HFO/HC非共沸混合工质热泵系统特性研究

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目前,对混合工质的分析研究是替代制冷剂的一个研究方向,其中,新型制冷剂HFO1234ze若直接用于热泵系统,其热力学性能不很理想,系统性能系数COP与容积制冷量均偏低,但其具有一定抑燃性;新型制冷剂HFO1234yf其潜热较小,单独使用会使系统的性能严重下降,但物化性能好;自然工质HCs具有良好的热力学性能,但有易燃易爆的缺点。本文通过对具有替代前景的HFO、HC工质的混合,以HFO1234ze/HCs和HFO1234yf/HCs为研究对象,根据优势互补的原则,以改善单一工质使用时的不足为研究目标,分析了最优质量配比区间混合工质的循环特性,其主要研究工作如下:(1)基于环境保护及热力学性能等方面,选择了HFO1234ze和HFO1234yf为基础组元,对HC290、HC600、HC600a及HC170进行了工质的密度、动力粘度、导热系数、定压比容和比焓等的比较分析及对应混合工质的临界参数的比较,最终筛选出HC290、HC600和HC600a三种自然工质与基础组元HFO1234ze和HFO1234yf进行混合。建立了非共沸混合工质的热泵循环热力学模型,并对此进行了简化分析,设定了热源进、出口温度为15℃、10℃,热汇进、出口温度为15℃、55℃。(2)针对前述章节中所筛选的混合工质HFO1234ze/HCs和HFO1234yf/HC s,对其进行特定最优组合的分析,得到了混合工质HFO1234ze/HC600和HFO1234yf/HC600的热泵循环性能相对最好且存在最优质量配比,分别为20/80和10/90,使得制热性能COP最大值为3.414和3.413。(3)对循环性能相对最好的两种混合工质HFO1234ze/HC600和HFO1234yf/HC600在最优质量配比的条件下,进行了热泵循环性能理论分析。评价混合工质循环性能的最主要指标是系统COP,其中,混合工质HFO1234ze/HC600(20/80)的制热COP为3.414比HFO1234ze/HC600a(40/60)、HC290、HC600、HC600a系统分别高2.7%、0.09%、16.3%和17.8%;混合工质HFO1234yf/HC600(10/90)系统的制热COP为3.413比HFO1234yf/HC600a(10/90)、HFO1234yf/HC290(10/90)、HC290、HC600、HC600a分别高3.16%、3.19%、0.06%、16.2%和17.78%。(4)HFO1234ze/HC600(20/80)的排气温度t2为76.9℃,冷凝压力PC为0.711MPa,压比r为6.32;HFO1234yf/HC600(10/90)的排气温度t2为76.26℃,冷凝压力PC为0.681MPa,压比r为6.284。排气温度主要受压缩机耗功、制冷剂气体的定压比热容以及压缩机润滑状况影响,在同一机组条件下,润滑状况变化基本不大,这样排气温度则主要受前两者影响,压比直接关系到压缩机的效率及其运行安全性,低沸点工质具有较高的蒸气压,相应地压比较低,且压比和热汇出口温度正相关。HFO1234ze/HC600(20/80)的?效率η为0.212,单位质量制热量qh为204.5 kJ/kg,功耗w为59.91 kJ/kg;混合工质HFO1234yf/HC600(10/90)的?效率η为0.212,HFO1234yf/HC600的单位质量制热量qh为193.6 kJ/kg,功耗w为56.7 kJ/kg。给定工况下,压缩机?损率均占主导地位,混合工质制热量随工质配比的变化情况是,与混合工质的焓值及工质密度有关,在特定配比处,系统耗功较小时,主要与该组分下系统冷凝压力较低有关。研究表明,通过工质间的混合,能够达到优势互补以改善纯质制冷剂的不足,故新型HFO类制冷剂和自然工质HC类制冷剂的组合具有重要意义,混合工质HFO1234ze/HC600和HFO1234yf/HC600有望成为替代工质。
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