空氣源熱泵熱水器的流動(dòng)和熱力學(xué)特性分析

空氣源熱泵熱水器的流動(dòng)和熱力學(xué)特性分析

隨著生活水平的提高，人們對(duì)生活舒適度的要求也越來(lái)越高。熱情已經(jīng)成為生活中必要的基本設(shè)施。生活熱水的用量也成為衡量舒適性的一個(gè)重要指標(biāo)。有關(guān)數(shù)據(jù)表明,歐美國(guó)家冷、熱水使用比例是1:9,而中國(guó)冷、熱水使用比例僅為9:1。目前的生活熱水裝置主要有燃?xì)鉄崴鳌㈦姛崴?、太?yáng)能熱水器、熱泵熱水器?？諝庠礋岜脽崴骶哂邪踩⒐?jié)能等諸多優(yōu)點(diǎn),符合我國(guó)當(dāng)前減少碳排量的要求,被業(yè)內(nèi)稱為“第4代熱水器”。當(dāng)前,應(yīng)對(duì)大氣臭氧層損耗、環(huán)境破壞和全球氣候變暖是全球制冷空調(diào)行業(yè)共同面對(duì)的挑戰(zhàn)。由于以氯氟烴(CFCs)為代表的熱泵循環(huán)工質(zhì)對(duì)臭氧層有極強(qiáng)的破壞作用,1987年9月聯(lián)合國(guó)環(huán)境計(jì)劃署通過(guò)的《蒙特利爾議定書(shū)》明確提出了限制生產(chǎn)和使用CFCs。我國(guó)政府在1989年和1991年分別簽署了《保護(hù)臭氧層維也納公約》和《蒙特利爾議定書(shū)》及其倫敦修正案。為實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo),在我國(guó)的熱泵熱水器行業(yè)采用替代制冷劑的工作就顯得非常迫切。我國(guó)熱泵熱水器采用的制冷劑主要為R22,部分采用R134a;日本主要采用R410A和CO2;歐洲主要采用R410A,R407C和R134a;澳大利亞主要采用R407C和R134a。由于R410A等現(xiàn)在廣泛用于熱泵熱水器的制冷劑的GWP值很高,業(yè)內(nèi)一些學(xué)者提出用R32作為一種替代制冷劑。筆者將介紹R32制冷劑的一些基本物性,并對(duì)采用R32制冷劑的熱泵熱水器進(jìn)行理論循環(huán)分析,給出一些使用R32的參考建議。1r32的基本物理分析1.1低gwp產(chǎn)品的替代表1列出了R32和幾種常用制冷劑的ODP,GWP和沸點(diǎn)、摩爾質(zhì)量、臨界溫度、臨界壓力和臨界密度。從表可以看出,R32在沸點(diǎn)上與R410A最為接近,實(shí)際上R32就是R410A的主要組元。R32的GWP值適中(675),遠(yuǎn)低于R410A和R22。R32制冷劑在空氣源熱泵熱水器行業(yè)的推廣應(yīng)用,也將促進(jìn)我國(guó)低碳經(jīng)濟(jì)政策的落實(shí)。同時(shí),R32由于具有較低的GWP值,符合歐洲國(guó)家提倡的低GWP制冷劑的替代方向。R32的摩爾質(zhì)量?jī)H為R22的0.6倍,為R410A的71.7%。由于充注量大體與摩爾質(zhì)量成正比,因此R32充注量?jī)H為R22的0.6倍,為R410A的71.7%。表中LFL為最低可燃燒極限,即在特定試驗(yàn)條件下,可燃制冷劑在其與空氣的均勻混合物中能夠維持火焰?zhèn)鞑サ淖钚舛取Ｒ话?LFL以制冷劑在空氣中的體積分?jǐn)?shù)表示。LFL數(shù)值越小,表明可然性越強(qiáng);LFL為“無(wú)”表示這種制冷劑在空氣中不可燃。燃燒熱HOC表示1kmol的可燃制冷劑,在25℃和101.325kPa條件下,完全燃燒且燃燒生成物均處于氣相狀態(tài)時(shí)所放出的熱量。TLV-TWA為慢性毒性指標(biāo),該數(shù)值越大,表明毒性越低。從表中數(shù)據(jù)可以看出,R32是一種毒性和R22相當(dāng)?shù)?、弱可燃性的制冷劑?.2基本熱物理的比較1.2.1提升系統(tǒng)的壓力從圖1可以看出,在相同的冷凝溫度下,R32的冷凝壓力比R410A和R22的都高;隨著冷凝溫度的升高,冷凝壓力也升高。比如,在60℃冷凝溫度下,R22,R410A和R32的冷凝壓力分別為2.3MPa,3.82MPa和3.93MPa,即R32的為R22的1.62倍,為R410A的1.029倍。較大數(shù)值的冷凝壓力,一方面可以采用較小直徑的換熱管,克服較大的阻力損失;另一方面對(duì)系統(tǒng)的承壓和可靠性提出了更高的要求。不過(guò),由于其壓力只比R410A的高約3%,現(xiàn)有的R410A系統(tǒng)使用的換熱器基本能夠承受R32系統(tǒng)的壓力要求;但是在具體應(yīng)用中還是需要特別注意系統(tǒng)的承壓要求,并在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。為了達(dá)到系統(tǒng)的壓力要求,必須降低冷凝溫度,即降低熱水的出水溫度。比如將冷凝溫度從65℃降低到60℃,R32系統(tǒng)的冷凝壓力將從4.38MPa降低到3.93MPa。也就是說(shuō),對(duì)于R32系統(tǒng),筆者認(rèn)為其最高出水溫度只能夠達(dá)到55℃,不能夠達(dá)到60℃。從圖2可以看出,在相同的蒸發(fā)溫度下,R32的蒸發(fā)壓力比R410A的稍高,但是比R22和R407C高出的幅度要大。比如,在-15℃蒸發(fā)溫度下,R32的蒸發(fā)壓力比R22的高出64.8%。較高的蒸發(fā)壓力,意味著采用R32制冷劑的空氣源熱泵熱水器有可能在更低的環(huán)境溫度下使用。1.2.2制冷劑密度對(duì)充注量的影響圖3和圖4所示分別為4種制冷劑的飽和液體密度及飽和氣體比容隨溫度的變化規(guī)律。從圖3可以看出,在相同溫度下,R32的飽和液體密度最低,在60℃時(shí),僅為R410A的94%和R22的75%。液態(tài)制冷劑密度的大小直接影響制冷劑的充注量,在相同容積下,密度小的制冷劑充注量小。在相同溫度下,R32飽和氣體的比容略低于R22的,但是比R410A的高。飽和制冷劑的比容大,意味著壓縮機(jī)的排氣量相同時(shí),比容大的制冷劑的質(zhì)量流量有所降低,制冷(熱)量有所降低。但這并不表明制冷劑的物性差,因?yàn)樾适瞧渲评?熱)能力與其功耗量的比值,所以還要考慮其功耗量的大小。1.2.3換熱器面積的確定在相同的溫度下,飽和液態(tài)比熱容越大,達(dá)到相同的過(guò)冷度放出的熱量越大,所需要的換熱器面積越大。從圖5可以看出,R32飽和液體的比熱容比R410A,R407C以及R22的都要高。對(duì)于熱泵熱水器來(lái)說(shuō),采用R32的好處是相同質(zhì)量的制冷劑,可以釋放給水更多的熱量,起到較好的加熱效果。1.2.4飽和液體制冷劑的黏度R22,R407C,R410A和R32這4種制冷劑飽和液黏度隨溫度的變化規(guī)律見(jiàn)圖6。從圖可以看出,在相同溫度下,R32的黏度比其他3種制冷劑的都要低。在60℃時(shí),R32飽和液體的黏度為R410A的94.6%,R22的67.1%。從圖7可以看出,R32飽和氣體的黏度比R22的高,比R407C和R410A的低。在10℃時(shí),R32飽和氣體的黏度比R22的高1.5%,比R410A的低6%。由于飽和液體和飽和氣體制冷劑的黏度小,一方面可以減少流體與管壁以及流體內(nèi)部的摩擦損失;另一方面可以減小傳熱時(shí)的附面層厚度,從而增大傳熱系數(shù)。另外,黏度小的制冷劑,可以減小制冷劑流動(dòng)過(guò)程的阻力損失。因此,與其他3種制冷劑比較,R32液態(tài)制冷劑的流動(dòng)阻力小、傳熱效果好。1.2.5飽和氣體導(dǎo)熱系數(shù)從圖8所示的飽和液體導(dǎo)熱系數(shù)變化關(guān)系可以看出,R32飽和液體的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)高于其他3種制冷劑;而其飽和氣體的導(dǎo)熱系數(shù)基本與R410A的相當(dāng)(見(jiàn)圖9),但是高于其他2種制冷劑。由于制冷劑的導(dǎo)熱系數(shù)越大,在蒸發(fā)器和冷凝器中的傳熱系數(shù)越大,有利于提高系統(tǒng)的換熱性能:因此,可以認(rèn)為R32制冷劑具有比較好的傳熱性能,用于空氣源熱泵熱水器時(shí)有利于提高能效。1.2.6汽化潛熱ws從汽化潛熱隨溫度的變換規(guī)律可以看出,R32的汽化潛熱在相同溫度下比其他3種制冷劑的都要高。在60℃下,R32的汽化潛熱比R410A的高出60.7%,比R22的高出25.4%;在10℃下,R32的汽化潛熱比R410A的高出43%,比R22的高出52%。汽化潛熱越高,單位質(zhì)量制冷劑吸收或放出的熱量越多。所以,R32用于熱泵熱水器,可以降低壓縮機(jī)輸送制冷劑的功率消耗,提高COP。2利用solp-3.2壓縮機(jī)壓縮過(guò)冷、過(guò)支、等熵壓縮2.計(jì)算時(shí)選擇冷凝溫度60℃,蒸發(fā)溫度隨環(huán)境溫度變化,過(guò)冷度5℃,過(guò)熱度5℃,壓縮機(jī)壓縮過(guò)程為等熵壓縮,計(jì)算采用Solkane6.0軟件。2.1蒸發(fā)溫度的影響圖12給出了理論循環(huán)計(jì)算得到的不同制冷劑理論循環(huán)壓縮比隨蒸發(fā)溫度的變化規(guī)律。從圖可以看出,在相同的蒸發(fā)溫度下,R407C的壓縮比最大;R32的基本與R410A的接近,但比R22的略低。圖中數(shù)據(jù)從另外一個(gè)側(cè)面說(shuō)明,在-20℃的蒸發(fā)溫度下,系統(tǒng)要達(dá)到60℃的冷凝溫度,計(jì)算中使用的4種制冷劑系統(tǒng)都會(huì)超出壓縮機(jī)的可靠壓比運(yùn)行范圍,處于不安全區(qū)域。為了滿足低溫下的制熱需求,只有降低冷凝溫度才能夠保證壓縮機(jī)的壓比。也就是說(shuō),在低溫環(huán)境條件下,為保證壓縮機(jī)的可靠性,熱泵熱水器的熱水出水溫度須要降低。從圖中曲線可以看出,在整個(gè)蒸發(fā)溫度范圍內(nèi),R32制冷劑系統(tǒng)循環(huán)的壓縮比都低于R22和R407C的,基本與R410A的相當(dāng)。由于空氣源熱泵熱水器的壓縮機(jī)經(jīng)常工作在高冷凝溫度范圍,容易造成高的壓縮比。因此,從壓縮比角度看,R32是一種更加適合于熱泵熱水器的制冷劑。2.2空氣源供熱的能效比cop在相同的蒸發(fā)溫度下,R410A循環(huán)的COP最低,R22循環(huán)的最高,R32循環(huán)比R407C略低(見(jiàn)圖13)。比如,在10℃的蒸發(fā)溫度下,R32循環(huán)的COP為R22的92.1%,為R410A循環(huán)的106.8%;在-12℃的蒸發(fā)溫度下,R32循環(huán)的COP為R22的92.6%,為R410A循環(huán)的108.7%。與傳統(tǒng)電熱水器和燃?xì)鉄崴飨啾?空氣源熱泵熱水器的一個(gè)很重要的優(yōu)點(diǎn)是具有很好的節(jié)能效果。而體現(xiàn)節(jié)能的最好評(píng)價(jià)指標(biāo)就是熱泵熱水器的能效比COP。因此,從提高系統(tǒng)理論COP角度看,R32比R410A更加適合用于熱泵熱水器,更能夠體現(xiàn)節(jié)能、降低碳排量的環(huán)保特性。2.3共熱/低熱可選用r三不同制冷劑的排氣溫度隨蒸發(fā)溫度的變化規(guī)律見(jiàn)圖14。在相同的蒸發(fā)溫度下,R32的排氣溫度最高,R407C的最低,R410A的與R22的接近。從理論循環(huán)計(jì)算看,在60℃冷凝溫度條件下,蒸發(fā)溫度低于5℃后,壓縮機(jī)的排氣溫度將超過(guò)110℃,這將惡化壓縮機(jī)潤(rùn)滑油的工作環(huán)境。所以,從排氣溫度角度考慮,R32不是用于熱泵熱水器的理想制冷劑;但是,壓縮機(jī)的排氣溫度可以通過(guò)制冷劑噴液等方法進(jìn)行調(diào)節(jié),以保證其在可靠的運(yùn)行范圍內(nèi)。2.4對(duì)壓縮機(jī)排氣量的影響從容積制熱量的對(duì)比圖15可以看出,R32的容積制熱量最高,R407C的最小;在蒸發(fā)溫度為10℃時(shí),R32的容積制熱量比R22的高58%,比R407C的高67%,比R410A的高14%。這說(shuō)明,為了達(dá)到相同的制熱效果,采用R407C制冷劑壓縮機(jī)的排氣量要比R32的大。較高的容積制熱量,可以降低壓縮機(jī)的排氣量,減小壓縮機(jī)氣缸設(shè)計(jì)尺寸,減小壓縮機(jī)的外形體積尺寸,從而降低壓縮機(jī)的成本。從容機(jī)制熱量角度看,R32是一種用于熱泵熱水器的很好的制冷劑;排氣量相同時(shí),使用R32制冷劑可以實(shí)現(xiàn)最好的制熱效果。2.5比容比的確定回氣比容隨蒸發(fā)溫度的變化規(guī)律見(jiàn)圖16。從圖可以看出,在相同的蒸發(fā)溫度和冷凝溫度條件下,R32的回氣比容比R410A的高,稍低于R22的和R407C的。這種差別在低蒸發(fā)溫度區(qū)域更加明顯。這說(shuō)明在相同的蒸發(fā)溫度下,如果壓縮機(jī)的排氣量相同,壓縮機(jī)吸入R32的質(zhì)量比R22的略多,但低于R410A的,高于R407C的。從回氣比容角度看,R32比R22和R407C更加適合用于熱泵熱水器,但略差于R410A。3從空氣源熱泵熱泵系統(tǒng)使用來(lái)設(shè)計(jì)1)對(duì)比R32,R22,R407C和R410A四種制冷劑的基本特性,從傳熱和流動(dòng)角度看,R32具有較低的黏度、較高的導(dǎo)熱系數(shù),以及較高的汽化潛熱、冷凝壓力和蒸發(fā)壓力。由于R32系統(tǒng)的冷凝壓力較高,對(duì)系統(tǒng)的承壓性能提出了更高的要求,在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)須要采取適當(dāng)?shù)姆椒刂谱罡邏毫?以保證系統(tǒng)的安全性。考慮到系統(tǒng)的可靠性,R32系統(tǒng)的最高出水溫度建議為55℃。2)通過(guò)理論循環(huán)計(jì)算分析,R32系統(tǒng)具有較低的壓縮比,較高的COP以及很好的容積制熱量,適合用于空氣源熱泵熱水器;但是,R32系統(tǒng)的排氣溫度較高,須要通過(guò)制冷劑噴液等方法降低排氣溫度,以保證壓縮機(jī)的可靠性。3)R32制冷劑經(jīng)過(guò)合理的系統(tǒng)匹配后可以用于空氣源熱泵熱水器,并得到較高的COP。在當(dāng)前節(jié)能減排的大環(huán)境下,可以考慮推廣使用R32。同時(shí),考慮到空氣源熱泵熱水器能效限定值國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)在制定中,隨著該標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施,可能會(huì)推動(dòng)這種有利于提高系統(tǒng)COP