新型R1233zde制冷劑的高效節能環保性能分析

楊婧燁,陸冰清,陳江平

(上海交通大學制冷及低溫工程研究所,上海 200240)

前言

能源緊缺和氣候環境的惡化使得能源的梯級有效利用受到廣泛關注。發動機廢熱是中低溫余收的主要來源[1-3],燃油燃燒過程中60%～70%的能量會隨著尾氣排放至大氣造成資源浪費和環境污染。發動機廢熱主要分布在3個部分:發動機高溫煙氣余熱、發動機缸套水廢熱和發動機冷卻液。小型有機朗肯循環作為應用于中低溫廢熱回收的主要技術手段之一,其工質選擇一直是國內外汽車行業研究的熱點。

Shale[4]評估了多種工質在中低溫余熱回收中的應用,指出HFC型制冷劑如R134a和R245fa是適用于有機朗肯循環的低臨界溫度工質；Quolin[5]明確指出R245fa是適用于商用中低溫廢熱回收有機朗肯循環中的常見工質；Muhammad[6]建立了1kW的小型有機朗肯循環,應用R123作為工質獲得4.66%的熱效率；Li[7]基于帶回熱結構的有機朗肯循環研究應用R123作為工質獲得約6kW輸出功。

隨著全球氣候變暖的影響,制冷劑選擇標準[8-9]不再局限于ODP(ozone depletion potential)為零,2017年 MAC Derivative提出未來GWP(global warming potential)高于150的制冷劑均應被禁止使用。尋求環境友好型的清潔制冷劑的替代工作迫在眉睫。應用于有機朗肯循環中的高GWP制冷劑也將面臨淘汰危機。一批新HCFO型低GWP制冷劑[10-12]因其物性與R134a和R245fa相近有望替代成為低溫有機朗肯循環工質,其中包括R1234yf,R1234ze,R1233zde和 R1336mzzZ。

為了研究R1233zde作為R245fa替代物應用于低溫有機朗肯循環中的可行性,本文中針對有機朗肯循環建立了穩態的系統仿真模型,包括4部件的獨立模型。基于仿真模型分析比較了R12333zde和R245fa在給定工況下,各系統性能參數包括蒸發溫度、泵耗功和循環熱效率,說明 R1233zde替代R245fa的可行性。

表1 工質物性參數對比

圖1 T-S飽和曲線對比

圖2 飽和壓力對比

1 工質物性

有機朗肯循環工質的選擇遵循基本的制冷劑物性要求,無毒無腐蝕性且不含ODP。除此之外,根據有機朗肯的循環特性,工質在性能參數上還必須滿足低臨界壓力、高臨界溫度的要求從而產生高的蒸發溫度以獲得更高的循環熱效率。常見應用于低溫余熱回收的R245fa工質雖然不含ODP,但其GWP高達1 030,在未來更加嚴格的排放法規的標準下面臨禁用的危機。R1233zde因其物性與R245fa十分相近被提出有望替代成為新余熱回收有機工質。表1分別是R1233zde和R245fa的主要物性參數對比,圖1[13]為兩種工質的飽和T-S曲線對比,圖2為兩種工質相同飽和溫度下對應的飽和壓力值的比較。可以看出,雖然兩者物性十分相似,但R1233zde的臨界壓力稍低于R245fa且臨界溫度略高,理論分析認為R1233zde在相同的最大工作壓力條件下可以獲得更高的蒸發溫度,循環熱效率也會相應提高。

2 系統仿真

系統仿真的目的是為了比較相同工況下R1233zde與R245fa主要性能參數表現。因此,針對有機朗肯循環,本文中搭建了穩態的半經驗系統模型,為了簡化計算做出了必要的假設從而無法作為完全預測型的系統模型。圖3為靜態仿真模型的算法流程圖,算法主要包括3個收斂條件,對蒸發器、冷凝器和膨脹機進行狀態參數的迭代計算。模型相關假設如下:

(1)工質泵與膨脹機循環效率被視作常數計算,分別為0.75和0.8；

(2)忽略管路及部件的壓降；

(3)忽略部件與外部的傳熱損失等；

(4)過冷度作為模型的輸入條件之一。

圖3 算法流程圖

2.1 獨立部件模型

(1)熱交換器

熱交換器的獨立部件模型采用穩態集中參數分布法。相區分布見圖4,圖中Tr和hr分別代表了制冷劑側溫度和焓值；下角標l,tp和v分別表示液態、兩相和氣態；下角標sf表示第二側流體。

傳熱區域分為過冷、兩相和過熱區域。蒸發器與冷凝器的計算主要區別在于相區換熱關聯式的選擇,單相區均使用Muley(1998)。傳熱計算采用ENTU法計算換熱量和各相區換熱面積。表2列出了換熱器模型中所應用的換熱關聯式。

圖4 相區分布

表2 各相區傳熱關聯式

(2)工質泵及膨脹機

工質泵采用的是Ylya Teleman[14]提出的簡化模型,工質泵的流量和功耗為

式中:vin為泵進口的比體積；ηmp為泵的效率。

膨脹機的理想出口溫度為

式中k為該工質的絕熱系數。

實際出口焓值由膨脹機的等熵效率修正:

式中:ηmech為膨脹劑的機械效率；Vs_cp為渦旋壓縮的工作容積；rv為設計體積比。

系統整體的循環效率為

2.2 參數校核

模型參數的校核基于全工況實驗數據所得。表3和表4分別為系統模型的輸入參數和傳熱關聯式的修正系數。圖5為仿真模型與實驗流量值的對比,精度在3%左右。

表3 模型輸入參數

表4 傳熱關聯式修正參數

圖5 流量精度擬合

3 結果分析

基于修正后的仿真模型對R1233zde和R245fa進行分析計算。保證外部工況條件相同,控制熱源流量與冷源側不變,僅改變熱源溫度,從80℃連續變化至120℃,蒸發器出口過熱度控制在2℃。通過迭代計算得到兩種工質的狀態點分布及性能參數指標大小。圖6為工質泵耗功的比較,隨著熱源溫度的上升,工質泵耗功也逐漸增加,在相同的外部工況下,R1233zde系統所消耗的泵功明顯少于R245fa系統,減少幅度在15.05%～17.02%之間。原因是在相同的運行溫度下R1233zde對應的工作壓力較低。工質泵作為系統動力的主要來源,其耗功大小也影響著系統性能的優劣,減少泵耗功是系統優化的方向之一。

圖6 工質泵耗功對比

圖7 循環熱效率對比

圖7為各個熱源工況下R1233zde和R245fa系統的循環熱效率的對比。結果表明,R1233zde的循環效率略高于 R245fa。對應 120℃熱源工況下,R1233zde的循環效率優于R245fa約7.03%。原因是,相同工況下,R1233zde消耗的泵功相對更少,在最大工作壓力下,R1233zde可達到的蒸發溫度更高,相應的循環熱效率也就越高。

圖8 100℃熱源下T-S狀態點分布對比

圖8列舉了100℃熱源工況下,R1233zde與R245fa在T-S曲線上各個狀態參數點的分布。由圖可知,在給定相同的工況條件下,R1233zde可以達到相對更高的蒸發溫度,在冷凝狀態相近的情況下,更高的蒸發溫度帶來更優的熱效率。在Bala V.Dalta[15]的實驗分析中,R1233zde的熱效率比R245fa高出了8.7%。綜上所述,R1233zde被認為是性能略優于R245fa的低GWP制冷劑,完全有能力替代R245fa成為中低溫有機朗肯余熱回收的主要有機工質。

4 結論

基于仿真結果認為,低GWP的R1233zde在未來有望成為替代R245fa應用于中低溫有機朗肯余熱回收技術中的有機工質。

(1)R1233zde臨界壓力較R245fa低,臨界溫度相對高,可以在最大運行壓力下比R245fa達到更高的蒸發溫度從而提升熱效率,120℃工況下大約提升7.03%。

(2)應用R1233zde可以有效減少工質泵耗功,優化系統整體性能表現。

(3)因R1233zde與R245fa的物性十分相似,在零部件的設計上可以沿用R245fa系統部件而不存在硬件需求上的難度。

(4)R1233zde的GWP值僅為R245fa的1/150,ODP接近于0對環境無損害,安全等級A1且不可燃,符合新制冷劑替代的要求。