６２ ＦＬＵＩＤ ＭＡＣＨＩＮＥＲＹ Ｖｏ１．４２，Ｎｏ．３，２０１４ 文章编号：１００５—０３２９（２０１４）０３—００６２—０５
制冷剂Ｒ１２３４ｚｅ在高温热泵中应用的对比研究 何永宁，夏源，金磊，杨东方，曹锋 （西安交通大学，陕西西安７１００４９）
摘要： 对比了Ｒ１２３４ｚｅ、Ｒ１３４ａ、Ｒ１２４、Ｒ１４２ｂ等工质的热物理性质，分析了几种：［质在高温热泵应用中相同工况下的 压比、ＣＯＰ、压缩机排气量、排气温度等性能参数，论述了Ｒ１２３４ｚｅ用作高温热泵工质的可行性及Ｒ１２３４ｚｅ高温热泵机组 的特性。结果表明Ｒ１２３４ｚｅ在高温热泵７５～９５℃工作区间内，具有系统制热ＣＯＰ高、压比适中、压缩机排气温度低等特 点。同时，其良好的热物性、较低的ＧＷＰ值决定了其可以应用于高温热泵中。 关键词： Ｒ１２３４ｚｅ；制冷工质；蒸汽压缩式制冷循环；高温热泵 中图分类号：ＴＨ１２；ＴＢ６１ 文献标志码： Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００５—０３２９．２０１４．０３．０１４
Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ｏｎ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｒｅｆｒｉｇｅｒａｎｔ Ｒ１ ２３４ｚｅ ｉｎ Ｈｉｇｈ－ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｈｅａｔ Ｐｕｍｐ ＨＥ Ｙｏｎｇ—ｎｉｎｇ，ＸＩＡ Ｙｕａｎ，ＪＩＮ Ｌｅｉ，ＹＡＮＧ Ｄｏｎｇ·ｆａｎｇ，ＣＡ０ Ｆｅｎｇ （ｘｉＡｎ Ｊｉａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，ｘｉ ７１００４９，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｏｒ ｖｅｒｉｆｙ ｐｏｓｓｉｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ａｐｐｌｙｉｎｇ Ｒ１２３４ｚｅ ｉｎ ｈｉｇｈ—ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｈｅａｔ ｐｕｍｐ，ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌ ｐｈｙｓｉｃａｌ ａｎｄ ｔｈｅｒｍｏｄｙｎａｍｉｃ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ Ｒ１２３４ｚｅ，Ｒ１２４，Ｒ１３４ａ ａｎｄ Ｒ１４２ｂ ｗｅｒｅ ｌｉｓｔｅｄ ａｎｄ ｃｏｍｐａｒｅｄ．Ｍｅａｎｗｈｉｌｅ，ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｒｅｆｒｉｇｅｒａｎｔｓ，ｍａｉｎ ｓｙｓｔｅｍ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｈｉｇｈ－ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｈｅａｔ ｐｕｍｐ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ＣＯＰ，ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｒａｔｉｏ，ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ ｖｏｌｕｍｅ，ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ｈｅａｔ ｅｘｃｈａｎｇｅ ａｒｅａｓ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｈｅａｔ ｙｉｅｌｄｓ，ｗｅｒｅ ｃｏｍｐａｒｅｄ．Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ Ｒ１２３４ｚｅ ｈｉｇｈ—ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｈｅａｔ ｐｕｍｐ ｓｙｓｔｅｍ ｗｅｒｅ ａｌｓｏ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎｄｉｃａｔｅｄ ｔｈａｔ ｉｎ ｃｏｎｄｅｎｓｉｎｇ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｒａｎｇｅ ｏｆ ７５～９５￣Ｃ，ｈｉｇｈ—ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｈｅａｔ ｐｕｍｐ ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ Ｒ１２３４ｚｅ ｈａｓ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｏｎ ｗｈｉｃｈ ｉｎｃｌｕｄｅ ｈｉｇｈ ｈｅａｔｉｎｇ ＣＯＰ，ｌｏｗ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ｍｅｄｉｕｍ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｒａｔｉｏ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： Ｒ１２３４ｚｅ；ｖａｐｏｒ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ ｃｙｃｌｅ；ｈｉｇｈ—ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｈｅａｔ ｐｕｍｐ
１高温热泵技术 以温度在３Ｏ～５０℃的工业废水作为热源，高 温水源热泵能够提供７５～９５℃的热水，可直接应 用于供暖和工业余热回收。高温热泵因其较高的 出水温度，在油田原油加热集输、化工、城市热水 余热回收、木材干燥等场合有广泛的应用。 高温水源热泵技术与常规热泵相比，具有其 自身的特点：较高的冷凝温度和冷凝压力，较高的 压缩比和排气温度等。热泵工质的性质在一定程 度上决定着系统整体的工作性能，在蒸汽压缩式 热泵系统中，目前常用工质主要有ＣＯ，、Ｒ１３４ａ、 Ｒ１２４、Ｒ１４２ｂ等纯质工质及非共沸及近共沸混合 工质，如Ｒ４０４Ａ等。 自然工质如ＣＯ 属环境友好型制冷剂，但运 收稿日期：２０１３—０５—０８修稿日期：２０１３—１２—３１ 行压力高，对系统部件耐压要求较高；Ｒ１２４、 Ｒ１４２ｂ等ＨＣＦＣ类工质可以在高温热泵中应用， 但根据蒙特利尔议定书的要求，该类制冷剂将逐 步减少产量直至淘汰，使其在高温热泵领域内的 持续应用受到限制。寻求环境友好、热力性质稳 定、系统性能良好的高温工质，是日前高温水源热 泵研究的一个重要内容，对推进节能型社会的发 展具有积极意义。
２ Ｒ１２３４ｚｅ介绍 ｌ，３，３，３一四氟丙烯（Ｒ１２３４ｚｅ）是由霍尼韦尔和杜 邦公司推出的制冷剂，其分子式为ＣＦ３ＣＨ＝ＣＨＦ，分 子量为１１４，无毒性，不可燃，ＯＤＰ值为０，ＧＷＰ值为 ６，大气停留时间为ｌｌ天，化学性质稳定。 ２０１４年第４２卷第３期 流体机械 ６３ 在国内针对Ｒ１２３４ｚｅ的研究中，不少学者详 细介绍了该制冷工质的热物理性质、合成研究进 展、与现有制冷系统所用材料的相容性及其在制 冷领域的应用等 。汪训昌介绍了Ｒ１２３４ｚｅ热 物性的相关测试方法，给出了制冷剂参数的测试 结果，并分析了该测试所得数据与其他文献数据 存在差异的原因 Ｊ。Ｂｒｏｗｎ等在详细研究 Ｒ１２３４ｚｅ的基础上，提供了Ｒ１２３４ｚｅ的临界压力、 临界温度、密度、偏心因子等参数及工质的传热特 性，对比Ｒ１２３４ｚｅ与Ｒ１ｌ４的系统循环性能后提 出可将Ｒ１２３４ｚｅ作为Ｒ１ｌ４的替代物 １０１。Ａｋａｓａ． ｋａ基于有效实验数据提出了一个Ｒ１２３４ｚｅ的热 物性模型，利用该模型可准确计算Ｒ１２３４ｚｅ的蒸 汽压力、饱和液体密度、等压热容等物性参数，并 提供了由该模型计算得到的Ｒ１２３４ｚｅ热物性图 表… 。Ｇｒａｕｓｏ研究了相同工况下Ｒ１２３４ｚｅ与 Ｒ１３４ａ在蒸发过程中的流动模型、换热及压降情 况，结果显示Ｒ１２３４ｚｅ可在多个应用场合作为 Ｒ１３４ａ的替代品 １２］。Ｐａｒｋ等采用实验手段对比 了相同工况下制冷剂Ｒ１２３４ｚｅ与Ｒ１３４ａ、Ｒ２３６ｆａ 在垂直微通道内的冷凝传热性能，结果表明 Ｒ１２３４ｅ的放热性能与Ｒ２３６￣相当，比Ｒ１３４ａ低 约１５—２５％ １３ ３。Ｈｏｓｓａｉｎ等研究了Ｒ】２３４ｚｅ、Ｒ３２ 与Ｒ１２３４ｚｅ的混合物、Ｒ３２和Ｒ４１０Ａ在水平光管 中的传热性能，实验指出在４０￣Ｃ的饱和温度下， Ｒ１２３４ｚｅ的传热性能比Ｒ３２低２０％～４５％，比 Ｒ４１０Ａ高１０％～３０％ １４］。目前国内外关于 Ｒ１２３４ｚｅ的研究，主要集中于Ｒ１２３４ｚｅ热物理性 质及其在不同尺度管内流动换热性能的研究，有 部分文献介绍了其在制冷循环中的应用，但以 Ｒ１２３４ｚｅ作为高温水源热泵工质的应用研究尚未 展开。 基于Ｒ１２３４ｚｅ热物性参数，本文对其在高温 热泵系统中应用的性能进行了计算。通过与目前 常用热泵工质的对比分析，探讨了将Ｒ１２３４ｚｅ用 于高温热泵的可行性。同时基于高温水源热泵系 统运行中出现的问题，以Ｒ１２３４ｚｅ为热泵工质的 前提下，介绍了对压缩机和热泵机组的改进情况。 ３ Ｒ１２３４ｚｅ与高温热泵工质的对比 ３．１基本物性对比 ３．１．１基本性质 Ｒ１２３４ｚｅ基本性质与目前常用高温热泵工质 对比如表１所示，对比工质均为纯质。Ｒ１２３４ｚｅ临 界温度１０９．４℃，高于Ｒ１３４ａ的临界温度；临界压力 ３．６３２ＭＰａ，与Ｒ１２４、Ｒ２４５ 相当，低于Ｒ１３４ａ的临 界压力；其存在顺反异构体ｚ型与Ｅ型，标准沸点 ｚ型为一１９￣Ｃ，Ｅ型为９￣Ｃ，可满足高温热泵系统较 高蒸发温度的使用要求；安全等级为Ａ１，属低毒 性，不可燃；相比具有１４年大气寿命的Ｒ１３４ａ， Ｒ１２３４ｚｅ大气寿命约１１天，对环境影响很小；ＯＤＰ 值为０，ＧＷＰ值仅为６，远小于其他几种常用工质， 在环境保护方面具有极大的优势。 表１ 工质基本性质 工质 Ｒ１２３４ｚｅ Ｒｌ２４ Ｒ１３４ａ Ｒｌ４２ｂ Ｒ１５２ａ Ｒ２４５ｆａ 临界温度 １Ｏ９．４ １２２．２７ １０１．０６ １３７．１ １１３．２６ ｌ５４．１ （℃）
临界压力 ３．６３２ ３．６２４ ４．０５９ ４．Ｏ６ ４．５１７ ３．６５１ （ＭＰａ）
标准沸点 —１９／９ 一ｌ】．９６ —２６．０７ —９．３ —２４．０２ １５．１４ （℃）
相对 １１４ ｌ３６．４８ ｌ０２．０３ １００．４８ ６６．Ｏ５ １３４ 分子量
安全等级 Ａ１ Ａ１ Ａ１ Ａ２ Ａ２ Ｂ１ 大气寿命 ＜１ ６０１ １４ ｌ９ １．５ ８．４ （年）
ＯＤＰ ０ ０．０２ ０ ０．０７ ０ ０ ＧＷＰ ６ ６０９ １４３０ ２３１０ １２４ ９５０
３．１．２工质饱和压力 冷凝温度较高时采用较低饱和压力工质对压 缩机及系统部件的耐压要求较低，有利于扩展热 泵机组部件选型的范围，同时降低机组因耐压需 求而额外增加的成本。图１给出了不同工质饱和 压力在相应冷凝温度下的数值比较。
图ｌ 工质饱和压力随冷凝温度变化曲线 在冷凝温度区间７０～９５℃内，Ｒ１２３４ｚｅ饱和 压力高于同温度下Ｒ１２４、Ｒ１４２ｂ及Ｒ２４５￣的压 力，低于同温度下的Ｒ１３４ａ、Ｒ１５２ａ的压力。在冷 凝温度为１００￣Ｃ时，Ｒ１２３４ｚｅ饱和压力为３ＭＰａ，大 于Ｒ１２４的２．３７７ＭＰａ，小于Ｒ１３４ａ的３．９７５ＭＰａ。 在常用的几种热泵工质中，Ｒ１２３４ｚｅ的饱和压力 ＦＬＵＩＤ ＭＡＣＨＩＮＥＲＹ Ｖｏ１．４２，Ｎｏ．３，２０１４ 居中，其在高温水源热泵应用中，对系统部件无耐 压方面的特殊要求。 ３．１．３单位压降引起的蒸发温度变化 单位压降引起蒸发温度的变化表征了工质在 蒸发器中因流动阻力造成的压降对蒸发温度的影 响程度。表２给出了不同热泵工质在３５￣Ｃ蒸发 温度饱和蒸汽压力下，单位压降（０．１ＭＰａ）引起的 蒸发温度的变化情况。Ｒ１２３４ｚｅ单位压降造成的 蒸发温度变化为５．６７℃，略高于Ｒ１３４ａ、Ｒ１５２ａ， 远低于Ｒ１２４、Ｒ１４２ｂ。蒸发过程中，Ｒ１２３４ｚｅ单位 压降所造成的蒸发温度变化值较小，该特性有利 于系统取得更高的系统能效比。 表２单位压降对应蒸发温度的变化 工质 Ｒ１２３４ｚｅ Ｒ１２４ Ｒ１３４ａ Ｒ１４２ｂ Ｒ１５２ａ Ｒ２４５ ３５℃饱和 ０．６６９ ０．５１６ ０．８８８ ０．４５３ ０．７９５ ０．２ｌ１ 压力（ＭＰａ） 单位压降 ０．５６９ ０．４ｌ６ ０．７８８ ０．３５３ ０．６９５ ０．１１１ 后压力（ＭＰａ） 单位压降 ２９．３３ ２７．６８ ３０．７５ ２６．５９ ３０．２１ １７．４８ 后温度（ｏＣ） 温差（ｏＣ） ５．６７ ７．３２ ４．２５ ８．４１ ４．７９ １７．５２ 注：数据来嫁为Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｅｑｕａｔｉｏｎ Ｓｏｌｖｅｒ，Ａｃａｄｅｍｉｃ Ｐｒｏｆｅｓｓｉｏｎａｌ Ｖ９． ２０６—３Ｄ。 ３．１．４与润滑油互溶性 将质量百分比为５％、２０％、５０％的矿物油 （Ｃ３）、烷基苯、聚烯醇油、改性聚烯醇油、乙烯醚 油、聚亚烷基二醇（ＰＡＧ）、多元醇脂（ＰＯＥ）等常见 润滑油分别与Ｒ１２３４ｚｅ混合，在环境温度一５０～ ７０℃范围内观察，结果全部为均相。实验结果表明 Ｒ１２３４ｚｅ与常用润滑油具有良好的互溶性…。 ３．２系统性能对比 为分析Ｒ１２３４ｚｅ在高温热泵系统中应用的可 行性，同时对比常用热泵工质在高温热泵应用中 的性能，高温热泵系统参数设定如下：蒸发温度为 ３５℃，过热度和过冷度为５￣Ｃ，等熵效率为０．７２。 模拟计算中，冷凝温度从６５℃每间隔５℃到 ＩＯ０￣Ｃ，共取８个工况点参与性能对比。主要对比 参数有相同运行工况下系统制热ＣＯＰ、单位容积 制热量、压缩比、压缩机排气温度等。 ３．２．１制热ＣＯＰ对比 图２示出了热泵系统制热ＣＯＰ随冷凝温度 的变化曲线。从图中可以看出，在采用不同工质 时，系统制热ＣＯＰ随冷凝温度的升高呈现出相同 的变化趋势，随冷凝温度的升高而降低。以采用 Ｒ１２３４ｚｅ为例，在７５～９５℃冷凝温度区间内，系统 制热ＣＯＰ由４．８降至２．９４，尤其在冷凝温度为 ９５℃时，采用Ｒ１２３４ｚｅ时系统制热ＣＯＰ值为 ２．９４，高于相同冷凝温度下采用Ｒ１３４ａ时的系统 制热ＣＯＰ值２．８８。文献［１６］给出的关于Ｒ１３４ａ 在高温热泵系统应用实际的运行参数与本计算一 致，但是采用Ｒ１２３４ｚｅ时对系统参数的影响并没 有给出