1、2009年第 5期总第 171期低 温 工 程C R Y O G E N I C SN o . 52009S u m N o . 171自然复叠式热泵循环系统热力计算与分析徐卫荣1, 2 杜 垲1(1东南大学能源与环境学院南京210096)(2中兴通讯股份有限公司南京210012) 摘 要 : 为对自然复叠式热泵系统循环进行理论分析和试验研究, 对该热泵系统循环流程进行了分析。采用以 R 123/R 134a 所组成的二元非共沸混合制冷剂作为循环工质, 建立系统循环算法模型,提出采用分区间法和二分法实现蒸发压力 p0调整模块, 编写了循环理论模拟计算程序, 对循环系统进行了数据计算和初步分析。
2、结果表明, 模块计算参数全面, 利用该计算模块可以方便得到初始参数条件下的理论单位制热量 、 性能系数 、 最佳浓度配比等热力参数值, 为自然复叠式热泵系统热力性能分析提供了理论工具 。关键词 : 自然复叠 大温差 中高温热泵 热力计算中图分类号 : T B 615文献标识码: A 文章编号: 1000- 6516( 2009) 05- 0031- 06收稿日期: 2009-07-07; 修订日期: 2009-09-22基金项目: 国家自然科学基金资助 ( 50876020), “十一五”国家科技支撑计划重点项目 ( 2008B A J 12B 02)。作者简介: 徐卫荣, 男, 26岁, 硕
3、士研究生 。T h e r m o d y n a m i c c a l c u l a t i o na n da n a l y s i s o na u t o - c a s c a d eh e a t p u mps y s t e mX uWe ir o n g1 , 2D u K a i1(1S c h o o l o f E n e r g y E n v i r o n m e n t , S o u t h e a s t U n i v e r s i t y , N a n j i n g210096, C h i n a )(2Z T EC o r p o r a
4、 t i o n , N a n j i n g 210012 , C h i n a )A b s t r a c t : F o r t h e o r e t i c a l a n a l y s i s a n de x p e r i m e n ta l s t u d y o n c ir c u l a t io n o f a u t o - c a s c a d e h e a t p u m ps y s -t e m ,c y c lep r o c e s s o f t h eh e a t p u m ps y s t e mw a sa n a l y z
5、e d .B i n a r yn o n - a z e o t r o p i cr e f r i g e r a n t c o m p o s e do fR 123/R 134a w a s s e l e c t e da s c ir c u l a t in g w o r k i n gfl u i d .S y s t e mc i r c u l a t i o na l g o r i th mm o d e l w a s p r o p o s e d .A d j u s t m e n t m o d u l e o f e v a p o r a t i n
6、 gp r e s s u r e w a s d e s i g n e dw i thm e t h o d s o f s e p a r a t e ds e c t i o na n dd i c h o t o m y .A n dc ir c u la t i n g t h e o r e t i c a l s im u l a t i o np r o g r a mw a s c o m p i le d .D a t ac a l c u l a ti o na n dp r i m a r ya n a l y s i s o f t h es y s te mc i
7、r c u l a t io nw a s d o n e .T h e r e s u l t s s h o wt h a t c a lc u l a t i o n p a r a m e t e r s o f th e m o d u l e w e r e c o m p l e t e .P a -r a m e t e r s, s u c h a s t h e o r e t ic a l s p e c if i c h e a t o u t p u t, c o e f f ic i e n t o f p e r f o r m a n c e,o p t i m
8、 a l c o n c e n t r a t i o nr a ti o , e ta l,c a nb e o b t a i n e dc o n v e n i e n t ly .T h e o r e t ic a l t o o l w a s p r o v id e dt o t h e r m a l p e r f o r m a n c ea n a l y s i s o f t h eh e a tp u m ps y s t e m .K e yw o r d s : a u t o - c a s c a d e ;l a r g et e m p e r a
9、 tu r ed i ff e r e n c e ;m o d e r a t ea n dh i g hte m p e r a t u r eh e a t p u m p ;t h e r m o d y n a m i c c a l c u l a t i o n低温工程2009年1引言随着能源紧缺和环境污染等问题的日益突出, 人们对热泵研究的重视程度逐渐提高, 但是目前研究较多的大都是出水温度低于 55 的低温热泵, 对于低温热源温度在 15 以下、供热温度 85 以上的大温差中高温热泵研究较少 1。自然复叠式热泵 ( A C H ,A u t o - C a s c a d e
10、H e a t p u m p )系统利用混合工质中不同组元沸点不同的特性, 使混合工质在循环中自然分离, 实现高低温部分的自行复叠, 能够实现大温差的循环, 具有很好的应用前景 2-3。近年来国内外对自然复叠式循环系统已展开了积极的研究工作, 但是关于自然复叠式热泵系统的理论研究还非常缺乏, 另外, 由于自然复叠式热泵系统采用了非共沸混合工质, 增加了系统循环理论模拟研究的难度 4。与纯工质循环不同, 自然复叠式热泵循环中非共沸混合工质浓度配比是一个对系统热力性能影响较大的参数,但自然复叠式热泵循环本身的复杂性给混合工质浓度配比的选择增加了难度 4-9。为了能够通过理论计算得到初始参数条件下
11、的理论最佳浓度值以及对自然复叠式热泵循环进行热力性能分析, 本文在对自然复叠式热泵系统进行循环分析的基础上, 依据热力学基本理论, 设计系统循环理论算法模型, 并编写循环理论计算程序, 从而为这一技术的进一步深入研究提供一种有效工具。2自然复叠式热泵原理2. 1 自然复叠式热泵循环流程自然复叠式热泵系统采用非共沸混合工质, 整个系统循环分为高温侧和低温侧, 由高温循环部分工质的蒸发吸热来实现低温循环部分工质的冷凝, 通过一个冷凝蒸发器来实现 10-11, 如图 1所示, 系统循环的流程见文献 12 。图 1自然复叠式热泵系统1. 压缩机; 2. 冷凝器; 3. 气液分离器;4. 节流阀; 5.
12、 冷凝蒸发器; 6. 蒸发器。F i g . 1Au t o - c a s c a d eh e a t p u mps y s t e m2. 2 自然复叠式热泵循环工质选择适用于自然复叠式热泵系统的非共沸混合工质应该遵循以下几点原则 13: ( 1)高温组元在 85 温度及中等压力条件下能够冷凝; ( 2)在冬季环境温度, 低温组元在不太低的吸气压力下可以蒸发吸热 ; ( 3)有较高的自然分离效率, 即组元的沸点温度差值大 14; ( 4) 对环境友好 、物理化学性能稳定、无毒 15。综合以上因素, 选择了以 R 123、R 134a 所组成的二元非共沸混合制冷剂 16进行研究, 两者的
13、基本参数列于表 1。表 1R 123、R 134a 的物理性质T a b l e1P h y s i c a l p r o p e r t i e s o f R123a n dR134a工质摩尔质量 /( k g /m o l )沸点 ts/临界温度 tc/临界压力 pc/M P aO D PG WPR 123152. 927. 9183. 83. 670. 013- 0. 0220. 017-0. 020R 134a102. 0-26. 2101. 14. 0600. 24-0. 292. 3 自然复叠式热泵循环焓 - 浓图自然复叠式热泵系统循环的焓 - 浓图如图 2 , 图中 pk、p
14、0分别表示热泵系统循环的冷凝压力和蒸发压力 17, Tk、T0分别表示系统循环的最低冷凝温度和最低蒸发温度, 图 2中 1 - 8状态点分别对应图 1所示各状态点的位置。3自然复叠式热泵热力计算分析3. 1 杠杆规则在气液两相平衡的混合物中, 设 A 组分在饱和液体及饱和蒸气中的物质的量浓度分别为 x1和 x2,气相和液相中组分的总物质的量分别为 n气和 n液,对于组分 A , 根据质量守恒定律得: 1832第 5期自然复叠式热泵循环系统热力计算与分析图 2自然复叠式热泵系统循环焓 - 浓图F i g . 2E n t h a l p y - c o n c e n t r a t i o n
15、d i a g r a m o f t h ea u t o - c a s c a d eh e a t p u mpc i r c u l a rs y s t e mn总xA=n液x1+n气x2( 1)n总=n液+n气( 2)( n液+n气)xA=n液x1+n气x2( 3) 整理后得到 :n液(xA-x1) =n气( x2-xA)( 4) 式中: xA为 A组分在混合工质中的物质的量浓度 ; n总为混合工质中总的物质的量 。3. 2 两组分工质的混合第 1股的参数为 t1, p1, 1, h1, 质量流量为 qm1, 第2股的参数为 t2, p2, 2, h2, 质量流量为 qm 2,
16、混合后参数为 t3, p3, 3, h3, 质量流量为 qm 3。见图 3。图 3两股溶液的绝热混合F i g . 3A d i a b a t i cmi x i n go f t w os o l u t i o n s由质量守恒定律得:qm3=qm 1+qm2( 5)qm33=qm 11+qm 22( 6) 由能量守恒定律得:qm 3h3=qm1h1+qm 2h2( 7) 联立式 ( 5) 、式 ( 6)和式 ( 7)并求解得到:3=1+qm2qm 1+qm 2(2-1)( 8)h3=h1+qm2qm1+qm2( h2-h1)( 9)式中 : q 为工质质量流量, k g /s ; 为混
17、合工质中的质量分数 ; h 为混合工质的焓值, k J /k g 。式中参数下标所表示的点的位置与图 3中的参数下标位置相对应。3. 3 自然复叠式热泵热力计算图 1中冷凝蒸发器 5的热平衡式为:xg( h3-h4) =( 1 -xg) (h8-h7)(10) 由式 ( 10)得出冷凝后混合工质干度 xgxg=h8-h7(h3-h4) +( h8-h7)(11) 热泵系统理论性能系数 C O PC O P=qkW=h2-h3h2-h1(12) 式中: qk为冷凝器单位放热量, k J /k g ; W为压缩机单位耗功, k J /k g 。自然复叠式热泵热力参数计算详见文献 12 。4系统循环
18、热力计算算法4. 1 算法介绍非共沸混合制冷剂相变过程中具有温度滑移的特性, 因此计算时选用的冷凝温度 Tk为最低冷凝温度 、 蒸发温度 T0为最低蒸发温度。且计算之前做了如下假设 : 冷凝蒸发器端口的传热温差恒定为 8 ,即 T4- T7=8 、T3- T8= 8 ; 各热交换器和管路与外界无热交换; 节流过程为绝热节流; 压缩过程为等熵压缩 ; 系统中的换热器及管路的压力损失不计。以最低冷凝温度 Tk、 冷凝压力 pk、最低蒸发温度T0作为已知设计条件, 首先给蒸发压力设一个初值p 0, 进行热泵循环计算, 从而算得一个最低蒸发温度T 0, 验证 T 0和 T0之间的差值大小是否满足计算精
19、度要求, 若不满足则调整 p 0的大小重新进行循环计算, 直至两者差值在精度范围以内。4. 2 计算流程设计自然复叠式热泵系统循环的计算设计流程见图4 , 图 4所示的各状态点对应于图 1中各状态点的位置 。对于溶液体系来说, 当该体系处于平衡状态时,它的自由度 f 、 相数 和组分数 k 之间存在着一定的关系, 这个关系称为吉普斯相律, 具体表达式为 :f =k-+2(13) 对于 R 134a/ R 123自然复叠式热泵循环系统,其混合工质为二元, 即其组分数 k 为 2。当其处于气液两相平衡状态或饱和状态时, 体系的自由度 f = k -+ 2 = 2 - 2 + 2 = 2 , 说明此
20、时只需只要 2个独立的参数, 其它状态参数就可以随之确定 。因此, 对于图1所示的冷凝后处于气液两相平衡状态的点 3 , 只需33低温工程2009年要知道其冷凝温度 T3和冷凝压力 p3即可算出该点其它状态参数。当混合工质处于液相或气相时, 其自由度 f = k - + 2 = 2 - 1 + 2 = 3 , 此时需要知道 3个独立的参数才能确定其它参数, 图 1中的 1、2、4、5、6、7和 8状态点的参数计算时即需要 3个独立的参数。图 4系统循环计算模块流程F i g . 4C i r c u l a t i o nc a l c u l a t i o nmo d u l ep r o
21、 c e s s算法以 50 k P a 作为蒸发压力 p0初值, 分别依次计算 3、7、4和 5的状态参数 19, 通过比较 5点的温度和设定最低蒸发温度的差值, 判断 p0是否满足要求, 并做相应的调整, p0调整算法模块流程如图 5。为了提高计算精度和速度, p0调整计算时首先分割区间找到符合二分法计算的区间, 再采用二分法计算出符合条件的结果, 采用一个 B o o le a n 型变量b l n S ig n 作为两种算法选择的开关。5系统循环计算程序分析实现的程序界面除能够显示出系统循环中的冷凝压力 、 蒸发压力 、循环干度 、 压比 、 蒸发器单位换热图 5p0调整模块流程F i
22、 g . 5p0a d j u s t me n t mo d u l ep r o c e s s量 、 冷凝器单位换热量 、 单位压缩功、 冷凝蒸发器单位换热量和 C O P 外, 还能显示出图 1中所示的 1 - 8状态点的详细热力学状态参数 。5. 1 计算结果以最低冷凝温度 Tk=90 、冷凝压力 pk=1. 4M P a 和最低蒸发温度 T0= 5 为已知条件为例进行计算, 计算结果列于表 2 , 表中: T 为温度, p 为压力 ; X为 R 134a 的质量分数, h 为焓值、s 为熵 、 为密度 。循环系统其它性能参数 : 压比为 6. 42; 冷凝器冷凝后混合工质干度 Xg
23、=0. 42; 冷凝蒸发器单位换热量 q8-7= 80. 91 k J /k g ; 蒸发器单位换热量 q0= 66. 224k J /k g ; 冷凝器单位换热量 qk= 104. 587 k J /k g ; 单位压缩功 W= 38. 363 k J /k g, C O P= 2. 73。34第 5期自然复叠式热泵循环系统热力计算与分析表 2Tk= 90 、pk= 1. 4 MP a 和 T0= 5 时状态点计算数据T a b l e2S t a t ep o i n t c a l c u l a t i o nd a t ai nc a s eo f Tk=90, pk=1. 4 MP
24、 a , T0=5状态点T /p /M P aX /( 0. 000)h /( k J /k g )s / k J /(k g K ) /( k g /m3)158. 390. 2180. 336429. 551. 810 710. 8732121. 541. 4000. 336467. 911. 810 768. 165390. 001. 4000. 217305. 371. 360 31 184. 507390. 001. 4000. 503444. 401. 767 072. 982438. 861. 4000. 503250. 291. 206 91 275. 52755. 000.
25、2180. 503250. 291. 219 149. 376626. 360. 2180. 503409. 171. 770 411. 399730. 860. 2180. 217305. 371. 389 128. 205882. 000. 2180. 217444. 121. 829 310. 6225. 2 利用计算程序对系统循环进行性能分析利用计算程序对自然复叠式热泵系统循环进行热力性能分析时, 选定某 2个参数, 找出第 3个参数变化对循环其它性能参数的 影响关系。 如分析R 134a 充注浓度的变化对循环性能的影响时, 可以选定最低蒸发温度 T0=10 、最低冷凝温度 Tk=10
26、0, R 134a 质量分数 R134a的变化范围为 0. 1 -0. 5 , 步长为 0. 05 , 得到 R 134a与吸排气压比和 C O P 的关系曲线, 如图 6所示。图 6R 134a与 C O P和压比关系曲线F i g . 6R e l a t i o n s h i pa mo n gR 134a,C OPa n dp r e s s u r er a t i o由图 6可知在高低温热源温度已知时, 不同配比的充注浓度将得到不同的系统热力性能系数和压比 。因此, 在吸排气压力允许的范围内, 设计自然复叠式热泵系统时的 R 134a 充注质量分数 R134a应尽量选择在 C O
27、 P 在最高点时所对应的质量分数 。利用该计算模块, 可以对自然复叠式热泵系统循环进行预先理论计算、分析, 得出适合某一工况条件下的最佳浓度配比, 同样还可以分析冷热源温度以及压力等参数对系统循环热力性能的影响。6结语自然复叠式热泵系统利用混合工质中不同组元沸点不同的特性, 通过控制循环使混合工质自然分离, 实现高低温部分自身复叠, 能够实现大温差的循环, 作为中高温热泵具有很好的应用前景。但是自然复叠式热泵系统采用非共沸混合工质, 这给对其进行理论模拟和试验研究增加了难度, 本文对该系统循环流程进行了分析, 选定以 R 123/R 134a 所组成的二元非共沸混合制冷剂作为循环工质, 提出系
28、统循环算法模型, 采用分区间法和二分法设计蒸发压力 p0调整模块, 编写了循环理论模拟计算程序, 对循环系统进行了数据计算和初步分析。结果显示, 模块计算参数全面, 同时利用该模块可以对自然复叠式热泵系统循环进行热力性能分析。本设计算法和程序为自然复叠式热泵系统试验研究提供了理论指导, 为这一技术的进一步研究打下基础 。参考文献1周湘江, 连之伟. 高温热泵在我国应用的可行性分析 J . 流体机械, 2003 , 317: 55- 58.2K a z u o N a k a t a n i, M i t s u h i r o I k o m a , K o j i A r i t a , e
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39、文摘要一般为 200 - 300字, 内容要相互对应, 采用第三人称表述, 写成报道性摘要, 包括目的 、 方法 、 结果和结论等, 其内容独立于正文而存在, 能准确、 具体、完整概括原文内容。4、正文中量和单位名称 、 符号要前后统一, 符合国家法定计量单位最新标准, 外文字符的大小写、正斜体 、上下角标及字母应清楚。5、图、 表应有自明性, 随文出现、先文后图。插图使用 jp g 格式, 确保清晰, 标注与图题不要使用文本框形式 。图中的英文文字 (物理量符号除外 )要翻译成中文。图题 、 文字 、 符号、坐标、图注必须写清, 标目应使用标准的物理量和单位符号;插图、 表格需要同时有中英文
40、标题, 表格使用“三线表”。6、公式使用“公式编辑器”进行编排, 重要公式顺序编号。比较简单的公式或单一字符, 直接使用字母 、 字符排版 。公式中的物理量符号, 要解释名称并给出使用单位 。7、参考文献著录格式应符合 G B /T 7714-2005文后参考文献著录规则 , 应是文中直接引用的公开出版物, 以 5 - 10篇为宜, 按文中出现的先后顺序编号, 与文中引用位置一一对应, 并在文中以上角标的形式一一标出 。8、正文章节编号采用三级标题顶格排序。一级标题形如 1 , 2 , 3排序, 二级标题形如 1. 1 , 1. 2 , 1. 3; 2.1 , 2. 2 , 2. 3排序; 三
41、级标题形如 1. 1. 1 , 1. 1. 2 , 1. 1. 3; 2. 1. 1 , 2. 1. 2 , 2. 1. 3排序 。9、页面上下边距各 3c m 、 左右边距各 2c m , 单倍行距, 段前、段后间距为 0 , 不要进行分栏排版, 也不要设置分节符 、 页眉 、 页脚等 。正文用 5号字, 对文字不要做加粗及下划线等特殊处理。10、 来稿前请对稿件内容进行仔细审核, 成熟后再提交, 避免投稿后再撤回进行反复修改。11、 来稿请用电子邮件发至 d w g c 263. n e t, 同时寄打印稿 1份至 ( 100074)北京 7205信箱 27分箱低温工程 编辑部, 本刊审稿周期 2 - 3月, 3个月内未接到通知可自行处理。36
