基于R245fa工質的高溫熱泵機組試驗研究

張騰 史佩琦 邵現振 劉鵬 趙永杰

摘 要：高溫熱泵機組以30～60 ℃的工業廢水為低溫熱源，為客戶提供80 ℃以上高溫熱水，相較于電熱鍋爐，其具有顯著的節能優勢?，F針對客戶需求，設計了一臺以環保制冷劑R245fa為工質的高溫熱泵機組，測試了其在不同工況下的性能參數。結果表明：隨著冷凝溫度的上升，高溫熱泵機組COP由5.46降至3.10;在各運行工況下，壓縮機的排氣過熱度正常，能夠保證機組長期穩定運行。

關鍵詞：高溫熱泵;R245fa;冷凝溫度;過熱度

0? 引言

市場上的熱泵產品主要應用于家用供暖和商業供暖領域，一般可以提供不超過60 ℃的熱水。近年來，熱泵產品已逐步應用到工業領域。在工業生產中，雖然高溫熱水的需求量很大[1]，但大量低溫余熱被浪費的情況仍然存在。高溫熱泵產品可以利用30～60 ℃的低溫熱源，提供80 ℃以上的高溫熱水，節能優勢較電鍋爐更加明顯，同時又避免余熱排放對環境造成的污染，在工業領域的應用前景十分廣闊。

目前，對于高溫熱泵技術的研究主要集中在尋找物理性質合適的環境友好型工質上[2]。高溫熱泵冷凝側溫度較高，從產品的經濟性方面考慮，要求工質具有較高的臨界壓力、較低的工作壓力以及良好的傳熱性能;從環保角度考慮，要求工質ODP為0，且具有較低的GWP[3]。

之前一些學者已經對R245fa高溫熱泵展開了研究，Guo Qiang等[4]對R245fa、R134a與R245fa混合工質進行實驗研究，得出R134a與R245fa混合工質在相同條件下比純R245fa工質傳熱系數高的結論，但非共沸混合工質存在溫度滑移;楊文娟等[5]對比了高溫熱泵常用的5種工質的熱物理性質，并對在相同工況下高溫熱泵中的COP、壓縮機排氣溫度等性能參數進行了理論分析，得出R245fa更適合作為高溫熱泵工質的結論;楊金文等[6]優化高溫熱泵機組的膨脹閥與水路系統后，通過過熱度調節機組供液量，測得機組在蒸發器平均水溫60 ℃、冷凝器出水溫度105.8 ℃工況下的COP為2.701;趙兆瑞等[7]設計了一套R245fa高溫熱泵機組，通過理論與實驗對比分析的方法，測得不同工況下機組的相對COP為0.55～1.3，換熱管傳熱系數為1.7～2.8 kW/（m2 · K）。

之前相關的研究結果多由理論計算或軟件模擬得出，在試驗室內制作的樣機也主要用于驗證理論數據，所以對企業生產的借鑒意義不大。本文根據客戶實際需求，設計制造了一臺以R245fa為工質的高溫熱泵機組，并測試了該機組在不同工況下的性能參數。

1? 理論循環計算

1.1? ? 客戶工況

客戶提供45 ℃的工業廢水，并以此作為機組的低溫熱源，制取生產工藝所需的80～95 ℃的高溫熱水。

1.2? 理論計算條件設定

將不同工質的飽和曲線繪制在溫熵圖上，并根據工質飽和蒸汽曲線傾斜的方向將工質分為兩類：一類工質的飽和蒸汽曲線自蒸汽臨界點開始向左傾斜（ds/dt ≤0），一般稱之為“干性”工質或者“過熱增”工質，其被壓縮時的過熱度隨著壓力的升高而上升;相反地，另一類飽和蒸汽曲線自蒸汽臨界點開始向右傾斜（ds/dt >0）的工質，其被壓縮時過熱度隨著壓力的升高而降低，一般稱之為“濕性”工質或者“過熱減”工質。R245fa屬于“濕性”工質，在被壓縮的過程中會進入濕蒸汽區，造成排氣帶液。排氣帶液會導致油分離器的分油效率降低，從而引起機組失油報警停機。為避免濕壓縮，機組必須保證有一定的吸氣過熱度。

考慮上述原因，并根據客戶的實際需求，我們在進行高溫熱泵機組理論循環計算時做出如下設定：

（1）依據客戶提供的需求，蒸發溫度設定為42 ℃，冷凝溫度范圍設為78～98 ℃。

（2）不考慮熱泵機組與環境之間的換熱。

（3）吸氣過熱度設定為8 ℃，過冷度設定為3 ℃。

（4）根據以往設計經驗，將蒸發器、冷凝器中的壓力損失定為15 kPa。

（5）工質在管路內流動損失較小，忽略不計。

（6）壓縮機Vi（內容積比）為3.5，絕熱效率、電機效率、機械效率按實際工況下的數值選取。

1.3? 理論計算模型

本臺高溫熱泵機組整體遵循質量守恒定律及能量守恒定律，其基本方程可以描述為：

式中：m為工質質量（kg）;Q為制熱量（kJ）;W為輸入功率（kW）;h為比焓（kJ/kg）;in、out為機組的進口、出口。

螺桿壓縮機為噴油壓縮機，被壓縮的工質氣體不能視為理想氣體，因此，壓縮機的絕熱效率需要通過焓差計算：

式中：Pad為等熵絕熱壓縮所需要的功率（kW）;qm為壓縮機質量流量（kg/s）;hs為吸氣狀態下氣體比焓（kJ/kg）;hds為排氣壓力下，與吸氣狀態熵相等的狀態下氣體比焓（kJ/kg）;ηad為絕熱效率，反映了壓縮機能量利用的完善程度，是等熵絕熱壓縮所需要的功率與壓縮機實際軸功率的比值;P為壓縮機實際軸功率（kW）[8]。

換熱器的換熱面積、傳熱系數及管內水的流速都決定了換熱效率，可針對不同的換熱模型選取不同的經驗計算公式。換熱器管外為清潔的制冷劑，故不考慮管外壁污垢熱阻。本機組使用的換熱器換熱基本方程可以描述為：

對數平均溫差?T可按照下式進行計算：

式中：?th為熱端溫差（℃）;?tc為冷端溫差（℃）[9]。

2? 高溫熱泵機組設計

2.1? 機組設計注意要點

由于R245fa屬于“濕性”工質且高溫熱泵機組的排氣側溫度較高，在設計機組時需要注意以下幾點：

（1）以吸氣過熱度控制電子膨脹閥開度，設定在排氣過熱度低時進行閥門調節并開啟機組報警程序，避免機組長時間處于濕壓縮狀態。