二元混合工质与换热介质的温度匹配在热泵中的应用
双热源多功能热泵系统的理论和实验研究
双热源多功能热泵系统的理论和实验研究随着经济快速发展和人民生活水平不断提高,我国能源消费量持续上升,过度消耗化石能源引起生态破坏,"以煤为主"的能源结构造成城市大气污染,导致生态环境压力越来越大,能源环境问题受到广泛关注,成为亟待解决的关键问题。
因此,提高可再生能源在能源结构中的比例,探索更高效的能源利用方法,是实现我国社会可持续发展的重要保障。
通过将热泵技术与太阳能利用技术结合,太阳能热泵技术(solar assisted heat pump,SAHP)将太阳能作为热泵系统的热源,一方面太阳能可以有效提高热泵系统蒸发温度,进而提高热泵系统性能,另一方面,热泵系统的制冷工质作为冷却介质,可以及时带走太阳能集热系统的热量,有效提高集热效率。
根据太阳能集热介质,太阳能热泵系统可以分为:直接膨胀式太阳能热泵系统(DX-SAHP)和间接膨胀式太阳能热泵系统(IX-SAHP)。
直接膨胀式太阳能热泵系统在太阳辐照强度高的情况下,可以达到较高的运行效率,但是由于太阳辐照以及其它室外环境条件的随机变化,导致直接膨胀式太阳能热泵系统的运行性能不稳定。
间接膨胀式太阳能热泵系统利用储热水箱储存所收集的太阳能,可以有效解决太阳辐射与加热负荷之间不匹配的问题,实现系统稳定运行,但是同时也导致了系统结构复杂,初始投资大等问题。
本文针对间接膨胀式太阳能热泵系统和直接膨胀式太阳能热泵系统在应用中存在的问题,提出了双热源多功能热泵系统和并联式双热源热泵系统,对其展开了深入研究,主要研究工作包括:提出双热源多功能热泵系统,该系统可以利用太阳能和空气源实现制冷、制热和制热水,能够在全年高效运行。
设计并搭建双热源多功能热泵系统,基于太阳能热泵空调性能检测平台提供的稳定外界环境,针对太阳能制热模式和太阳能制热水模式在不同运行策略下运行时,不同初始条件和边界条件对系统性能的影响进行了实验研究。
结果表明,太阳能制热水模式中,初始水温越高,蒸发侧和冷凝侧换热功率越高,对应的系统耗功量和COP越高。
基于r134a的三元混合工质气液相平衡与热泵循环特性研究
华中科技大学硕士学位论文摘要R134a是目前应用最广泛的中低温制冷剂，但使用普通R134a热泵装置制取中高温热水时，存在着冷凝压力过高、系统效率低及不环保等问题。
故本文旨在研制出冷凝温度在70-90℃，高效环保、可直接充灌R134a热泵装置的新型混合工质。
本文通过对比分析多种状态方程和混合规则的计算精度及适用范围，研究了基于R134a的三元混合工质的状态方程和混合规则。
着重对vdW混合规则的相互作用k和PR方程的压缩因子z进行编程计算研究。
建立利用PR状态方程和vd混系数ij合规则的三元混合工质气液相平衡和热力学模型。
采用相对误差分析法，对比计算了0~90℃范围内混合工质的气液相平衡和热力学特性参数。
根据工质优势互补原则，提出三种三元混合工质M1、M2和M3，并将其与R134a和已研制出的三元混合工质C1、C2进行变工况对比分析。
提出了计算vdW混合规则相互作用系数和PR状态方程的方法，相对误差均在6%以下。
对三元混合工质气液相平衡和热力学模型进行验证，气液相组分的平均误差为3.13%、1.61%，焓、熵值的平均误差分别为3.27%、3.49%，模型具有很高的精度。
通过变冷凝温度工况分析，M1的COP最高且变化平稳，在4.0左右。
M2的压缩机排气温度最低，在78~98℃之间。
M3的压缩比最低，在2.6~2.9之间。
M1、M2和M3分别具有高COP、低排气温度和低压缩比的特点。
通过变循环温升工况分析，M3的压缩比最低，循环温升为75℃时，压缩比为6.6。
M1和M2适用于循环温升为65℃的工况，M3可用于循环温升为75℃的工况，且较R134a、C1和C2在单位容积制热量、COP及循环压缩比上有更优越的性质。
通过多种工况计算分析表明，三元混合工质M1、M2和M3的环境性能优良，热力性能与R134a非常接近，可直接充灌R134a热泵装置，适用于低热源温度、高供热温度的实际应用情况。
关键词：混合工质；中高温热泵；R134a；气液相平衡；循环性能华中科技大学硕士学位论文AbstractR134a is the most widely used low temperature refrigerant. To solve the problems in R134a heat pump such as high condensing pressure, low system efficiency, not environment-friendly, etc., this paper aimed at finding out new refrigerant mixture used under heat pump working condition of condensing temperature at 70-90 o C.The equation of state(EoS) and mixing rule of the ternary refrigerant mixture based on R134a heat pump were analyzed by comparing the calculation accuracy and the application range of various EoS and mixing rules. Interaction parameters of vdW mixing rule and Peng-Robinson(PR) EoS were studied. Base on PR EoS and vdW mixng rule, the vapor liquid equilibrium(VLE) and thermodynamics model of ternary refrigerant mixture was established. VLE and thermodynamics data were calculated in 0-90o C by relative error analysis method. Three ternary refrigerant mixtures M1, M2 and M3 were proposed according to the principle of complementary advantages. The cycle performance was compared with R134a, C1 and C2 under variable working conditions.The method of calculating refrigerant mixture interaction parameters of vdW mixing rule and the compressibility factor of PR EoS were proposed. The relative error is below 6%. The VLE and thermodynamics model of ternary refrigerant mixture was validated. The average error of vapor and liquid mole component is 3.13% and 1.61%, respectively. The average error of enthalpy and entropy is 3.27% and 3.49% respectively. The model has high accuracy. Under the working condition of variable condensing temperature, the COP of M1 is the highest and varies steady, about 4.0. The discharge temperature of M2 is lowest, among 78~98 o C. The compression rate of M3 is lowest, among 2.6~2.9. M1, M2 and M3 have the high COP, low discharge temperature and low compression rate, respectively. Under the working condition of variable temperature rise, the compression rate of M3 is lowest. When temperature rise is 75 o C, compression rate is 6.6. M1 and M2 are fit under heat pump working condition of cycle temperature rise below 65 o C, while M3 is fit under heat pump working condition of cycle temperature rise below 75 o C. The proposed mixture has a better cycle performance compared to the contrast mixtures.华中科技大学硕士学位论文According to the study of variable working condition, M1, M2 and M3 are environment-friendly, thermal performance are close to R134a, and can be directly replace in R134a heat pump system. M1, M2 and M3 are fit for practical application of the low heat resource temperature and high heating temperature condition.Keywords：refrigerant mixture, moderate and high temperature heat pump, R134a, VLE, cycle performance华中科技大学硕士学位论文目录摘要 (I)Abstract ................................................................................................................................ I I 1 绪论 (1)1.1 研究背景与意义 (1)1.2 国内外研究概况 (2)1.3 本文的主要研究内容 (7)2 基于R134a的三元混合工质状态方程与混合规则 (9)2.1 三元混合工质状态方程对比分析 (9)2.2 基于R134a的三元混合工质混合规则研究 (13)2.3 基于R134a的三元混合工质相互作用系数求解 (14)2.4 基于R134a的三元混合工质压缩因子求解 (17)2.5 本章小结 (22)3 基于R134a的三元混合工质的气液相平衡与热力性质计算 (23)3.1 三元混合工质气液相平衡 (23)3.2 基于R134a的三元混合工质气液相平衡数学模型 (25)3.3 基于R134a的三元混合工质气液相平衡研究 (26)3.4 基于R134a的三元混合工质热力性质计算 (33)3.5 本章小结 (37)4 基于R134a的三元混合工质热泵循环特性分析 (38)4.1 基于R134a装置的三元混合工质组分筛选原则 (38)4.2 纯工质理论循环计算及分析 (39)4.3 混合工质循环性能计算及对比分析 (43)4.4 本章小结 (48)5 总结和展望 (49)华中科技大学硕士学位论文5.1 总结 (49)5.2 展望 (50)致谢 (51)参考文献 (52)附录1 攻读学位期间发表论文 (57)附录2 攻读学位期间参与科研项目 (58)华中科技大学硕士学位论文1 绪论1.1 研究背景与意义能源与人类社会的发展密不可分。
几种中高温热泵混合工质的理论研究
循 环 性 能 分 析 ， 选 适 宜 的 新 型 非 共 沸 混 合 工 质 ， 与 在 冷 凝 筛 并
温度 超过 ８ Ｏ℃ 的 中高 温热 泵 中应 用较 广泛 的 Ｒ１ ４进 行 比较 。 １
稍 高 ； Ｈ０ Ｂ ３的 性 能 与 Ｒ １４较 为 接 近 。 １
【 关奠词】 中高温热泵 ．质 Ｃ Ｄ状态方程 理论研究 Ｔ － Ｓ
０ 引 言
热 泵 是 一 种 高 效 节 能 装 置 ，根 据 热 泵 系统 冷凝 温 度 的 不 同 ， 以 分 为 常 温热 泵和 中高 温 热 泵 。 年 来 ， 场 对 中高 温 热 可 近 市 泵 的 需 求 快 速增 长 ， 要 需 求 领 域 为地 热 、 阳 能和 工 业 余 热 主 太 等低 品 位 热 能 利 用和 洁 净供 热 。就 技 术 发 展 的成 熟 性 、 用 的 应 普遍性而言 ， 普冷 、 与 空调 及 中低 温 热 泵 相 比 ， 高温 热 泵 技 术 中 可 说 是 一 项 新 兴 的 、 展 中 的 应 用 技 术 ， 发 展 中要 解 决 的 关 发 其 键 问题 之 一 为寻 找适 宜 中 高温 热 泵 工 质 。 内外 的学 者 在 中高 国 温 热 泵 工质 的研 究 方面 做 了大 量 的 工 作 。 国 外 研 究 方 面 ， ． ｎ ｅ ａ ｎ 等 对 以 Ｒ ２ ２ ０、 ｗ Ｖａ ｃ Ｐ ｙ ｅ ３ ／９ Ｒ ／ ５ ａ和 Ｒ２ ０ ６ ０ ３２１ ２ ９ ／０ ａ为 工 质 的热 泵 系统 的循 环 性 能 进 行 了测试 ”。国 内研 究 方面 ， 华 大 学史 琳 等 研 究 了 Ｔ ０１ 给定 清 ＨＲ ， 高温水源热泵的冷凝温度 为 ９ ０℃ 。上 海 交 通 大 学 李 廷 勋 等 】 考察 了 混合 工 质 Ｒ２ ／４１ ２ １ ｂ在 冷 凝 器 进 口水 温 ７ Ｃ、 出 口水 ０ｃ 温 ８ Ｃ下 的 性 Ｚ ［ 天 津 大 学 的学 者 对 中 高 温 热 泵 开 展 了一 ０。 ａ３ 。 ￣ 系列 的理 论和 实 验研 究 工 作 ，其 中包 括 在 固 定 温 升 为 ４ Ｃ、 ０。 冷凝温度为 ６ ０～８ Ｏ℃ 、 热 度 为 １ 过 Ｏ℃ 左 右 、 冷 度 为 ５℃ 左 过
CO_2工质在热泵热水器中的应用
CO2工质在热泵热水器中的应用杨宗凌,陈汝东(同济大学,上海200092)摘要:分析了CO2跨临界循环的特点,介绍了CO2工质在热泵热水器中的研究与应用发展现状,探讨了其目前所面临的问题。
与传统制冷剂相比,CO2在热泵热水器中的应用具有广阔的发展前景。
关键词:二氧化碳;跨临界循环;热泵热水器中图分类号:TB66 文献标识码:B 文章编号:1004-7948(2007)04-0037-031CO2的性质CO2是一种绿色环保的天然工质,使用CO2作为热泵热水器制冷剂具有较多优点:(1)环境性能优良。
ODP为零,且GWP很小,约为R134a和R22的千分之一。
(2)单位容积制冷量大。
其容积制冷量约为R22的5倍。
(3)具有优良的流动和传热特性。
(4)来源广泛,价格低廉。
(5)化学稳定性好,完全适用于普通的润滑油和通常的制造材料。
(6)安全无毒,不可燃。
(7)绝热指数高。
虽然可能存在使压缩机排气温度偏高的问题,但符合制取高温热水的要求。
(8)临界温度低。
因此循环一般在跨临界状态下运行。
正因为CO2这些优点,前国际制冷学会主席G1Lorentzen认为它是无可取代的制冷工质,并提出跨临界循环原理,指出其在热泵领域将发挥重要作用[1]。
2CO2跨临界循环及特点由于CO2临界温度较低(3111℃),其热泵循环流程采用的是跨临界循环(系统循环原理图及t-s 图见图1)。
CO2跨临界循环时,压缩机的吸气压力(图1中1点)低于临界压力,蒸发温度也低于临界温度,循环的吸热过程在亚临界条件下进行,换热过程主要依靠潜热来完成。
但是压缩机的排气压力(图1中2点)高于临界压力,换热过程依靠显热来完成,此时高压换热器不再称为冷凝器,而称为气体冷却器。
由图2可以看出,CO2跨临界循环具有以下几个特点:(1)放热过程是一个伴随有较大温度滑移的变温过程,这正好与水加热时的温升相匹配,是一种特殊的洛伦兹循环,可以减少高压侧不可逆传热引起的能量损失,有利于提高循环系统的COP;(2)与常规制冷剂相比,CO2跨临界循环的压缩比较小,约为215～310,可以提高压缩机的运行效率,进而提高系统的性能系数;(3)系统的运行压力高,这对系统的材料强度、密封和管道连接等方面的要求更苛刻;(4)传统的亚临界系统,制冷剂在冷凝器出口的焓值仅是温度的函数,而CO2跨临界循环系统中,超临界压力状态下温度和压力彼此独立,所以高压侧压力对制冷剂焓值有影响,高压侧压力也会对制冷量、压缩机功耗和COP值产生影响[2],由图2可知在最佳排气压力下,循环系统的性能系数COP可达到最大。
用于脉动热管的二元混合工质热力特性探讨
ｗｏ ｋ ｎｇ ｆｕｉ ｏ ｕ ｓ ｔｎ ａ ｐ ｒ ｉ ｌ ｄ ｆ ｒ ｐ ｌ ａ ｉ ｇ ｈｅ ｔｐｉ ｅ
Ｃｈ ｎ ｒ ｉ Ｘｉ ｏ ｈ ｎ Ｌｉ ｉ ｕ Ｈｏ ｇ ｕ ｅ Ｇｕ ｚ ｅ ｕ Ｌｅ
（ ｅ ｇＩ ｓｉ ｔ ｆ ｉｉＥ ｅｇ ｎ ｃ ｉ ｃｕ ｅ Ｂ ｉｎ ｎ ｔ ｕｅｏ ｖｌ ｎ ｒ ｙａ ｄＡｒｈｔ ｔ ｒ） ｊ ｉ ｔ Ｃ ｅ
ｔｏ ． ｉ ｎ
ＫＥ Ｗ ＯＲＤＳ ｐ ｌ ａ ｉ ｇ ｈ ａ ｉ ｅ ｂ ｎ ｒ ｘ ｕ ｅ ｒ ｔ ｆｃ ｍｐ ｓｔ ｎ； ｒ ｓ ｕ ｅ ｂ ｂ ｌ Ｙ ｕ ｓ ｔ ｅ ｔ ｐ ｐ ； ｉ ａ ｙ ｍｉ ｔ ｒ ； ａ ｉ ｏ ｏ ｏ ｉｉ ｐ ｅ ｓ ｒ ； ｕ ｂ ｅ ｎ ｏ ｏ ｐ ｉ ｔ ｔ ｍｐ ｒ ｔ ｒ ； ｅ ｐ ｉ ｔｔ ｍｐ ｒ ｔ ｒ ｏ ｎ ｅ ｅ ａ ｕ ｅ ｄ ｗ ｏ ｎ ｅ ｅ ａ ｕ ｅ
脉动 热管 （ ｕｓｔ ｇｈ ａ ｉｅ Ｐ ） 又称 振 ｐ ｌａｉ ｅｔｐｐ ， ＨＰ ， ｎ
于选 取与 脉动 热管 的温 度 范 围 匹配 的工 质方 面 的 研 究很 少 见 。 由于 充 注 的工 质 种 类 影 响 脉动 热 管
荡热 管 ， 为 一 种 高效 传 热 部 件 最 初 由 日本 学 者 作
ｈ ａ ｉｅ ａ ｄ ｔ ｅ ｃ ｒｅ ｐ ｎ ｉｇ ｔｍ ｐ ｒ ｔ ｒ ａ ｇ ，ｂ ｃ ｕ ｅ ｔ ｅ ｓ ｌｃｉｎ ｏ ｅ ｒｇ ｒ ｎ ｅ ｔｐｐ ｎ ｈ ｏ ｒ ｓ ｏ ｄｎ ｅ ｅ ａ ｕ ｅ ｒ ｎ ｅ ｅ ａ ｓ ｈ ｅｅ ｔ ｆｒ ｆｉｅ ａ ｔ ｏ ｉｆｕ ｎ ｅ ｕ ｓ ｔｎ ｅ ｔｐｐ ’ ｐ ｒ ｔｏ ｎ ｅ ｔｔａ ｓｅ． Ｓ ｌｃ ｓｔ ｅｂｎ ｒ ｉｔ ｒ ｓ ｎ ｌｅ ｃ ｓｐ ｌａ ｉｇ ｈ ａ ｉ ｅ Ｓｏ ｅ ａ ｉｎ ａ ｄ ｈ ａ ｒ ｎ ｆｒ ｅｅ ｔ ｈ ｉ ａ ｙｍ ｘ ｕ ｅａ
二氧化碳及其混合工质跨临界朗肯循环热力学研究
第52卷第1期2021年1月中南大学学报(自然科学版)Journal of Central South University (Science and Technology)V ol.52No.1Jan.2021二氧化碳及其混合工质跨临界朗肯循环热力学研究谢昊源，杨雨缘，饶政华(中南大学能源科学与工程学院，湖南长沙，410083)摘要：利用热力学仿真的方法，研究纯CO 2及其与R32，R1270，R290，R161，R152a ，R1234yf 和R1234ze 共7种有机工质组成的二元混合工质下循环的热效率和㶲效率。
研究结果表明：有机工质添加比上限为70%，超过该比例时回热器热侧出口温度过高，导致循环变为朗肯循环；大部分混合工质热效率随一级透平入口压力p 4增大而升高，其最佳再热入口压力p 5在10~13MPa 范围内；研究工质中，CO 2-R152a 的回热再热循环热效率和㶲效率最高，较纯CO 2循环分别提升16.16%和28.46%，这是因为其临界温度最高、临界压力最低导致系统做功更多、热损更少。
关键词：跨临界CO 2朗肯循环；混合工质；热力学模拟中图分类号：TK11文献标志码：A开放科学(资源服务)标识码(OSID)文章编号：1672-7207（2021）01-0160-08Thermodynamic research on transcritical rankine cycle usingCO 2and CO 2-based mixturesXIE Haoyuan,YANG Yuyuan,RAO Zhenghua(School of Energy Science and Engineering,Central South University,Changsha 410083,China)Abstract:The thermodynamic simulation methods were used to study thermal/exergy efficiency of pure CO 2and its mixed working fluids composed of R32,R1270,R290,R161,R152a,R1234yf and R1234ze,which were organic working fluids.The results show the proportion of organic working fluids are 70%,because the outlet temperature of the hot side of the regenerator is too high when this ratio is exceeded,causing the cycle become Rankine cycle.Most of mixed working fluids increase the thermal efficiency with the increase of the inlet pressure p 4,and the optimal inlet pressure p 5is in the range of 10−13MPa.Among the working fluids,CO 2-R152a has the highest thermal efficiency/exergy efficiency,which is 16.16%and 28.46%higher than that of the pure CO 2cycle.This is because the highest critical temperature and the lowest critical pressure lead to more system work and less heat loss.DOI:10.11817/j.issn.1672-7207.2021.01.016收稿日期：2020−07−16；修回日期：2020−09−11基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(51606225)；湖南省自然科学基金资助项目(2020JJ4722)(Project(51606225)supported by the National Natural Science Foundation of China;Project(2020JJ4722)supported by the Natural Science Foundation of Hunan Province)通信作者：饶政华，博士，副教授，从事太阳能热利用研究；E-mail ：************.cn引用格式：谢昊源,杨雨缘,饶政华.二氧化碳及其混合工质跨临界朗肯循环热力学研究[J].中南大学学报(自然科学版),2021,52(1):160−167.Citation:XIE Haoyuan,YANG Yuyuan,RAO Zhenghua.Thermodynamic research on transcritical rankine cycle using CO 2and CO 2-based mixtures[J].Journal of Central South University(Science and Technology),2021,52(1):160−167.第1期谢昊源，等：二氧化碳及其混合工质跨临界朗肯循环热力学研究Key words:transcritical CO2Rankine cycle;mixed working fluids;thermodynamic simulation二氧化碳(CO2)具有无毒、不燃、热稳定性强、热性能优良等特点，可作为替代工质用于动力循环，在太阳能热发电、核能发电等领域具有广阔的应用前景[1]。
热泵技术的优化与应用
热泵技术的优化与应用随着人们对环保能源的重视和气候变化的威胁日益严重，许多人开始探索、使用各种新的能源替代传统的能源。
其中，热泵技术成为了一个备受关注的领域。
热泵技术可以将温度较低的热源转换为高温的热源，从而提供给人们所需的热量。
本篇文章将从热泵技术的基本原理入手，深入探讨热泵技术的优化和应用。
一、热泵技术的基本原理热泵技术是依据热力学原理和热力学循环理论来实现的。
一般而言，热能传递的方向是从高温系统向低温系统传递。
而热泵技术则可以通过利用外部能源，使低温系统中的热能转移到高温系统中，从而达到降低室内温度的目的。
整个过程可以通过以下几个步骤来实现：1、制冷循环：制冷剂在低温下吸收室内的热量，气态制冷剂在压缩机的作用下压缩成高压气体后，转化成高温高压的制冷剂气体，通过能量释放，制冷剂数理变化完成了。
2、传热换热：在制冷剂与室内的热量产生热交换的过程中，室内的热量将会被吸收，导致室内的温度下降。
3、热一环：制冷剂在高温下得到外部的能源，将蒸汽和气体转化为液体，通过制冷剂的增压过程，可以达到加热的效果。
二、热泵技术的优化虽然热泵技术的提出解决了许多人们的问题，但是这种技术仍然存在着一些局限性。
如何提高热泵技术的效率和可靠性，是目前该领域面临的主要挑战之一。
下面将分别从制冷循环、传热换热和热一环三个方面，来探讨热泵技术的优化。
1、制冷循环的优化制冷循环是热泵技术的核心，直接决定着热泵系统的效率和性能。
因此，制冷循环的优化是提高热泵技术效率的重要手段。
实现制冷循环的优化需要考虑以下几个因素：（1）选用合适的制冷剂制冷剂的选择直接决定了热泵系统的效率和性能。
目前市场上的制冷剂种类较多，但是根据环保和节能的要求，应该选择无卤制冷剂。
同时，计算制冷剂的冷凝温度和蒸发温度也是制冷循环优化的另一个重要因素。
（2）优化热源侧循环加强热源侧循环是制冷循环优化的重要手段之一。
因为热源侧循环可以提高蒸發器中制冷剂的温度和容积，从而提高整个系统的制冷性能。
热泵技术的原理与应用
热泵技术的原理与应用1. 热泵技术的概述热泵技术是一种利用低温热源进行热量转移的技术，通过能量的传递和转换，将低温热源的热量提取出来，并将其转移到需要加热的场所。
热泵技术的核心原理是利用工质在不同压力下的相变特性，将低温热量转移到高温位置，实现能量供应。
2. 热泵技术的基本原理热泵技术的基本原理是基于热力循环的原理，主要包括蒸发、压缩、冷凝和膨胀四个过程。
下面将详细介绍各个过程的原理与作用。
2.1 蒸发过程蒸发是指工质从液态转化为气态，吸收低温热源的热量。
在蒸发过程中，工质通过在低压下蒸发，吸收外界的热量，从而达到热量转移的目的。
2.2 压缩过程压缩是指将蒸发后的气体通过压缩机进行压缩，提高温度和压力。
在压缩过程中，工质从低温低压的气体状态转变为高温高压的气体状态。
2.3 冷凝过程冷凝是指将压缩后的气体通过冷凝器进行冷凝，释放出热量。
在冷凝过程中，工质通过散热器和冷却介质进行热量交换，将热量传递给外界。
2.4 膨胀过程膨胀是指将冷凝后的工质通过膨胀阀进行膨胀，使其回到低温低压的状态。
在膨胀过程中，工质通过膨胀阀放大扩散，降低温度和压力，以便重新进入蒸发过程。
3. 热泵技术的应用领域热泵技术广泛应用于以下领域，为人们提供了高效、可持续的能源利用方式。
3.1 居民建筑热泵技术可以用于居民建筑的供暖和热水使用。
通过利用地源、水源或空气作为低温热源，将热量转移到建筑内部，提供舒适的室内环境。
3.2 工业生产热泵技术在工业生产中的应用也非常广泛。
例如，在化工、食品加工、制药等行业中，可以利用热泵技术对废热进行回收利用，提高能源利用效率。
3.3 农业温室热泵技术在农业温室中的应用可以提供温室内的恒温环境，促进作物的生长。
通过利用地源或水源作为热源，将热量转移到温室内部，为作物提供所需的温度条件。
3.4 游泳池热泵技术可以用于游泳池的供热。
通过利用空气或水源作为低温热源，将热量转移到游泳池中，保持水温适宜，为游泳者提供舒适的环境。
二元混合工质与换热介质的温度匹配在热泵中的应用
HC et hane propane butane isobutene p rop ylene
HFC
R116
R236ea
R125
R236fa
R134a
R245ca
R14
R245fa
期
ACTA
EN ER GIAE SOLARIS SIN ICA
Vol124 ,No12
Apr. ,2003
文章编号 :025420096 (2003) 0220172206
二元混合工质与换热介质的 温度匹配在热泵中的应用
赵鹏程 ,赵 力 ,丁国良 ,张春路
有必要特别说明的一点是 :本文的工况是从水侧 温度定义的 ,而不是从工质侧温度定义的。这是因 为 :首先 ,我们直接关心的是热媒介质 (水) 的温度而 不是工质的温度 ;其次 ,混合工质由于有不同的温度 滑移 ,而不便以某一个饱和温度来定义工况 ,因为即 使混合工质的某个饱和温度值相同 ,也可能由于它们 的温度滑移值不同而得到不同的换热介质温度 。
ln
Tin ,hot Tout ,hot
(10) 上式中的 Tin ,hot与 Tout ,hot还要满足式 (6) 。
由式 ( 6) 、( 10) 可以知道 , Ex 只是 Tin ,hot 的函 数 ,但函数关系很复杂 。可以证明 ,当工质进口温度 有 Tin ,hot = Tout ,cool + L M TD 的 时 候 , 有 用 能 损 失 Ex 最小 。这时工质出口温度有 Tout ,hot = Tin ,cool + L M TD 。可以看出 ,这时两条换热线均为直线 ,换 热器的整个换热面上的温差都等于对数平均温差 。
R417A在热泵热水系统中替代R22的实验研究
R417A在热泵热水系统中替代R22的实验研究李晓燕闫泽生（哈尔滨商业大学土木与制冷工程学院）摘要：在热泵热水系统中，对新混合工质R417A进行了理论制冷循环分析和灌注式替代R22的循环性能对比试验研究，结果表明混合工质R417A的制热量稍低于R22，但性能系数COP、压缩机排气温度和功耗等循环性能指标均优于R22，实验过程中R417A工质性能稳定，运行正常，不需要更换润滑油。
关键词：热工学；替代工质；实验研究；R417A；热泵；热水系统1.引言R22 是目前发展中国家制冷空调热泵装置广泛使用的工质，由于该工质属于HCFC类物质，对臭氧层有破坏作用和温室效应，根据《蒙特利尔议定书》规定，发达国家对HCFC禁用期限提前到2020年，发展中国家也将2030年停止使用。
因此，开展R22的替代研究迫在眉睫，具有十分重要的意义。
目前，在热泵系统中，R22极有希望的混合替代工质为R407C和R410A。
近共沸混合物R410A 虽具有基本恒定的沸点，但它的容积制冷量较大，排气压力较高，作为替代制冷剂就要求对设备改型，因而难以用作灌注式替代。
R407C具有与R22相近的制冷量，压力基本相当，对整个系统的改动小。
但其传热特性较差，需用酯类润滑油更换R22的润滑油。
针对以上情况，通过理论分析，提出了用一种新的混合工质R417A作为热泵系统R22的替代制冷剂，并在热泵热水系统中进行灌注式替代R22的试验研究，探讨其作为R22替代物的潜力。
2.R417A替代工质理论制冷循环分析R417A是三元非共沸混合物，它是R125、R134a、R600按照4%/50%/3%的比例配制而成的。
它的ODP值为零，GWP值较低。
R600无温室效应，无毒，R125和R134a不具有可燃性、无毒，、不爆炸，且与系统原有润滑油相容性较好。
理想的灌注式替代要求替代物与被替代物至少有相近的热力性质，期望替代物有较高的单位容积制冷量、低排气温度和具有比被替代物更高的能效比。
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分别指热流体和冷流体的温度 。d Ex 表示换热量
为δQ 的换热过程中的有用能损着两流体之间的
换热温差的增加而增加的 。但是我们必须保持一个
适当的温差值以保证一定的换热速度 。
通过微元换热面 d F 上的换热量δQ 可以表达
成
δQ = k ( T hot - Tcool) d F
q
ν1
(13)
性能系数 CO P
CO P
=
q w
(14)
任意两种纯工质都可以用来组成混合物 ,并且
两种同样的组分只要改变它们的配比就能产生不同
的混合物 。本文中混合物的组分变化覆盖了整个区
域 ,步长取 10 %。从而理论上能产生多达 2700 种 不同工质 。本文中混合物的物性计算是由一个计算
机程序辅助完成的 。
对数平均温差可以由式 2 、3 和 4 得到 :
L M TD
=
( Tin ,hot
- Tout ,cool) - ( Tout ,but
ln
Tin ,hot - Tout ,cool Tout ,hot - Tin ,cool
-
Tin ,cool)
(6)
两换热流体的温度曲线都是指数形式的 ,它们的表 达式如下 : 热流体
赵鹏程 ,赵 力 ,丁国良 ,张春路
(上海交通大学制冷与低温研究所 ,上海 200030)
摘 要 :非共沸混合工质的一大特点和优势就是能够通过相变过程中的温度滑移实现和变温热源的温度匹配 。该文从 一个新的角度考虑如何提高循环效率实现节能 ,证明了温度匹配最好的时候有用能损失最小 ,并以此为依据寻找合适的 混合工质 。选取常见的热泵工况进行分析 ,结果显示 :同一工况 (由水侧定义) 下 ,混合工质的平均 CO P 达到 5. 1 ,而纯 工质的平均 CO P 只有 4. 7 。这说明了温度匹配有利于节能 ,为如何寻找热力性能优越的工质提供依据 。 关键词 :温度滑移 ;温度匹配 ;二元非共沸混合物 ;有用能损失 ; CO P 中图分类号 : T K512 文献标识码 :B
1 74 太 阳 能 学 报 24 卷
热) 作为示例进行分析 。在这种工况条件下 ,通常 需要供水温度达到 50 ℃,而回水温度通常设计在 40 ℃左右 。在蒸发器侧 ,假定能得到 15 ℃的进水温 度 。为了确保一定的换热速率 ,同时减少换热过程 中的可用能损失 ,作者将换热对数平均温差定义为 一个合适的值 5 ℃。
太 阳 能 学 报 第
24 卷 第 2 2003 年 4 月
期
ACTA
EN ER GIAE SOLARIS SIN ICA
Vol124 ,No12
Apr. ,2003
文章编号 :025420096 (2003) 0220172206
二元混合工质与换热介质的 温度匹配在热泵中的应用
R143a
R32
R152a
R41
R227ea
RC318
R23
HCFC R22 R123 R124 R141 R142
本文将专门论述非共沸工质与换热介质的温度 匹配问题 。表 1 列出了本文所研究的工质 。二元混 合工质是由这 25 种纯工质中任意两种按不同浓度 配比产生的 (浓度变化步长为 10 %) ,故理论上能生 成多达 2700 种不同工质 。
表 2 给出了符合上面工况要求的工质 、CO P 、 容积制热量 qv 、工作压力和温度 。表中工质的冷凝 压力下露点温度都是 55. 0 ℃,蒸发压力下露点温度 都是 10. 0 ℃。冷凝压力下泡点温度控制在 43. 0～ 45. 0 ℃之间 ,节流后 (即蒸发器进口) 温度控制在 0 ℃以上以防止结霜 。
图 3 纯工质或共沸混合工质的循环图 Fig. 3 Cycle of pure or azeotropic refrigerants
图 4 非共沸混合工质的循环图 Fig. 4 Cycle of non2azeotropic refrigerants
3 数据循环分析
循环示意图如图 3 ,4 所示 。定义如下 :工质冷
( Tin ,hot - Tout ,cool)
μ( mcp) hot
(8)
式中
μ=
(
1 mcp) hot
-
1 ( m cp) cool
(9)
当 μ = 0 时 , 两流体的热容相等 , 这时 有 Tin ,hot -
Tout ,cool = Tout ,hot - Tin ,cool 。故式 ( 6) 、( 7) 、( 8) 不再
可以发现表中工质的 CO P 一般都大于 5. 0 ,其 中 CO P 高于 5. 0 且容积制热量高于 3000kJ / m3 的 工质有 propane/ R32 (0. 9/ 0. 1) 、R116/ R134a (0. 1/ 0. 9) 、R116/ R152a ( 0. 2/ 0. 8) 、R124/ R125 ( 0. 6/ 0. 4) 、R152a/ R23 (0. 9/ 0. 1) 和 R227ea/ R32 (0. 9/ 0. 1) ,说明这 6 中工质在该热泵工况下的热力性能 是很好的 。特别是工质 propane/ R32 (0. 9/ 0. 1) ,它 的 CO P 有 5. 18 ,同时容积制热量高达 5064. 62kJ / m3 ,这样可以在高效利用能源的同时还能有非常紧 凑的系统结构 。
当工质为非共沸物且达到最佳温度匹配的时 候 ,工质在冷凝压力下的露点温度和泡点温度分别 为 55 ℃和 45 ℃; 它 在 蒸 发 压 力 下 的 露 点 温 度 为 10 ℃,为了防止结霜 ,工质在蒸发器进口处的温度要 求在 0 ℃以上 。在同样的工况条件和对数平均温差 下 ,要求纯工质的冷凝温度和蒸发温度分别是 51. 57 ℃和 3. 44 ℃。
0 引 言
恒温换热的理想循环是 Carnot 循环 ,而变温换 热的理想循环是 Lorenz 循环 。实际上恒温换热较 少遇到 ,而大多数情况是变温换热 。所以从实用的 角度来说 ,研究变温换热更有实际价值 。
非共沸混合物由于其温度匹配特性而倍受关 注 。利用混合工质的温度匹配来提高系统热力性能 已经 在 一 些 文 献[1～7 ] 上 得 到 了 一 定 的 体 现 。如 Dongsoo J ung[6 ] 得 出 如 下 结 论 : 系 统 的 优 越 性 能 ( CO P 在适当的运行条件下提高了 20 %～30 %) 主 要归结于良好的温度匹配 。他推荐选择合适混合物 过程中 ,第一步就是比较换热介质的温度变化大小 和工质的温度滑移值 。为了实现温度匹配 ,必须使 用逆流换热 。
有必要特别说明的一点是 :本文的工况是从水侧 温度定义的 ,而不是从工质侧温度定义的。这是因 为 :首先 ,我们直接关心的是热媒介质 (水) 的温度而 不是工质的温度 ;其次 ,混合工质由于有不同的温度 滑移 ,而不便以某一个饱和温度来定义工况 ,因为即 使混合工质的某个饱和温度值相同 ,也可能由于它们 的温度滑移值不同而得到不同的换热介质温度 。
适应 ,此时它们的表达式如下 :
L M TD = Tin ,hot - Tout ,cool = Tout ,hot - Tin ,cool (6′)
T hot = Tin ,hot - ( Tout ,cool - Tin ,cool)
Fx F
( 7′)
Tcool = Tout ,cool - ( Tout ,cool - Tin ,cool)
ln
Tin ,hot Tout ,hot
(10) 上式中的 Tin ,hot与 Tout ,hot还要满足式 (6) 。
由式 ( 6) 、( 10) 可以知道 , Ex 只是 Tin ,hot 的函 数 ,但函数关系很复杂 。可以证明 ,当工质进口温度 有 Tin ,hot = Tout ,cool + L M TD 的 时 候 , 有 用 能 损 失 Ex 最小 。这时工质出口温度有 Tout ,hot = Tin ,cool + L M TD 。可以看出 ,这时两条换热线均为直线 ,换 热器的整个换热面上的温差都等于对数平均温差 。
(2)
热流体由于放出热量δQ 因而它的温度下降 d Thot , 因此有
δQ = - ( mcp) hot d T hot
(3)
同时 ,冷流体由于吸热而有一个微元温升 d Tcool
收稿日期 :2002201209
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2 期 赵鹏程等 :二元混合工质与换热介质的温度匹配在热泵中的应用 17 3
δQ = - ( mcp) coold Tcool
(4)
上面两式中的 ( mcp ) hot 和 ( mcp ) cool 分别表示热流体
和冷流体的热容 。计算过程中使用的假设条件是 :
Fx F
( 8′)
把式 (2) 、(7) 、(8) 或者 (2) 、(7′) 、(8′) 代入式 (1) 中 ,
积分得
Ex = ( mcp) cool T0 ln
Tout ,cool Tin ,cool
-
( m cp) cool T0 ( Tout ,cool - Tin ,cool) Tin ,hot - Tout ,hot
1 最佳温度匹配
有温差的地方必然存在有用能损失 ,而温差是传 热的必要条件 ,所以可以说有换热必然存在有用能损 失。换热过程中的有用能损失可以按下式计算 :
d Ex
=
T0
T hot T hot
-
·
TTccoooolδl Q
(1)
式中 T0 是指环境温度 (假定为常数) , T hot 和 Tcool