器中每处热源和工质温差满足[12]：

tppe=min[(tsoi-t1),(tsoo-t4)]

(6)

式中：h为工质比焓(J/g)；tsio、tsii分别为热汇出口、入口温度( ℃)；tsoo、tsoi分别为热源出口、入口温度( ℃)；tppc、tppe分别为热汇、热源与工质的温差( ℃)；tv为工质在冷凝压力下的饱和蒸气温度( ℃)；下角标1、2、3、4分别对应图2中各状态点。

图2 混合工质配比与系统COP的关系

1.2 计算工况选择

依据国家标准《家用和类似用途热泵热水器》，设定热汇进、出口温度分别为15 ℃、55 ℃；热源进、出口温度分别为15 ℃、10 ℃。基于以上假设和分析，利用EES[14]开发程序，采用热泵系统模型，对HFO1234ze/HFCs混合工质进行理论模拟计算，其中混合工质的热力学参数利用接口程序调用美国NIST开发的REFP-ROP 9.0[15]得到。

2 计算结果及分析

为了便于分析比较，在相同的工况和计算条件下，分别计算了纯R1234ze、R125、R134a以及R32作为工质的热泵系统循环参数，结果如表2所示。

表2 R1234ze、R125、R134a和R32热泵系统循环参数

2.1 热泵系统制热性能COP

图3所示为R1234ze/HFCs系统COP在R1234ze不同质量配比下的变化趋势。可以看出，R1234ze/R32系统COP始终高于R1234ze/R125、R1234ze/R134a系统COP；在R1234ze/R32系统中，随着R1234ze配比的增加，系统COP呈现先增加后平缓下降的趋势，直到R1234ze增加至70%时系统COP开始快速下降，在20/80配比处存在一极大值。在R1234ze/R125系统中，随着R1234ze配比的逐渐增加，系统COP呈现先平缓增加而后降低的变化趋势，在70/30配比处存在一极大值。对于R1234ze/R134a系统，随着R1234ze配比的逐渐增加，系统COP始终呈现缓慢下降趋势。R1234ze/R32(20/80)系统最优质量配比对应的COP值为8.36；R1234ze/R125(70/30)系统最优质量配比对应的COP值为7.41；R1234ze/R32(20/80)系统COP分别比R32、R1234ze、R125、R134a和R1234ze/R125(70/30)系统COP增加了4.53%，25.32%，41.41%，17.88%和12.81%。

图3 混合工质配比与单位质量制热量的关系

2.2 单位质量制热量和单位质量功耗

系统单位质量制热量qh随混合工质质量配比变化情况如图4所示。可以看出，在R1234ze/R32、R1234ze/R125、R1234ze/R134a系统中，qh均随R1234ze配比的增加而单调增加。其中，R1234ze/R32的qh变化幅度相对较大，R1234ze/R134a系统在R1234ze配比增加至30%后，qh呈现缓慢上升趋势，R1234ze/R125的qh始终小于其他两系统。在R1234ze/R32、R1234ze/R134a系统中，当R1234ze质量配比均为16%时，两系统qh存在相同值。最优配比下，R1234ze/R125(70/30)系统qh为132.3 J/g，为R125系统的1.5倍；R1234ze/R32(20/80)系统qh为151.6 J/g，为R32系统的1.2倍、R125系统的1.7倍。在相同运行工况下，qh越大，系统工质充注量越少，降低了工质泄漏时的危险性，有利于提高系统运行安全性。

图4 混合工质配比与单位质量功耗的关系

单位质量功耗w随混合工质配比变化趋势如图5所示。R1234ze/R32、R1234ze/R125和R1234ze/R134a系统w均随R1234ze配比的增加而升高。其中R1234ze/R125系统w始终小于其他两者；在R1234ze/R32、R1234ze/R134a系统中，当R1234ze配比均为31%时，两系统w存在相同值。最优配比下，R1234ze/R125(70/30)系统w为32.4 J/g，略高于R32、R125系统，相对于R134a系统减少9.4%；R1234ze/R32(20/80)系统w为31.46 J/g,比R32、R125系统略高，比R134a系统减少12%。显然，系统qh的降低有利于节能环保。

图5 混合工质配比与冷凝压力的关系

2.3 冷凝压力、压比和排气温度

冷凝压力、压比和排气温度的降低均有利于系统运行的稳定性、提高压缩效率，有必要对三者进行模拟研究分析。

由图6可见，R1234ze/R32、R1234ze/R125、R1234ze/R134a系统冷凝压力pc均随R1234ze配比的增加而单调降低。其中R1234ze/R134a系统pc始终小于其他两系统；R1234ze/R32、R1234ze/R125系统中R1234ze配比均为12%时，两系统pc存在相同值。最优配比下，R1234ze/R32(20/80)系统pc为2.295 MPa，比R134a系统略大，比R32、R125系统分别降低了28%，17%；R1234ze/R125(70/30)系统pc为1.59MPa，与R134a系统相当，比R32、R125系统分别降低了50%、42%。

图6 混合工质配比与压比的关系

如图7所示，R1234ze/R32、R1234ze/R125、R1234ze/R134a系统压比r均随R1234ze配比的增加呈现上升趋势，其中R1234ze/R134a系统的r上升趋势较为缓慢，R1234ze/R32系统的r随R1234ze配比的增加呈现先下降后上升的趋势，在R1234ze配比为0～10%范围内呈现下降趋势，在R1234ze配比为10%～100%范围内呈现上升趋势。

图7 混合工质配比与排气温度的关系

最优配比下，R1234ze/R125(70/30)r为3.505，高于R32、R125系统，低于R134a系统；R1234ze/R32(20/80)r为3.016，略高于R32系统，略低于R125系统，低于R134a系统。

从图7可以看出，R1234ze/R32系统压缩机排气温度t2随R1234ze配比的增加呈现相对快速下降趋势，R1234ze/R134a系统t2随R1234ze配比的增加呈现缓慢下降趋势，R1234ze/R125系统t2随R1234ze配比的增加呈现先缓慢上升而后平缓的趋势。最优配比下，R1234ze/R125(70/30)系统排气温度为66 ℃，低于R32和R134a系统排气温度，高于R125系统排气温度；R1234ze/R32(20/80)系统t2为80 ℃，高于R125和R134a系统排气温度，低于R32系统排气温度。

3 结 论

通过HFO1234ze/HFCs热泵系统循环的热力学性能分析，在计算工况下，得出以下结论：

(1) R1234ze/R32和R1234ze/R125混合工质均存在最优质量配比，使得系统COP达到最大值，对应的质量配比分别为20/80和70/30，相应的系统COP值分别为8.36和7.41。

(2) 在最优质量配比范围内，R1234ze/R32(20/80)系统冷凝压力为2.295 MPa，比R134a系统略大，比R32、R125系统分别降低了28%，17%；其压比为3.016，略高于R32系统，略低于R125系统，低于R134a系统；其排气温度为80 ℃，高于R125和R134a系统排气温度，低于R32系统排气温度。R1234ze/R125(70/30)系统冷凝压力为1.59 MPa，与R134a系统相当，较R32、R125系统分别降低了50%、42%；其压比为3.505，高于R32、R125系统，低于R134a系统；其排气温度为66 ℃，低于R32和R134a系统排气温度，高于R125系统排气温度。

(3) 对于R1234ze/R32系统，其系统COP分别比R1234ze/R125(70/30)、R1234ze、R125、R134a和R32增加了12.81%，25.32%，41.41%，17.88%和4.53%，有望作为新型替代工质。

参考文献(References)：

[1] 杨灵艳, 徐 伟, 朱清宇,等. 国际热泵技术发展趋势分析[J].暖通空调, 2012, 42(8):1-8.

[2] 范晓伟,张仙平,王凤坤,等. R744/R600及R744/R600a混合工质热泵循环性能研究[J].制冷学报,2011,32(6):35-39.

[3] 邱金友,张 华,祁影霞, 等. 新型制冷剂R1234ze及其混合工质研究进展[J].制冷学报,2015, 36(3):9-16.

[4] Mota-Babiloni A, Navarro-Esbrí J, Mendoza-Miranda J M,etal. Experimental evaluation of system modifications to increase R1234ze(E) cooling capacity[J]. Applied Thermal Engineering, 2016, 111:786-792.

[5] 杨英英. R32和R1234ze在水平细管道内的冷凝换热特性研究[D].天津:天津大学, 2014.

[6] 陈红群, 王 芳, 藕俊彦,等. HFO-1234ze与HFC-32混合制冷剂用于热泵热水器的实验研究 [J].制冷学报, 2016, 37(6)：20-26.

[7] Mota-Babiloni A, Navarro-Esbrí J,ngel Barragán-Cervera,etal. Experimental study of an R1234ze(E)/R134a mixture (R450A) as R134a replacement[J]. International Journal of Refrigeration, 2015, 51(3):52-58.

[8] Han Xiaohong, Qiu Yu, Xu Yingjie,etal. Cycle performance studies on a new HFC-161/125/143a mixture as an alternative refrigerant to R404A[J]. 浙江大学学报(英文版), 2012, 13(2):132-139.

[9] Wang Xingyu, Jia Li. Experimental study on heat transfer performance of pulsating heat pipe with refrigerants[J]. Journal of Thermal Science, 2016, 25(5):449-453.

[10] 巨福军. 二氧化碳-烷类混合制冷剂热泵循环特性研究[D].郑州：中原工学院，2013：23-33.

[11] 范晓伟, 徐 菂, 王 方. R744/R290/R600a混合工质热泵循环性能分析[J].制冷与空调, 2014, 14(10):104-108.

[12] Sarkar J, Bhattacharyya S. Assessment of blends of CO with butane and isobutane as working fluids for heat pump applications[J]. International Journal of Thermal Sciences, 2009, 48(7):1460-1465.

[13] 国家质检总局. GB/T 23137家用和类似用途热泵热水器[S].北京：中国标准出版社，2008.

[14] Engineering Equation Solver (EES) [CP]. (Academic Commercial Version 9.6.0.0). 2016．

[15] Lemmon E W，Mclinden M O，Huber M L. Reference Fluid Thermodynamic and Transport Properties (REFPROP)[DB]. NIST Standard Reference Database 23, Version 9.0, 2013.