制冷劑對空氣源熱泵性能的影響

摘要：隨著科技的進步，人們的生活水平逐漸提高，也隨著不可再生資源一點點被消耗，人們的環(huán)保意識也在提高。在供暖方面，我們希望有一種新型且節(jié)能的供暖方式來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的供暖方式以減少資源的消耗?？諝庠礋岜米鳛橐环N無污染且安裝方便的供暖方式近幾年得到廣泛應用。但在低溫下此供暖方式卻存在著制熱效率低下，排氣溫度過高，嚴重時熱泵無法運行等諸多問題。本文針對上述所涉及到的問題，通過閱讀文獻查找資料，對低溫空氣源熱泵進行性能研究，分析影響低溫空氣源熱泵性能的因素并指出改進方法以及總結與低溫空氣源熱泵相關的研究成果，本文具體比較了部分制冷劑在不同循環(huán)方式下的性能，分析了結霜問題對熱泵性能的影響并提出了除霜措施以及適合低溫工況下熱泵運行的循環(huán)方式，尋求低溫工況下更好的解決方案。關鍵詞：低溫空氣源熱泵；改進方法；解決方案一、引言中國的能源需求仍在增加，過去十年我國能源消耗增長54.6%，目前以煤炭為主的能源結構無法改變。我國在2017年的能源消耗中，煤炭占60%，石油占19%，可再生能源占12%，天然氣占7%，核能占2%。我國的能源結構存在一定問題，煤炭使用率過高，導致環(huán)境問題突出。因此我國能源結構需要進一步提高清潔能源的比重。目前我國北方供暖以燃煤為主，散煤因價格較低成為冬季供暖的重要燃料。其中生活用煤占總用煤的九成以上。據(jù)爐具行業(yè)不完全統(tǒng)計，2015年制造的爐具有七成以上是劣質低效率的，這使人們供暖所需燃煤量越來越多。散煤的不充分燃燒會生成對大氣環(huán)境有害的氣體，如氮氧化物，硫氧化物等，因為沒有控制污染物排放的裝置，在污染物排放方面，民用燃煤污染物排放量遠遠高于工業(yè)和電廠鍋爐的污染物排放量，造成冬季嚴重的大氣污染。二、制冷劑的性質不同的制冷劑有著不同的熱力性質，并且同種制冷劑在不同的熱力循環(huán)下性能也有所不同。在進行各種制冷劑熱力循環(huán)分析前，先簡單介紹一下幾種常見的制冷劑。2.1R22R22屬HCFC類物質，也是目前使用最廣泛的中低溫制冷劑。常溫下是無色無味的氣體，不燃燒、不爆炸、沒有腐蝕性。它的飽和壓力特性與氨相近，單位容積制冷量也和氨相似。其毒性略大于R12，但仍是安全的制冷劑，安全等級為A1,熱力學性能參數(shù)表如下：表1（R22熱力學性能）中文名稱二氟一氯甲烷臨界溫度96.2C簡稱R22臨界壓力4.99MPa化學式CHClF2臨界密度523.8C分子量86.47g/m熔點一ol160.00C三相點溫一沸點-40.8C度157.42°C

2.2R7172.2R717R717即為我們平常所說的氨。氨因其價格低廉又易于獲得所以是目前使用最為廣泛的一種中壓中溫制冷劑。具有很好的吸水性，即使在低溫下水也不會從氨液中析出而凍結，故系統(tǒng)內不會發(fā)生“冰塞”現(xiàn)象。但是氨有較強的毒性和可燃性。單位容積制冷量大，粘性小，流動阻力小。安全等級為B2。其熱力學性能參數(shù)表如下：表2（R717熱力學性能）三相點溫度-77.655°C沸點—33.4C三相點溫度-77.655°C沸點—33.4C中文名稱氨臨界溫度132.25C簡稱R717臨界壓力11.33MPa化學式NH臨界密度225.0kg/m分子量17.03g/mo熔點-78C

2.3R1234yfODP2.3R1234yfODP0GWP0HF0-1234yf作為單一工質制冷劑，具有優(yōu)異的環(huán)境參數(shù)，對大氣臭氧層沒有破壞性，GWP=4.4，ODP=O，大氣分解物與HFC-134a相同，而且其系統(tǒng)性能優(yōu)于R134a。安全等級為B1，但當吸入時會引起嗜睡、注意力分散、眩暈以及眼睛、皮膚和呼吸道不適等問題。其熱力學性能參數(shù)表如下：表3（R1234yf熱力性質）中文名稱簡稱化學式分子量三相點溫2.4R134a四氟丙烯R1234yf114g/molCFCF=CH3

中文名稱簡稱化學式分子量三相點溫2.4R134a四氟丙烯R1234yf114g/molCFCF=CH3R134a不含氯原子，對臭氧層沒有破壞作用，是一種不易燃、不爆炸、無毒、無刺激性、無腐蝕性的制冷劑，其制冷量及效率與R12（氟利昂）非常接近，所以被視為優(yōu)秀的長期替代制冷劑。R134a是目前國際公認的R12最佳的環(huán)保替代品，完全不破壞臭氧層，是當前世界絕大多數(shù)國家認可并推薦使用的環(huán)保制冷劑也是目前主流的環(huán)保制冷劑，R134a的毒性非常低，在空氣中不可燃，安全等級為A1，是很安全的制冷劑。其熱力學性能參數(shù)表如下：表4（R134a熱力性質）化學式分子量2.5R717中文名稱三相點溫化學式分子量2.5R717中文名稱三相點溫R717即為我們平常所說的氨。氨因其價格低廉又易于獲得所以是目前使用最為廣泛的一種中壓中溫制冷劑。具有很好的吸水性，即使在低溫下水也不會從氨液中析出而凍結，故系統(tǒng)內不會發(fā)生“冰塞”現(xiàn)象。但是氨有較強的毒性和可燃性。單位容積制冷量大，粘性小，流動阻力小。安全等級為B2。其熱力學性能參數(shù)表如下：表5（R717熱力性質）中文名稱化學式NH3分子量17.03g/mol三相點溫77.655°C2.6R290中文名稱化學式NH3分子量17.03g/mol三相點溫77.655°C2.6R290R290即丙烷，又稱冷煤，易燃易爆炸。是一種可以從液化氣中直接獲得的天然碳氫制冷劑。與氟利昂這種人工合成制冷劑相比，天然工質R290的分子中不

含有氯原子，因而ODP值為零，對臭氧層不具有破壞作用。有窒息及麻醉作用，當濃度在10%以下時會引起輕度頭暈；濃度提高則會麻醉、意識喪失；極高濃度時會導致窒息，安全等級為A3。其熱力學性能參數(shù)表如下：表6（R290熱力性質）臨界溫度臨界壓力臨界密度熔點沸點96.74°C4.25MPa220.4kg/m3-183C-42.11C臨界溫度臨界壓力臨界密度熔點沸點96.74°C4.25MPa220.4kg/m3-183C-42.11CR744是我們平常所熟知的CO2，無色、無臭、無味、無毒氣體。水溶液呈酸性液態(tài)二氧化碳冷卻到-21.1C；壓力為0.415MPa就形成固態(tài)，固態(tài)二氧化碳又稱干冰。干冰吸熱可直接升華為氣體。安全等級為A1。其熱力學性能參數(shù)表如下:表7（R744熱力學性能）

中文名稱二氧化碳臨界溫度30.98C簡稱R744臨界壓力7.3MPa化學式CO2臨界密度467.6kg/m3分子量44.0g/mol熔點-56.6C三相點溫度-56.55°C沸點-78.4CODP 0 GWP 12.8R152aR152a—般與其它制冷劑組成混合制冷劑，廣泛應用于制冷系統(tǒng)中。它的ODP為0,GWP值很小，為0.023。燃燒性強，在空氣中的體積分數(shù)達到4-17%時就會著火。安全等級為A2。其熱力學性能參數(shù)表如下：表8（R152a熱力性質）中文名稱1,1-二氟臨界溫度113.261C乙烷

簡稱化學式分子量三相點溫度ODP4.5MPa367.9kg/m3—24.02°C簡稱化學式分子量三相點溫度ODP4.5MPa367.9kg/m3—24.02°C140三、各制冷劑在多種熱力循環(huán)情況下的性能對比此處引用文獻［1］各制冷劑熱泵循環(huán)性能圖來比較各制冷劑在不同循環(huán)方式下的性能優(yōu)劣。以下循環(huán)所處的熱力循環(huán)條件為：冷凝溫度T1=55°C,過冷度ATa=O°C,過熱度ATb=O°C，無回熱，蒸發(fā)溫度Tz在-25°C~15°C內取值。單級壓縮循環(huán)下各制冷劑性能對比圖1表示了R22、R134a、R290等多種制冷劑在單級壓縮下，不同蒸發(fā)溫度的能耗比（COP），能耗比的值實際上是系統(tǒng)中熱量與輸入功率的比值，在同種工況下比值越大說明這個系統(tǒng)的效率越高且越節(jié)能。1010撫發(fā)鎰度CC)-1010撫發(fā)鎰度CC)-B-R22-4^陽皿-r-ftTir>R32-*-R3?JR1S4s■R4GU卄R4Q^fHR4ICh——M1F?R<27a H744_ 圖1單級壓縮循環(huán)下各制冷劑COP值在圖中可以看出在單級壓縮循環(huán)下，-25°C-15°C范圍內，各制冷劑的COP值都隨著蒸發(fā)溫度的升高而增加，并且COP值最高的是R717,R744次之，然后是R22等其它制冷劑。所以就目前已知的制冷劑情況下，在單機壓縮循環(huán)下，選取R717作為工質可使性能達到最優(yōu)。雙級壓縮循環(huán)下各制冷劑性能對比下圖表示了R22、R134a、R290[23-25]等多種制冷劑在雙級壓縮循環(huán)下，不同蒸發(fā)溫度的能耗比。在圖中可以看出在-25C-15C范圍內，其趨勢與單機壓縮循環(huán)情況類似：各制冷劑的COP值都隨著蒸發(fā)溫度的升高而增加，顯而易見的是R717的COP值依然是最高的，其次是R744、R22、R134a。如果把單級壓縮循環(huán)和雙級壓縮循環(huán)放在一起比較的話，我們可以發(fā)現(xiàn)同一制冷劑在相同的蒸發(fā)溫度下雙級壓縮循環(huán)的能耗比要高于單級壓縮循環(huán)的能耗比。所以我們可以得出結論在同一制冷劑和相同蒸發(fā)溫度的情況下，選擇雙級壓縮循環(huán)要比選擇單級壓縮循環(huán)更為合適。610慕發(fā)沮廈Ct)R22610慕發(fā)沮廈Ct)R22R134SR71?R29QR2SG/R6A03R12R12JR1&2aR5SrRi3JaR404a剛0開R40TcR41^RtiTaR427SBit圖2雙級壓縮循環(huán)下各制冷劑COP值復疊式循環(huán)下各制冷劑性能對比圖2.3表示了R22、R134a、R290等多種制冷劑在復疊式壓縮循環(huán)下［26-28］不同蒸發(fā)溫度下的能耗比，其中蒸發(fā)冷凝器的換熱溫差。圖中的每個圖例都有前后兩類制冷劑，前邊的表示的是低溫循環(huán)下的制冷劑，后邊為高溫循環(huán)下的制冷劑。可以看出在低溫循環(huán)下能效比最高的為R134a,最低的為R744。所以在復疊式循環(huán)中最合適的制冷劑是R134a和R601;高溫循環(huán)下，能效比最高的是R601a,其次是R245a、R290、R134a。同時我們再次將單級壓縮循環(huán)和雙級壓縮循環(huán)以及復疊式循環(huán)相比較，在同一制冷劑，相同蒸發(fā)溫度下比較三種循環(huán)方式性能的優(yōu)劣?？梢钥闯鲞@三種循環(huán)方式性能優(yōu)劣依次為雙級壓縮循環(huán)、復疊式制熱循環(huán)、單級壓縮循環(huán)。另外，復疊式制熱循環(huán)中存在整體效率下降的問題，這是蒸發(fā)冷凝器內存在換熱溫差導致的［2］。01020蒸發(fā)制廈cr)R134a/R245fe01020蒸發(fā)制廈cr)R134a/R245feR134n/R601-*-R134ayR601a-―R600a/R290T-R410a/Rl34a，R1234yf/R236ea亠R7^4/R1234yf圖3復疊式循環(huán)下各制冷劑COP值三、結語本文介紹了幾種制冷劑以及不同制冷劑在不同的蒸發(fā)溫度以及不同的循環(huán)方式下(單級壓縮循環(huán)、雙級壓縮循環(huán)以及復疊式循環(huán))的能耗比比較。當蒸發(fā)溫度在-25°C-15°C范圍內，各制冷劑的COP值都隨著蒸發(fā)溫度的升高而增加。在單級壓縮循環(huán)下，