復疊式工業熱泵工質理論的研究與實驗

胡陳春，林潘忠，林炳南

（1.永嘉縣榮信科技有限公司，浙江 溫州 325103；2.溫州職業技術學院 機械工程系，浙江 溫州 325035）

0 引 言

工業余熱是一種非常有利用價值的二次能源，但化工、冶金、電力等工業生產中常有大量40℃～80℃的工業熱量排放，造成嚴重的熱污染和資源浪費。隨著國際能源問題的日益突出，如何高效地使用能源、回收各種余熱和減少傳統能源的消耗，成為人們關注的焦點。熱泵作為一種重要的利用工業余熱產熱的設備，以消耗部分化學能或電能為代價，把熱量從溫度較低的工業余熱中轉移到高溫系統中，目前單級熱泵已被廣泛用于制取60℃以下的常溫熱源。然而，隨著工業上對高溫熱水需求的不斷提高，傳統的單級熱泵已不能滿足要求，其缺陷是制熱溫度和制熱能效比（COP）較低，目前很多工程領域相關學者和企業已經研究了最高可達100℃以上的復疊式制熱技術[1-2]。

目前國內外對高溫熱泵的研究主要集中在工質選擇[3]和制熱系數提升兩個方面。隨著CFCs和HCFCs類高溫工質被逐漸淘汰，常見HFC類純工質最高熱輸出溫度又不足，非共沸混合工質逐漸成為了研究熱點。與單一工質相比，某些非共沸混合工質可以獲得高溫和低壓的特性，可滿足高溫熱泵對工質運行壓力的要求，熱泵的循環效率較高[4]。李巍開發出一種高溫非共沸混合工質BY-6，設計蒸發溫度從90℃變化到115℃，對應冷凝溫度從145℃變化到170℃[5]；周福等人通過對R245fa與R134a、R152a、RC270特定配比下混合物的研究表明，混合工質系統的熱力性能優于上述幾種純工質，且以R245fa/RC270（0.88/0.12）時性能最優，出口水溫為80℃的條件下，制熱能效比（COP）達到5.15[6]。天津大學王懷信課題組分別對不同的新型熱泵工質物性進行大量研究，并獲得了一些列的成果。近年來日本又成功研制了采用R134a/R245fa混合工質的高效熱泵，最高出水溫度可達165℃[7-8]。高溫熱泵的關鍵技術就是尋找合適優質的工質，解決低溫級和高溫級的工質匹配問題。但目前，能真正實現90℃以上的工業熱水制取多停留于實驗室階段，較少應用于工業生產。另外，在提高熱泵溫度的同時，如何有效地提高制熱能效比也一直是國內外研究的熱點。

1 復疊制熱原理分析

復疊式工業熱泵采用雙壓縮機作為熱泵裝置動力來源，用復疊式換熱器進行換熱，具體結構見圖1，從30℃～40℃左右的低溫熱源吸熱，最高制熱溫度可達90℃。裝置主要包括低溫壓縮機、高溫壓縮機、低溫冷凝器、高溫冷凝器、復疊式換熱器、低高溫膨脹閥和蒸發器，構成低溫回路和高溫回路。低溫壓縮機依次連接低溫冷凝器、復疊式換熱器、低溫膨脹閥和蒸發器構成低溫回路；高溫壓縮機依次連接高溫冷凝器、高溫膨脹閥和復疊式換熱器，通過復疊式換熱器連接低溫壓縮機構成高溫回路。復疊式熱泵系統由中間換熱器將兩個熱力循環連接起來，使熱泵獲得更高的制熱效率和溫升。

圖1 復疊制熱技術原理

目前復疊式熱泵通常采用兩套蒸氣壓縮系統，分別為適合于中溫制熱的R-417a和高溫制熱的HFCR-134a工質，各自負責中溫級和高溫級的制熱，兩級獨立系統通過中溫熱水容器的耦合形成一個直接制取高溫熱水的系統，低溫級出水溫度約為45℃～55℃，該溫度的水作為高溫級進水，高溫級出水溫度約為50℃～90℃。這樣的兩級耦合系統，避免了單級系統存在的工作壓力高或制熱溫度低等問題。另外，由于兩級子系統各自都工作在壓力比較小的工況，具有制熱系數高、排氣溫度低等優點，避免了常規單級熱泵在制高溫熱水時壓縮機排氣溫度高、系統工作壓力高、低溫環境制熱效果差甚至不能制熱、能耗大等問題。但是復疊式熱泵高溫級工質與單級高溫熱泵工質性能要求不一樣，出水溫度高且對冷凝壓力有一定的要求，已有的高溫級工質的特性與低溫級匹配較差，尋找合適的高溫級工質迫在眉睫。

2 高效復疊式工業熱泵結構設計與工質研究

2.1 高效復疊式工業熱泵裝置主要結構

高效復疊式工業熱泵主要結構如圖2所示，主要包括低溫壓縮機、高溫壓縮機、低溫冷凝器、高溫冷凝器、復疊式換熱器、低高溫膨脹閥和蒸發器，構成低溫回路和高溫回路。將低溫級的渦旋式壓縮機、高溫級的活塞式壓縮機的雙機壓縮機作為熱泵裝置動力來源，低溫和高溫壓縮機分別連接帶冷凝器的冷交換器和熱交換器后通過細銅管分別連接壓力表和帶膨脹閥的過濾器，再通過粗銅管和水泵以及水箱之間形成循環水路，水泵和水箱之間設有閥門。水箱又與低溫商用機之間通過粗銅管形成循環水路。

圖2 高效復疊式工業熱泵主要結構

工作時，低溫級壓縮機出口的高溫高壓制冷劑進入冷凝器，通過冷交換器冷凝成高壓常溫液體，經膨脹閥流入蒸發器，在蒸發器蒸發并吸收空氣中的熱量變成低溫低壓的蒸氣，被壓縮機吸入壓縮成高壓高溫的制冷劑不斷循環。通過冷凝器的水冷式熱交換器把水箱的水加熱成45℃～55℃熱水。高溫級熱泵制熱原理與低溫級相同，高溫級蒸發器熱交換器吸收水箱底部的熱量，經壓縮機壓縮從高溫冷凝器流出50℃～90℃高溫熱水。

2.2 工質配比理論研究

在滿足環保要求的前提下，選擇工質時主要考慮其熱力學性能等方面的要求。本文從基本物性、熱力特性及環保性能等方面進行篩選，目前工業熱泵上常用的工質有HFCR134a、R417a、HFC245fa等。本研究對以上先對3種常用的高溫熱泵純工質進行了理論計算，其基本物性參數見表1，理論計算設計工況為蒸發溫度為40℃，冷凝溫度70℃～100℃。

由表1可見，純工質應用在高溫熱泵領域均有一定的缺點，利用混合工質可以彌補純工質的缺陷。本研究將HFCR134a與R417a適當的質量比混合作為高溫壓縮機的改性冷媒，通過長期深入實驗對兩種環保制冷劑進行比例配比，保證高溫熱泵在合適的工作壓力下工作，并提高制熱能效比。

為了得到HFCR134a/R417a的最佳配比，在蒸發溫度40℃、冷凝溫度100℃工況下，將HFCR134a/R417a的混合物各自在不同配比下進行理論計算，部分熱力性能見表2。

表1 純工質基本物性參數

表2 不同質量配比下HFCR134a/R417a的熱力性能

表2顯示了幾種不同質量的配比，利用MATLAB編制計算程序對任意質量比或摩爾比的混合新工質進行理論計算，并將其物性參數在REFPROP熱物性計算軟件中調用。計算結果表明，同一工況下，混合工質HFCR134a/R417a隨著HFCR134a占比的增大，冷凝壓力不斷升高，當HFCR134a占比在0.5時，冷凝壓力達到2.43MPa。

根據熱泵使用要求，在安全運行條件下，選擇HFCR134a占比低于0.4的混合比工質，COP較高，單位容積制熱量較大，最高排氣溫度為108.2℃，COP最低值為4.17，且隨著HFCR134a占比增大，COP值逐漸減小，但降低的幅度不是特別明顯。在單位容積制熱量方面，隨著HFCR134a占比增大，制熱量逐漸增大，且在0.3/0.7的配比時，提高幅度明顯。綜合上述因素，在理論計算情況下，0.3/0.7的質量配比是高溫熱泵工質的最佳選擇，該配比情況下的COP和單位容積制熱量都較高，其基本物性參數見表3。

表3 0.3/0.7質量配比的HFCR134a/R417a混合工質基本物性參數

3 實 驗

為驗證上述工質配比的實際效果，以一臺12kW的復疊式高溫熱泵機組為研究對象，如圖3所示，該機組熱交換器最大工作壓力為2.6MPa，壓縮機吸/排氣最大工作壓力為0.5/2.2MPa。當時水源的平均溫度穩定在40℃，冷凝器的出口水溫在70℃至100℃之間時，通過實驗計算表2中HFCR134a/R417a不同配比混合工質時熱泵的制熱量、制熱系數和排氣壓力等參數。

圖3 12kW復疊式高溫熱泵機組

（1）制熱量。制熱量隨著出水溫度的增加而增大，如圖4所示。出水溫度越高，制熱量越大，在相同的出水溫度，HFCR134a/R417a配比為0.5/0.5時制熱量是最大的。在出水溫度為100℃時，制熱量最大值達到9.58kW。當出水溫度超過90℃時，采用不同配比的HFCR134a/R417a的制熱量趨于穩定，提升量不大。

圖4 不同工質配比時的制熱量

（2）制熱能效比（COP）。在熱泵中，制熱能效比是反應熱泵性能的重要參數。

式中，Q1為低溫熱源水的放熱量；Q2為冷凝器出水的吸熱量；P1為低溫側壓縮機的輸入功率；P2為高溫側壓縮機的輸入功率。

高溫級熱泵的制熱性能系數理論計算值隨著溫度的上升而下降，并且隨著HFCR134a占比的增大，制熱系數逐漸降低（見表4）。

表4 混合工質制熱系數理論計算值

通過實驗可得HFCR134a/R417a不同配比時制熱能效比如圖5所示，從圖中可以看出，制熱能效比隨著出水溫度上升而下降，這與理論計算的結果是一致的，這是因為隨著出水溫度的升高，壓縮機功耗的增長速度也隨之增大，導致COP值下降。HFCR134a/R417a配比在0.3/0.7、0.4/0.6、0.5/0.5時，出水溫度不同，其制熱能效比變化較小，出水溫度的變化比較平緩，而采用工質配比0.1/0.9和0.2/0.8時，制熱能效比迅速下降。

圖5 不同工質配比時的制熱性能系數

（3）排氣壓力。不同的出水溫度下5種不同工質組合對應的系統排氣壓力如圖6所示。排氣壓力的變化趨勢與理論計算中冷凝壓力的趨勢吻合，隨著出水溫度的升高，冷凝壓力也不斷增大，出水溫度對冷凝壓力的影響較大。當HFCR134a占比超過40%以上，出水溫度高于70℃時，排氣壓力超過2MPa，由于大部分熱泵的承壓極限在2.4MPa左右，考慮到安全性問題，應該將冷凝壓力控制在2MPa。

根據上述結果，HFCR134a/R417a采用0.3/0.7的質量配比時，COP和制熱量都較高，高溫級出水溫度在90℃時排氣壓力在1.84MPa左右，滿足設備的安全要求。

圖6 不同工質配比時的冷凝壓力

4 結 論

為選取復疊式工業熱泵合適的高溫級工質，通過Matlab軟件調取REFPROP的相關函數節點對混合工質進行理論計算，得到HFCR134a/R417a混合工質在不同質量配比下的熱力性能。實驗分析發現，該混合工質在0.3/0.7的質量配比時具有較好的熱力性能，此時，高溫級的冷凝壓力和制熱能效比分別為1.84MPa、3.87，運行穩定。研究結果對高溫熱泵的工質選擇和研究具有一定參考價值。