R600a混合制冷剂应用于大型空气源热泵的性能研究

R600a混合制冷剂应用于大型空气源热泵的性能研究 R600a混合制冷剂应用于大型空气源热泵 的性能研究 第10卷第2期 2010年4月 制冷与空调 REFR1GERATIONANDAIR—CONDITIONING62—67 R134a/R600a混合制冷剂应用于大型 空气源热泵的性能研究 倪灏 (江森自控楼宇设备科技(无锡)有限公司) 摘要R134a作为当前主要的R22替代制冷剂,在应用于空气源冷水(热泵)机组,尤其是在热泵运行时 会出现能效降低,容易结霜等问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 .本研究尝试在R134a的大型螺杆式空气源热泵机组中混合少量R600a 来改善机组性能.通过对混合制冷剂物性计算,理论循环性能计算和机组试验,表明添加R600a后的混合 制冷剂能显着改善热泵机组的运行性能,并有效提高机组运行可靠性.同时,虽然R600a具有可燃性,但是 对于运行时置于室外,介质为水且添加比例不高的空气源热泵机组,这是一个简单,安全,可行的改进 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 . 关键词空气源热泵;螺杆式热泵;异丁烷(R600a);近共沸制冷剂;R134a;R22;结霜 PerformancestudiesonR134a/R600arefrigerantsappliedto largescaleairsourceheatpump NiHao (JohnsonControlsBuildingEfficiencyTechnology(Wuxi)Co.,Itd.) ABSTRACTCurrently,R134aiSstillthemainsubstituteforR22.However,inthecase ofairsourceheatpumpsapplication,theperformancewouldbesignificantdeteriorated andseriousfrosting.ThisresearchintendstOimprovetheheatpumpperformanceofthe largetonnagescrewchiller(heatpump)bysimplymixingasmallamountofR600ainto R134a.Afterthepropertycalculation,performancepredictandtesting,provesthatmix, ingR600amaysignificantimprovetheperformanceandreliabilityofheatingapplication, andmoreover,althoughR600aiSflammable,butforthoseoutdoorinstalled,watermedia units(airsourcewaterheatpump),plusnotmuchmixingrate,SOitisasimple,applica, bleandsafetysolution. KEYWORDSairsourceheatpump;screwheatpump;isobutane(R60Oa);near—azeotropic refrigerant;R134a;R22;frost 采用R134a替代R22应用于大型螺杆式空气 源热泵机组显着的缺点是,在热泵工况下压比大, 能效低,盘管上容易结霜.90年代初,HCs(碳氢 类化合物)在添加了一定的阻燃剂后作为制冷剂 被引入制冷行业.例如,异丁烷(R600a)等具有很 好的热物理特性,ODP值为零,GWP值也较低, 同时R600a与大多数润滑油都具有较高的溶解 性[2].当前,德国90的冷藏箱和冷冻箱采用 HCs作为制冷剂,而在全欧洲新生产的家用电冰 收稿日期:2009—12,03 通信作者:倪灏,Email:nick.nee@jci.coin 箱中有25%的制冷剂为HCs制冷剂].国内外 关于R600a和R134a的混合制冷剂在冰箱上的应 用已经有了一些研究成果L3].但是在空调产品的 应用,尤其是大型机组如螺杆式空气源热泵机组 还未见类似的研究. 笔者将研究在R134a中添加R600a所形成的 混合制冷剂在热泵机组应用的可行性.因为 R134a和R600a的混合比约在80/20时可形 成热物理性能良好的近共沸制冷剂,并能够显着 第2期倪灏:R134a/R600a混合制冷剂应用于大型空气源热泵的性能研究 改善机组在采用R134a制冷剂时在热泵工况下的 性能. 1混合制冷剂物性计算 大型风冷热泵机组较一般空调的制冷工况更 恶劣,常用的蒸发饱和温度一般为一10,0?,冷 凝饱和温度5O,60?.通过REFPROP7.0对 0?和5O?这2点饱和温度进行组分物性特征分 析,结果如下: 1)在压力为0.355MPa时,即饱和温度为 0?时,X(R134a的质量分数)=0.8时,露点温 度也最低,且温度的滑移值为0.01?.露点线和 泡点线几乎重合,如图1所示. p ,, 赠 ' 图10.355MPa(对应饱和温度约0?)等压相图 2)在压力为1.46MPa时,即饱和温度为5O? 时,Xl=0.85时,露点温度最低,此时温度的滑移值 为O.05?,但是在X=0.80时,温度的滑移值为 0.15?,虽然不是最低点,但也是非常小的,如图2 所示. p ,, 赠 1 图21.46MPa(对应饱和温度约5O?)等压相图 从混合物物性的特性可以看出,在空气源热泵 机组常用的0,5O?工作范围内,当R134a和 R600a混合的质量分数约为80Vo/209/6时,完全可以 认为是近共沸制冷剂.同时,R134a组分比例在 8OVoo,90之间,温度滑移很小,可认为是近共沸制 冷剂.但是当R600a组分进一步增大,超过20 后,温度滑移显着加大,就不再是近共沸制冷剂了. 2循环性能理论计算 循环性能理论计算工况按照较接近空气源热 泵机组 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 工况的状态选取:冷凝温度50?,蒸 发温度0?,吸气过热度5?,冷凝器过冷度5?. 同时,假设压缩过程是理想等熵过程,吸气管路压 力降假设为50kPa.图3所示为利用REFPROP 7.0得到的制冷剂特性某组分下制冷循环压力, 焓图. 焙/(kJ/) 图3某组分下热泵工况系统循环压一焓图 理论循环计算的分析结果如图4和图5所示, 即当R134a质量分数接近80时,单位容积制冷量 最大,较R134a纯工质相比,可以达到114.65.同 时也是拐点,因为如果R600a组分再进一步提高 的话,单位容积制冷量将会迅速下降,可以初步认 为R600a组分不宜超过20.COP随着组分变 化也有类似的结果,R600a质量分数在20左右 时,C0P值最大.当R600a组分超过20后也会 出现一个明显的下降.因此,在选择R600a和 R134a的混合制冷剂应用于制冷循环系统时, R600a质量分数不宜超过2O. 衄1 器 趟 霞 霹 Rl34a质量分数 图4相对单位容积制冷量随组分的变化关系 RI34a质量分数 图5COP随组分的变化关系 制冷与空调第10卷 图6所示为吸气比容随组分变化的变化情况. 可以看到,混合制冷剂吸气比容在R600a比例接 近15左右时达到最高,因此,在R134a中混合少 量R600a后,能够适当降低吸气管内流速,降低管 路压降带来的压力损失. 售 \ 婶 蛙 精 10 R134a质量分数 图6吸气状态气体比容随组分的变化关系 图7所示为吸排气压比随组分变化时的关系 曲线.表明在R134a质量分数为80%时,冷凝压 力和蒸发压力的压比最小.因此,在R134a中混 合少量R600a后,压比的下降是显着的. R134a质量分数 图7吸排气压比随组分的变化关系 图8所示为排气温度随组分变化时的关系曲 线.混合工质随着压比的下降排气温度略微有所 降低,但不是很明显. p \ {蟛 赠 枯 袋 鲫 RI34a质量分数 图8排气温度随组分的变化关系 由以上的制冷剂物性计算结果和循环分析结 果可以得出以下有关混合制冷剂组分选择的初步 结论: 1)R600a的质量分数在10,2O范围时, R600a和R134a组成的混合制冷剂可以看作是近 共沸制冷剂. 2)从循环性能分析来看,R600a的质量分数 接近20%时,混合制冷剂能够获得单位容积制冷 量最高.同时,压比最小,性能最好,压缩机工作 条件也较好. 3)当R600a的质量分数比例超过20后,各 方面性能开始下降,并不再具备非共沸特性. 3试验结果与分析 3.1试验方案 本次试验选择了一台250kW的YEAS型螺 杆式空气源热泵机组.根据以上理论分析的结 论,确定以下试验方案和关注点: 1)选择组分:根据循环计算分析结果,R134a 和R600a的质量分数在80/2o%时是一个关键 点,很多曲线在这一点形成拐点,也就是当R600a 组分超过20后,大部分物性参数会出现快速恶 化.由此确定不进行R600a质量分数大于2O的 试验.为了减少实际测试的次数,试验选择3种不 同的组分进行比对.组分X表示R134a的质量分 数,组分y表示R600a的质量分数,X和y1表示 选择R134a质量分数略高的一组,X:和y表示 选择R134a质量分数略低的一组,以及纯R134a (质量分数1009/6)进行对比试验.试验过程中 R600a的质量分数均不超过2O,进行配比和试 验都是非常安全的]. 2)准确配比:为确保组分试验过程中组分配 比的准确性,混合制冷剂的组分配比过程中在机 组中预先充注好定量的R134a,然后边运行机组边 逐步添加相应量的R600a来实现设定配比.除了 确保配比比例,测试中确保机组过冷度基本一致, 从而确保了循环性能的一致性和可比性. 3)试验工况和测试项目:首先,环境试验室应 能确保热泵工况试验所需要的环境温度,湿度以 及冷(热)水温度等.另外,测试时除了测试机组 制热量,制热性能以外,须配备高精度的压力传感 器,管路差压传感器等,用于测试吸排气压比,管 路压降等.同时应通过图像监控观察盘管结霜及 压缩机回油等情况.标准制热工况(根据GB/T 18430.1)为:热水进口温度(40?0.3)?,热水出 口温度(45?0.3)?,环境干球温度(7?0.5)?, 环境湿球温度(6?0.5)?. 3.2结果分析 1)热泵制热量随组分的变化和预测的结果基 本吻合,制热能力得到显着提升.在x2,Y2的组 第2期倪灏:R134a/R600a昆合制冷剂应用于大型空气源热泵的性能研究 分配比下的制热能力可提高159/6左右(见图9和 图10). R134a质量分数 图9理论计算循环性能一制热量随组分的变化 320 ? 280 最 240 l15-38% m翌/ . _ l20% 105% 100.00%X12 R134a质量分数 图lO实测的热泵工况运行制热量 2)C0P基本保持不变(见图11).由此,可认 为R134a制冷剂中添加R600a后可以较为显着地 改善热泵运行性能.由于变组分试验是在同一台 试验机组上进行的,受到蒸发器,冷凝器等换热面 积的限制,制热量增加相应的换热器热负荷也随 之增加.预计实际应用时制热量以及C0P还可 能会更高一些.图12显示在试验中,冷凝压力随 R600a组分的增加而上升较多.这是由于当制热 量从纯R134a时的约260kW提高到X:,y配比 时的300kw时,冷凝器的能力略显不足而导致 的.试验数据中冷凝器换热小温差,即冷凝饱和温 度减去冷凝器出水温度的差值从3.4?变化到6.1 ?,从而可以间接证明盘管换热能力在制热量大幅 提高后略显不足的问题.因此有理由认为,混合少 量R600a后的CX)P应可以有所提高. 3)吸气状态和吸气管路压降变化情况.图 R134a质量分数 图1l实测的机组COP Rl34a质量分数 图12制热运行排气饱和温度和冷凝饱和温度的变化 13和图14所示实测结果表明,混合制冷剂的吸气 管路压降在改变组分后,由于变组分试验是在同 一 台试验机组上进行的,随着R600a组分的增加, 制热能力增加.受翅片换热能力的限制,蒸发温 度没有明显的提高,但是可以观察到吸气管路的 压降随着R600a组分的增加逐步减小.事实上较 为有效地解决了R134a热泵机组盘管蒸发温度偏 低,容易结霜的问题.在试验中也观察到混合工 质尤其是在X.,y组分条件下试验时,盘管结霜 量减少,化霜周期明显延长(见下面第6)部分). ,, 赠 RI34a质量分数 图l3制热运行蒸发器出口和压缩机吸气饱和温度的变化 p \ 毯 赠 犀 簧 R134a质量分数 图l4吸气管路压降的变化(对应饱和温度) 4)排气状态和排气管路压降.图15显示随 R600a组分的增加,冷凝器侧冷凝饱和温度变化不 大,这是因为盘管冷凝器的设计换热能力比较充 足.同时,冷凝器侧的压力损失也比较接近,排气 管路压降比较接近.这说明制冷剂比容变化以及 压比变化在冷凝器侧带来的影响并不大.图15所 示反映出排气口与干式管壳式冷凝器之间的阻力 损失是非常接近的.也就是说,冷凝器侧的管路 压力降在使用混合制冷剂后不会明显减小.这方 制冷与空调第10卷 面对性能的影响也不大. 一 生2\ 世 瀣1 靴 1 100%l2 RI34a质量分数 图15制热运行排气管路压降的变化 5)吸气压力,排气压力以及压比变化.图16 和图17所示为吸气压力,排气压力以及压比随 R600a组分的变化情况.可以看到,随着R600a 组分的增加,压比随组分变化是很显着的,这是有 利于改善压缩机的运行,提高运行性能和可靠性. - R 础 \ 出 赣 R134a质量分数 图16制热运行吸排气实测压力 R134a质量分数 图l7制热运行实测吸排气压比变化 6)盘管结霜情况.在试验中可通过观察吸气 管的温度变化,化霜时间分析等判断蒸发盘管的 结霜情况.图18所示为采用全部R134a(100) 时机组的运行情况.曲线为压缩机吸气管温度随 时间的变化情况.可以看出吸气管温度波动较 大,说明在机组盘管表面结霜开始后,压缩机吸气 时常有带液发生.这对于机组的稳定运行和压缩 机可靠性都会带来一定的隐患,从化霜间隔来看 时长时短,也不稳定.平均约为1h.图19所示 为X2,y2组分下观察到的吸气温度,压缩机吸气 管温度的情况,化霜时间间隔约1小时2O分钟. 虽然吸气温度相仿,但是由于可以看出吸气管温度 明显稳定,说明机组吸气过热度稳定,没有出现带液 的情况.化霜周期也得以延长.因此可以认为,采 用在R134a中添加适当的R600a形成的混合制冷 剂时,机组盘管上结霜不容易较快恶化,对提高热 泵机组的整体运行效率和可靠性是很有帮助的. 图l8纯R134a(100%)运行时吸气管温度 图l9在,组分条件下运行时吸气管温度 7)回油情况观察.因为R600a与大多数润滑 油都具有较高的溶解性.经过试验观测,机组在 制热和制冷运行时,总体回油性能良好,压缩机油 视镜内始终保持油位.由于受到换热器结构限 制,无法通过换热温差判断干式蒸发器内的回油 情况.但是通过油分油位视镜观察,机组在制热 工况,制冷工况和部分负荷等试验过程中都能观 察到正常的油位,没有出现"奔油"等现象. 4结论 本次试验研究表明: 1)在R134a制冷剂中添加少量R600a所形 成的混合制冷剂,为近共沸混合制冷剂; 2)特别是当R134a/R600质量分数接近X 和y.时,制冷(热)量和制冷(热)性能最佳,热泵 制热量可以提高15左右;同时,压缩机运行压比 最小,压缩机运行条件明显改善; 3)能够较明显改善盘管结霜. 第2期倪灏:R134a/R600a混合制冷剂应用于大型空气源热泵的性能研究?67? 因此,从本研究结果来看,如果在R134a制冷 剂中直接添加少量R600a很方便,不需要添加很 多设备,同时R600a也比较容易获得,而且价格低 廉,将该混合制冷剂应用到产品上是可行的.但 是考虑到HCs类物质毕竟具有可燃性,如何采取 措施确保安全生产和安全使用,是否能得到业内 外认同,是否能真正实现商业应用,这些都还有待 进一步研究.当前国内外对关于HCs类制冷剂安 全使用的研究已经有了一定的进展,并制定了相 关 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 和标准:如根据充注的制冷剂全部泄漏后 并扩散到给定的空间其浓度远低于燃烧浓度的原 则,规定浓度应低于LFL(体积分数)20 (ASHRAE15和BS4434标准)或25(DIN7003) 等.相信只要严格生产,并按照作业规范使用和 维修,HCs类制冷剂的应用前景还是很广阔的. [1] [2] 参考文献 田贯三,马一太,杨昭.含有阻燃组元的可燃制冷剂爆 炸极限的研究.爆炸与冲击,2003(23):225229. 马贞俊,晏刚,周晋,等.HCs类物质在制冷行业中的 应用分析.天然气工业,2003(5):106—109. [3]徐明仿,杜维明,晏刚.混合制冷剂R134a/R600a应 用于冰箱的研究.制冷与空调,2005(2):7579. [4]杨昭,李丽新,田贯三,等.替代混合物燃爆特性的理 论及试验研究.燃烧科学与技术,2002,8(2): 150154. r-s]陈艳阳,徐明仿,晏刚.近共沸混合制冷剂R134a/ R600a/R600的应用研究.冷藏技术,2004(2):16—18. [6]陈光明,张丽娜,陈斌.混合工质变浓度空气源热泵系 统的研究.工程热物理,2006,27(3):202—204. [7]韩晓红,陈光明,王勤,等.简化的WS混合规则在气 液相平衡中的应用.工程热物理,2005,26(5): 721—724. [8]张秋芳,侯树鑫,段远源,等.氢氟烃/烷烃二元混合物 的气液相平衡.工程热物理,2004,25(3): 15O一157. [9]王忠伟,段远源,孙晓阳.异丁烷(R600a)饱和蒸气压 的试验研究.制冷,2005(2):24—27. [1O]戴国桥,尚金漫,郭智恺,等.绿色制冷剂R600a.浙 江化工,2001,32(2):12. [11]徐敬东,周贻博.使用异丁烷作电冰箱制冷剂的几个 问题.家用电器科技,1998(2):15. [12]刘晖,肖红.异丁烷热力性质和热物理性质的计算. 流体机械,1999,10(27):53—55. 坐业坐业业业坐坐业坐坐业业业誊坐业坐坐盛业娃业业书}业业螺坐韭妊坐业螺 坐业肇坐业业业_啦业业业坐 (上接第45页) 表4各型号产品整机性能参数 4结论 试制的样机额定工况下制冷量为364W, EER为1.41,最大工况下满足要求,凝露工况下 也未见凝露现象,设计合格.另外,与几个电控柜 空调厂家提供的样本进行对比,本样机具有很大 的节能优势. [1] [2] 参考文献 顾忠仁.电气控制柜散热 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 的比较分析.电气制 造,2006(2):29—30. 马瑜瑾.冷却装置在电气控制柜中的应用.机电工程 技术,2004,33(12):61—62.