加入少量R290对R744热泵热水器性能变化的模拟分析

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(1.中原工学院 能源与环境学院,河南 郑州 450007;2.河南工程学院 土木工程学院，河南 郑州 450007)

加入少量R290对R744热泵热水器性能变化的模拟分析

范晓伟1，张晓静1，张仙平2，王方1

(1.中原工学院 能源与环境学院,河南 郑州 450007;2.河南工程学院 土木工程学院，河南 郑州 450007)

本文针对R744热泵热水器系统，考虑系统部件结构参数，建立了系统仿真模型。利用该模型分析了加入少量R290对R744热泵热水器系统性能变化的影响，发现当加入3%的R290时，相比纯R744装置，系统性能最优，其系统制热系数略有增加，最优放热侧压力稍有降低，并预测分析了该配比下，热汇水出水温度为45℃、50℃、55℃、60℃、65℃时系统主要循环性能。结果表明，在纯质R744中加入少量R290组成混合工质既可以提高系统循环性能，又能降低系统放热侧压力。

R744；R290;热泵热水器；仿真模型；系统循环性能

0 引言

二氧化碳(R744)与碳氢化合物(HCs)属环境友好型天然工质，已逐步成为替代传统卤代烃HCFCs,HFCs类制冷剂的最有潜力的替代工质。但纯R744工质跨临界循环工作压力过高，纯HCs工质可燃性极强，这些限制了各自的应用。若将两者混合使用，既可降低工作压力，又可提高安全性能，实现扬长避短、优势互补。因此R744/HCs非共沸混合工质应用于热泵系统引起一些学者的关注[1]。

Kim等人[2]对R744/R290二元混合物跨临界制冷循环进行了若干工况试验研究，结果发现当R744/R290二元混合物的质量配比为60/40、75/25和85/15时，相比纯R744系统其性能系数COP分别提高了12.5%、12.8%和8%。Sarkar等[3]对分别采用R744、R290、R600a和R717四种工质的热泵系统循环性能进行了模拟计算，结果发现，在跨临界循环中，影响最优排气压力的因素相同且变化规律相似，其主要影响因素由影响程度高低排列依次为气冷器的出口温度、蒸发温度、过热度，且蒸发温度对最优排气压力的影响随着气冷器的出口温度的降低而减小，其中在将30℃空气或冷水加热到100℃的低温热泵方面,工质R290具有明显的优势。范晓伟[4]等对R744混合工质(R744/R290、R744/R600、R744/R600a)制冷系统进行了热力学分析,发现采用R744混合工质可以有效地改善纯R744系统存在的不足，其中R744/R290的COP值较R744/R600高出33%～41%，较R744/R600a高出25%～32%。张仙平[5]围绕R744混合工质第二组分的优选与R744混合工质在热泵工况下的系统性能进行了研究，并搭建了R744/R290混合工质热泵试验装置，通过试验表明：第二组分的加入降低了放热侧的压力；当R290的配比为5%时，在热汇出水温度为65℃、55℃，系统的制热COP相比纯R744热泵分别提高4.9%、4.3%。

到目前为止，有关R744/R290混合工质应用于普通热泵的研究还较少，考虑结构参数的系统仿真研究尚未公开报道。本文考虑系统结构参数建立了R744热泵热水器系统模拟模型，利用该模型分析了加入0～10%的R290组成混合工质对系统性能变化的影响。

1 热泵系统模型的建立

本文所研究的热泵系统由气体冷却器(以下简称气冷器)、蒸发器、压缩机和节流装置等部件组成，下面将对各部件的模型予以说明。

1.1 气冷器模型

热泵系统的气冷器为套管式换热器，其中制冷工质在气冷器的内管内部流动，热汇水在内管外管管间流动。采用分布参数模型来考虑沿程物性的变化，计算中设定气冷器与外界之间绝热，模型为一维分布参数模型。其微元段划分如图1所示，微元示意图如图2所示。

图1 气冷器微元段划分示意图

图2 气冷器i微元段示意图

1.1.1 传热计算公式

对第i个微元段建立能量方程

KridAiΔti=

(1)

(2)

(3)

式中m——质量流量/kg·s-1；

K——总的传热系数/W·m-2·℃-1;

A——换热面积/m2；

Δti——对数平均换热温差/℃;

Cp——定压比热容/J·kg-1·℃；

hr、hw——混合工质侧、水侧换热系数/W·m-2·℃-1；

di、do——内管内径、外径/m；

λ——铜管的导热系数/W·m-1·℃-1；

下标 i——第i个微元段;

gc——气冷器;

w——水;

r——混合工质。

通过以上方程可求解出制冷工质和换热流体的出口状态参数及换热器内的温度分布。模型中的热汇水侧及制冷工质侧(单相)的换热系数均采用Dittus-Boelter模型[6]

Nu=0.023RemPrn

(4)

式中m=0.8；被加热时n=0.3；被冷却时n=0.4。

1.1.2 压降计算公式

制冷工质侧的压降是由摩擦压降及加速损失组成(Δp=Δpf+Δpm)，其中摩擦压降Δpf为

(5)

加速损失Δpm为

(6)

式中,f为摩擦因子，采用应用广泛的Blasius和Filonenko[7]模型。Re<2×104时f=0.316Re-1/4；Re≥2×104时f=0.184Re-1/5，Ggc,r为制冷工质的质量流量。

1.2 蒸发器模型

1.2.1 传热计算公式

张仙平[5]对蒸发器换热计算进行了优选，综合比较分析几个具有代表性的关联式之后，发现Kandlikar[8]模型与试验符合较好, 在此选用该换热关联式，具体如下

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

1.2.2 压降计算公式

压降关联式采用丁国良提出的压降模型[6]

(12)

式中p1、p2——微元进、出口压力;

ρ1、ρ2——微元进、出口密度;

f——摩擦因子,f的计算用Churchill方程[9-11]。

1.3 其它部件模型

1.3.1 压缩机模型

(1)质量流量

(13)

(2)功率

(14)

式中λ——容积效率;

νsuc——吸气比容;

λcom——等熵效率;

psuc——吸气压力;

pd——排气压力；

Vh——理论输气量;

mk——制冷工质的绝热指数。

1.3.2 节流阀模型

(1)能量方程

hin=hout

(15)

(2)流量方程

(16)

式中ρin——节流阀进口工质密度;

pin——冷凝进口压力;

pout——蒸发出口压力;

Cval——节流阀特性常数。

1.4 系统计算流程

该系统仿真模型遵循质量守恒和能量守恒的平衡条件，把各部件的进、出口状态参数按照系统的流程顺序，用制冷剂的温度、压力、质量流量、焓等作为传递参数把各部件模型联合起来组成了一个系统计算模型，从而计算出整个热泵系统的运行特性。由于蒸发温度和泠凝压力决定着系统的运行状况，因此在模拟计算中将两者作为迭代变量，迭代判据为制冷剂流量相等和合理的过热度，迭代算法采用二分法。该模型程序的编写采用EES软件(Engineering Equation Solver)，其物性通过EES-REFPROP接口程序调用美国NIST软件REFPROP得到。其程序流程图如图3所示。

图3 R744热泵热水器系统稳态仿真算法流程图

2 系统循环性能模拟分析

2.1 系统工况介绍

本文研究了设计工况下蒸发温度为10℃，过热度为5℃，热汇水进口温度为17℃，出口为45℃、50℃、55℃、60℃和65℃，热源水进口温度20℃，出口为15℃的R744热泵热水器系统，加入0～10%的R290组成混合工质。系统分为3个环路：混合工质环路、热汇水环路和热源水环路。其中压缩机是单相定频双级旋转式压缩机，其运行压力≤13.0 MPa，转速为2 850 r/min，名义输入功率是1.0HP(735 W)，容积效率为0.8。蒸发器和气冷器均为套管式换热器,内管材料均是紫铜，外管材料均为钢管,具体规格如表1所示。

表1 换热器的规格

2.2 系统性能模拟分析

利用以上模型优选出热汇水出水温度为65℃时，能使R744热泵热水器系统性能达到最优时的R290加入量，如图4所示。系统制热系数COPh随着R290质量配比的增加先增加后减小，在3%处取得2.586最大值，相比纯R744增加1.02%；最优放热侧压力随着R290质量配比的增加而减少，在最优配比3%工况下，最优放热侧压力为9.5 MPa，相比纯R744降低0.6 MPa，对应的降低比率为5.94%。此系统性能随R290质量配比增加的变化规律与张仙平实验结果[5]趋势一致。

图4 制热系数COPh、最优放热侧压力popt与R290质量配比的变化关系

图5～图8为往R744热泵热水器系统中加入3% R290工况下，热汇水出水温度分别为45℃、50℃、55℃、60℃、65℃，放热侧压力为7.5～11.0 MPa时系统的主要循环性能。

图5 制热系数COPh与放热侧压力pd的变化关系

图6 单位质量制热量Qm与放热侧压力pd的变化关系

由图5可知，在热汇水出水温度分别为45℃、50℃、55℃、60℃、65℃工况下，系统制热系数COPh随着放热侧压力pd变化趋势相似，均随着放热侧压力pd的增加而先增加后减小，均在最优放热侧压力处出现拐点，取值分别为4.376、3.9、3.301、2.800、2.586，其原因是在拐点左侧，随着放热侧压力的升高，系统制热量增加程度高于功耗增加程度，在拐点右侧，热汇水出水温度分别为45℃、50℃、55℃时，随着放热侧压力的升高，制热量降低，功耗增加，热汇水出水温度分别为60℃、65℃时，随着放热侧压力的升高，制热量的增加程度低于功耗的增加程度；最优放热侧压力随着热汇水出水温度的增加而增加，取值分别为8.4 MPa、8.5 MPa、8.7 MPa、9.2 MPa、9.5 MPa；热汇水出水温度对COPh变化影响程度均随着热汇水出水温度的增加而逐渐减小。

由图6可知，在热汇水出水温度分别为45℃、50℃、55℃工况下，单位质量制热量Qm随着放热侧压力pd变化趋势相似，均随着放热侧压力pd的增加而先增加后减小，均在最优放热侧压力处出现拐点；在热汇水出水温度分别为60℃、65℃工况下，单位质量制热量Qm随着放热侧压力pd变化趋势相似，均随着放热侧压力pd的增加而增加，增加斜率由大变小，均在最优放热侧压力处出现拐点；随着热汇水出水温度的增加单位制热量Qm整体减小。

图7 功耗Wm与放热侧压力pd的变化关系

图8 排气温度td与放热侧压力pd的变化关系

由图7、图8可知，在热汇水出水温度分别为45℃、50℃、55℃、60℃、65℃工况下，系统功耗Wm与压缩机排气温度td随着放热侧压力pd变化趋势相似，均随着放热侧压力的增加而增加；随着热汇水出水温度的增加, 系统功耗Wm与压缩机排气温度td均增加。

3 结论

考虑系统部件结构参数，建立了R744热泵热水器系统模拟模型，并对加入R290(质量配比0～10%)组成混合工质后对热泵系统主要循环性能的影响进行了预测分析，主要结论有：

(1)当R744热泵热水器系统中加入少量R290时，热泵系统制热系数COPh随着R290质量配比的增加先增加后减小，在R290占3% 时取得最大值2.586，相比纯R744提高1.02%，最优放热侧压力随着R290质量配比的增加逐渐减小，在3% 的工况下为9.5 MPa，相比纯R744降低0.6 MPa，对应的降低比率为5.94%。

(2)在热汇水出水温度为45℃、50℃、55℃、60℃、65℃工况下，随着放热侧压力的增加，系统的制热系数COPh均先增加后减小，功耗Wm与压缩机排气温度td均增加。

(3)在热汇水出水温度为45℃、50℃、55℃工况下，单位质量制热量Qm随着放热侧压力的增加先增加后减小；在热汇水出水温度为60℃、65℃工况下，单位质量制热量Qm随着放热侧压力的增加而增加，斜率由大到小，在最优放热侧压力处出现拐点。

(4)随着热汇水出水温度的增加，系统的制热系数COPh与单位质量制热量Qm均减小，功耗Wm与压缩机排气温度td均增加。

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InfluenceofMixtureofR744andR290inSmallMassFractionontheSystemPerformanceofHeatPumpWaterHeater

FAN Xiao-wei1,ZHANG Xiao-jing1,ZHANG Xian-ping2,WANG Fang1

(1.School of Energy and Environment,Zhongyuan University of Technology,Zhengzhou 450007,China;2.School of Civil Engineering, Henan institute of Engineering, Zhengzhou 450007,China)

Based on the heat pump water heater system using R744 as a refrigerant, and with a consideration of the structural parameters of system components, a simulation model was established in this paper. Impact of changes in performance when a small amount of R290 is added into the system is analyzed by using the model. Compared with the pure R744 equipment, the system performance is optimal when adding 3% of R290, which the system heating COP (Coefficient Of Performance) increases slightly while the optimum heat rejection pressure reduces a little. The system performance is predicted for optimum mass fraction when the heat sink water temperature are set to 45,50,55,60 and 65℃. The results show that when adding a small amount of second component R290 into pure R744 to consist mixed refrigerants suitably, the system performance is improved while the system optimum heat rejection pressure is reduced.

R744;R290;heat pump water heater;simulation mode;system performance

2013-11-02修订稿日期2014-12-19

国家自然科学基金资助项目(51176207)；郑州市科技领军人才支持项目(131PLJR(64))

范晓伟(1966～)，男，教授，博导，主要从事热泵方面的研究工作。

TQ051.5;TP183

A

1002-6339 (2014) 05-0434-05