煙氣余熱回收高溫電動熱泵混合工質(zhì)性能研究

孫 健， 馬世財， 霍 成， 韓林俊， 戈志華， 周少祥， 楊勇平

(1.華北電力大學(xué) 能源動力與機(jī)械工程學(xué)院，北京 102206； 2.無錫同方人工環(huán)境有限公司，江蘇 無錫 214101)

0 引 言

近年來，隨著“煤改氣”等清潔供暖項目的推進(jìn)，天然氣的消耗量急劇增加，而我國天然氣的儲量遠(yuǎn)小于煤炭，且能源使用成本較高。天然氣燃燒產(chǎn)生含有較多水蒸氣的煙氣，煙氣余熱中水蒸氣包含熱量較高且大都未被利用。如果將這部分熱量回收，不僅能從外觀上實現(xiàn)“消白”的目的，更能大大提高天然氣的利用效率。天然氣煙氣中水蒸氣冷凝溫度一般在55 ℃左右，當(dāng)用于集中供熱時往往需要較高的制熱溫度，因此該背景下采用電動熱泵回收天然氣余熱會出現(xiàn)“大溫升”和“高冷凝”的特點[1]，同時該工況下煙氣側(cè)和熱水側(cè)的進(jìn)出口溫差較大，而采用非共沸工質(zhì)的溫度滑移特性可顯著降低蒸發(fā)和冷凝換熱過程的不可以損失而提高熱泵性能[2]。

國內(nèi)外學(xué)者針對高溫?zé)岜玫难h(huán)工質(zhì)性能研究開展了相關(guān)研究工作。Yoshida 等對4種純工質(zhì)和混合工質(zhì)進(jìn)行了理論分析和實驗研究，發(fā)現(xiàn) R22/R142b 的混合工質(zhì)具有較高的熱容量，可用作高溫?zé)岜玫难h(huán)工質(zhì)[3]。莊緒成等利用螺桿式高溫?zé)岜脤嶒炁_,以混合工質(zhì) R134a/R245fa (質(zhì)量比3∶7)和純工質(zhì)R245fa為研究對象,實驗研究分析了兩種工質(zhì)在高溫工況下的循環(huán)性能[4]。劉瑤瑤等[5]介紹了自然工質(zhì)、氯氟烴(CFCs)、氫氯氟烴(HCFCs)、氫氟烴(HFCs)、氫氟烯烴(HFOs)、氫氯氟烯烴(HCFOs)、氫氟醚(HFEs)及混合工質(zhì)中適用于高溫?zé)岜玫墓べ|(zhì)。西安交通大學(xué)的研究中，使 R245fa 分別與 R134a、R152a、RC270 三種工質(zhì)混合，發(fā)現(xiàn)在相同工況下，R245fa/RC270(0.88/0.12)時 COP 最高為 5.15[6]。何永寧等人對比了 R1234ze、R134a、R124、R142b 等工質(zhì)的物理化學(xué)性質(zhì)等，發(fā)現(xiàn) R1234ze 在排氣溫度、冷凝壓力和 COP 等在系統(tǒng)中運行參數(shù)良好，且 GWP 值較低，可在中高溫?zé)岜弥惺褂肹7]。張志巍在對 R32/R1234ze 的研究中，將數(shù)學(xué)模型、REFPROP參數(shù)與實驗中的三個方面的數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析比較，并以 R410a 為基準(zhǔn)進(jìn)行了相對循環(huán)性能的比較[8]。計算單工質(zhì) R124、R152a、R245fa 和混合工質(zhì) R152a/R124、R152a/R245fa 的理論循環(huán)性能,并進(jìn)行了實驗對比[9]。

天然氣煙氣中水蒸氣的露點溫度在55 ℃左右，為充分回收煙氣熱量，將煙氣溫度降至55 ℃以下，選取蒸發(fā)側(cè)蒸發(fā)溫度為40～50 ℃。同時考慮煙氣余熱量占燃?xì)忮仩t供熱量比例，所以選取冷凝側(cè)冷凝溫度為70～80 ℃。在上述循環(huán)工況下，對非共沸工質(zhì)的COP、冷凝壓力、單位容積制熱量、排氣溫度和增壓比進(jìn)行分析對比，篩選出循環(huán)性能最優(yōu)的工質(zhì)組合，進(jìn)而為實際應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。

1 電動熱泵理論循環(huán)模型

1.1 理論循環(huán)介紹

熱泵循環(huán)流程圖如圖1所示，其對應(yīng)的理論循環(huán)T-S圖如圖2所示。

制冷劑的內(nèi)部循環(huán)過程為[10]：低溫液態(tài)制冷劑在蒸發(fā)器內(nèi)吸熱氣化為低溫氣態(tài)，氣化后的低壓冷劑蒸氣進(jìn)入壓縮機(jī)被壓縮為高溫高壓狀態(tài)，然后進(jìn)入冷凝器冷卻冷凝放熱為高壓液態(tài)，再進(jìn)入節(jié)流裝置節(jié)流降壓為低溫低壓的液態(tài)，接著再進(jìn)入蒸發(fā)器進(jìn)行下一個循環(huán)。工質(zhì)通過在蒸發(fā)器吸收余熱熱水的熱量，而使余熱熱水的溫度降低，且通過在冷凝器放熱來獲得較高溫度的高溫?zé)崴?。圖中c～d為獲得高溫?zé)崴倪^程，a～b為余熱熱源在蒸發(fā)器放熱過程。由于換熱過程工質(zhì)顯熱遠(yuǎn)小于相變潛熱，故水側(cè)溫度變化在不同位置斜率不同[11]。

1.2 熱力學(xué)建模

本文采用EES(Engineering Equation Solver)和REFPROP軟件對系統(tǒng)進(jìn)行熱力學(xué)建模。蒸汽壓縮式熱泵的循環(huán)過程包括壓縮、冷凝、節(jié)流膨脹和蒸發(fā)，在熱力學(xué)建模時對這4個基本過程做以下假設(shè)：

(1)工質(zhì)的冷凝和蒸發(fā)為定壓過程[12]；

(2)節(jié)流前后工質(zhì)的焓值不變[13]；

(3)忽略不同工況下壓縮機(jī)性能的變化和潤滑油對不同工質(zhì)傳熱特性的影響[14]；

(4)壓縮機(jī)的電機(jī)效率、機(jī)械效率和熱效率分別取ηm=0.85，ηmech=0.85，ηt=0.91[15]；

(5)蒸發(fā)器冷凝器中最小換熱端差取3 ℃，過熱過冷度取5 ℃[16]。

在蒸發(fā)器中工質(zhì)吸收的熱量為

Qe=cpms(ts1-ts2)=mr(h3-h1)

(1)

式中:Qe為蒸發(fā)器中工質(zhì)吸收的熱量，kW；cp為水的定壓熱容，kJ/(kg·K)；ms為低溫余熱水質(zhì)量流量，kg/s；ts1為低溫余熱進(jìn)口溫度，℃；ts2為低溫余熱出口溫度，℃；mr制冷劑質(zhì)量流量，kg/s；h3為制冷劑過熱態(tài)的焓值，kJ/kg；h1為制冷劑節(jié)流出口的焓值，kJ/kg。

蒸發(fā)溫度為

(2)

式中：te為蒸發(fā)溫度，℃；t1為制冷劑節(jié)流出口的溫度，℃；t2為制冷劑蒸發(fā)器出口飽和氣態(tài)的溫度，℃。

冷凝器中工質(zhì)放出的熱量為

Qc=cpmw(tw2-tw1)=mr(h4-h8)

(3)

式中：Qc為制冷劑放熱量，kW；mw為高溫?zé)崴|(zhì)量流量，kg/s；tw2為高溫?zé)崴隹跍囟?，℃；tw1為高溫?zé)崴M(jìn)口溫度，℃；h4為制冷劑壓縮機(jī)出口過熱態(tài)的焓值，kJ/kg；h8為制冷劑冷凝器出口過冷態(tài)的焓值，kJ/kg。

冷凝溫度為

(4)

式中：tc為冷凝溫度，℃；t6為制冷劑進(jìn)入冷凝器飽和氣態(tài)的溫度，℃；t7為制冷劑在冷凝器出口飽和液態(tài)的溫度，℃。

壓縮機(jī)的做功量為

W=mr(h4-h3)

(5)

式中：W為壓縮機(jī)耗功，kW；h4為制冷劑壓縮機(jī)出口過熱態(tài)的焓值，kJ/kg；h3為制冷劑過熱態(tài)的焓值，kJ/kg。

節(jié)流裝置節(jié)流前后焓值不變：

h1=h8

(6)

式中：h1為制冷劑節(jié)流出口的焓值，kJ/kg；h8為制冷劑冷凝器出口過冷態(tài)的焓值，kJ/kg。

系統(tǒng)的單位容積制熱量為

(7)

式中：qv為單位容積制熱量，kJ/m3；v3為蒸發(fā)器出口制冷劑蒸汽比體積，m3/kg。

壓縮機(jī)壓比為

(8)

式中：ep為壓縮機(jī)壓比；Pc為冷凝壓力，kPa；Pe為蒸發(fā)壓力，kPa。

系統(tǒng)的循環(huán)性能系數(shù)為

(9)

式中：COP為系統(tǒng)循環(huán)性能系數(shù)。

2 混合工質(zhì)循環(huán)性能分析

按冷凝溫度和蒸發(fā)溫度溫差范圍內(nèi)高溫段和低溫段適配工質(zhì)進(jìn)行組合的原則選取了R134a+R245fa、R124+R245fa、R227ea+R142b、R134a+R142b、R124+R152a和R227ea+R152a六種混合工質(zhì)。同時為了得到混合工質(zhì)的較佳配比，取蒸發(fā)溫度為45 ℃，冷凝溫度為75 ℃和80 ℃兩組工況進(jìn)行分析。

如圖3所示，有R245fa參與的兩組混合工質(zhì)COP較高，其中R134a+R245fa在摩爾分?jǐn)?shù)為0.4時，COP高達(dá)8.23，當(dāng)摩爾分?jǐn)?shù)大于0.4時，COP值雖逐漸減小，但與其它工質(zhì)相比仍具有明顯優(yōu)勢。R124+R245fa的COP在最佳配比下較R134a+R245fa低1.98，且隨摩爾分?jǐn)?shù)變化幅度不大。R134a+R142b的COP雖低于上述兩種工質(zhì)，但在摩爾分?jǐn)?shù)小于0.7范圍內(nèi)仍高于其余三種工質(zhì)，當(dāng)摩爾分?jǐn)?shù)大于0.7時，隨著其COP的降低而逐漸低于R124+R152a。R124+R152a的COP是幾種工質(zhì)中隨摩爾分?jǐn)?shù)變化最平緩的，基本維持在5.25上下波動。R227ea+R142b和R227ea+R152a的COP變化趨勢最為接近，均隨摩爾分?jǐn)?shù)增加而緩慢減小，且兩者之間的差值逐漸變小。除R227ea+R152a和R124+R152a的冷凝壓力隨摩爾分?jǐn)?shù)增加而減小外，其余4種混合工質(zhì)均呈上升趨勢。R134a+R245fa的冷凝壓力在摩爾分?jǐn)?shù)小于0.4范圍內(nèi)上升趨勢與R124+R245fa相近，隨著摩爾分?jǐn)?shù)的增加其變化幅度變大，與R124+R245fa的差值隨之升高。R124+R245fa組合是該工況各混合工質(zhì)不同組分配比下冷凝壓力最小的，有R152a參與的兩種混合工質(zhì)的冷凝壓力較大。各種混合工質(zhì)的冷凝壓力均在2.5 MPa以內(nèi)，滿足壓縮機(jī)正常工作的承壓范圍。純工質(zhì)R134a在該工況下COP為4.76，冷凝壓力為2.6 MPa，相比混合工質(zhì)均表現(xiàn)出明顯性能劣勢。

綜上所述，R134a+R245fa的COP是各摩爾分?jǐn)?shù)下最高的，當(dāng)摩爾分?jǐn)?shù)為0.4時取得該工況下最大值8.15。其次是R124+R245fa，在摩爾分?jǐn)?shù)為0.3時取得該工況下最大值6.27。R124+R245fa的冷凝壓力是各摩爾分?jǐn)?shù)下最低的，R134a+R245fa在摩爾分?jǐn)?shù)小于0.65范圍內(nèi)僅次于R124+R245fa。

如圖4所示，R124+R152a和R227ea+R152a的單位容積制熱量隨摩爾分?jǐn)?shù)增加而近似直線減小，當(dāng)摩爾分?jǐn)?shù)小于0.4時，單位容積制熱量高于其余4種工質(zhì)，但同時在此范圍內(nèi)排氣溫度也較高。當(dāng)摩爾分?jǐn)?shù)大于0.5時，由于R134a+R142b和R134a+R245fa的單位容積制熱量快速升高，從而超過R124+R152a和R227ea+R152a成為單位容積制熱量最高的兩種工質(zhì)，且摩爾分?jǐn)?shù)越高兩者的優(yōu)勢越大。R134a+R142b的排氣溫度受摩爾分?jǐn)?shù)影響較小，R134a+R245fa的排氣溫度隨摩爾分?jǐn)?shù)升高幅度相對較大，摩爾分?jǐn)?shù)較低時其排氣溫度也較低。R227ea+R142b的單位容積制熱量隨摩爾分?jǐn)?shù)變化維持在4 000 kJ/m3上下，其排氣溫度隨摩爾分?jǐn)?shù)升高呈現(xiàn)先快后慢的降低趨勢，在摩爾分?jǐn)?shù)大于0.6范圍內(nèi)，排氣溫度可降至80 ℃以內(nèi)。R124+R245fa的排氣溫度隨摩爾分?jǐn)?shù)增加從82 ℃升至84 ℃，其單位容積制熱量是幾種工質(zhì)在該工況任一摩爾分?jǐn)?shù)下最低的。R124+R245fa、R134a+R142b及R134a+R245fa的增壓比隨摩爾分?jǐn)?shù)升高呈現(xiàn)先減后增的趨勢變化。其中R134a+R245fa的變化幅度最大，在摩爾分?jǐn)?shù)為0.5時取得最小值2.0。R134a+R142b在摩爾分?jǐn)?shù)為0.4時取得最小值2.28，在摩爾分?jǐn)?shù)小于0.3范圍內(nèi)，R124+R245fa的增壓比由2.66降至2.42。隨著摩爾分?jǐn)?shù)升高，R124+R245fa的增壓比與R227ea+R142b、R124+R152a及R227ea+R152a三種工質(zhì)均維持在2.4左右。純工質(zhì)R134a的增壓比為2.4，單位容積制熱量較幾種混合工質(zhì)有優(yōu)勢，但其排氣溫度為較高的90.5 ℃，高于幾種混合工質(zhì)的最低排氣溫度。

綜上所述，R134a+R245fa在摩爾分?jǐn)?shù)為0.4～0.6范圍內(nèi)單位容積制熱量、排氣溫度及增壓比性能均較優(yōu)，其中在摩爾分?jǐn)?shù)為0.5時增壓比取得最小值2.0。

綜合以上對各循環(huán)參數(shù)隨摩爾分?jǐn)?shù)變化規(guī)律的分析，優(yōu)選出R134a+R245fa在混合比為0.4/0.6時為該工況下最佳組合。

如圖5、圖6所示，當(dāng)冷凝溫度為80 ℃時，隨著溫升的增大，雖然相應(yīng)循環(huán)參數(shù)數(shù)值有所變化，但各混合工質(zhì)的循環(huán)性能參數(shù)隨摩爾分?jǐn)?shù)的變化趨勢與冷凝溫度為75 ℃時較為一致，所以R134a+R245fa(0.4/0.6)在變工況時仍呈現(xiàn)比較好的性能。

圖4 冷凝溫度為75 ℃時循環(huán)性能參數(shù)隨摩爾分?jǐn)?shù)變化規(guī)律Fig.4 Variation of cycle performance parameters with mole fraction at condensation temperature of 75 ℃

圖5 冷凝溫度為80 ℃時循環(huán)COP與冷凝壓力隨摩爾分?jǐn)?shù)變化規(guī)律Fig.5 Variation of COP and condensation pressure with mole fraction at condensation temperature of 80 ℃

圖6 冷凝溫度為80 ℃時循環(huán)性能參數(shù)隨摩爾分?jǐn)?shù)變化規(guī)律Fig.6 Variation of cycle performance parameters with mole fraction at condensation temperature of 80 ℃

3 結(jié) 論

針對天然氣煙氣余熱回收供熱領(lǐng)域，該研究采用非共沸工質(zhì)電動熱泵滿足“大溫差”和“高冷凝”的換熱需求，首先建立了非共沸工質(zhì)電動熱泵數(shù)學(xué)模型，并對R134a+R245fa、R124+R245fa、R227ea+R142b、R134a+R142b、R124+R152a和R227ea+R152a六種混合工質(zhì)進(jìn)行了理論研究，通過分析各自的COP、冷凝壓力、單位容積制熱量、排氣溫度和增壓比，發(fā)現(xiàn)R134a+R245fa的COP和單位容積制熱量較其它工質(zhì)有顯著優(yōu)勢，相應(yīng)的冷凝壓力和排氣溫度也較其它工質(zhì)低，所以推薦R134a+R245fa(0.4/0.6)為該工況下的較佳混合工質(zhì)。