R744/R1270用于热泵热水器的分析探讨

范晓伟， 郑慧研， 张红林， 巨福军,2

(1.中原工学院， 郑州 450007； 2.东南大学， 南京 210096)



R744/R1270用于热泵热水器的分析探讨

范晓伟1， 郑慧研1， 张红林1， 巨福军1,2

(1.中原工学院， 郑州 450007； 2.东南大学， 南京 210096)

摘要：研究了将两种环保工质R744和R1270混合用于热泵热水器系统时的循环性能，并在热泵热水器名义工况条件下，将其与常见热泵工质R22的循环性能进行分析比较。结果表明：混合工质R744/R1270系统的最优质量配比为16/84，对应的最优制热COPh值为4.770，比R22系统提高了9.63%；同时，在最优质量配比区间，COPh值变化较小；压缩机绝热压缩效率对COPh值影响显著，但对最优质量配比的影响较小。

关键词：热泵热水器；R744/R1270；传热窄点；绝热压缩效率

氟利昂类合成工质的使用会引发大气臭氧层破坏和地球变暖等环境问题，因此，人们开始重新考虑启用自然环保工质R744(ODP=0，GWP=1.0)。R744跨临界循环理论的提出促进了将R744用于替代空调和热泵系统中制冷工质的研究工作迅速开展[1-3]。日本对R744热泵热水器进行了基础性研究，并成功将其作为家用热水器加以推广应用[4-6]。目前应用和研究的R744热泵系统，都属于跨临界循环方式，存在运行压力偏高(10.0 MPa以上)和系统效率相对较低的问题[1]。

自然环保工质R1270具有环保(ODP=0，GWP≈20)、能量效率高、与氟利昂制冷系统兼容性好等优点。同时，其饱和蒸气压力与R22相近，具有替代R22灌注式工质的潜力。空调工况下，R1270与R22的系统制冷量基本相同，但前者的能效比较高，充注量、排气温度及压缩比均较低[7-8]。但R1270突出的缺点是易燃、易爆，必须通过添加阻燃工质组成混合工质来提高其单独使用时的安全性。

目前，关于R1270的研究主要集中在制冷系统。张桂荣等将3组CO2非共沸混合工质(R744/R22、R744/R1270、R744/R600a)用于制冷系统，进行热力学理论分析和计算[9]。结果表明，R744/R1270具有较好的综合性能。但尚未见到将R1270及其混合工质用于热泵系统的研究。将R744和R1270混合后作为热泵工质使用，可以实现彼此优点互补；混合后的非共沸混合工质具有良好的温度滑移特性，在换热器中可以与变温载热流体实现良好的温度匹配，进而使系统的效率得到提高。本文将针对R744/R1270混合工质用于热泵热水器系统的循环性能进行计算分析。

1模型建立

热泵热水器循环系统主要包含压缩机、蒸发器、膨胀阀及冷凝器等部件，系统流程如图1所示。为了简化计算，本文对混合工质模型进行了如下假设：

(1)忽略整个热泵系统与外界环境间的散热损失；

(2)不考虑润滑油对混合工质热物性的影响；

(3)蒸发器和冷凝器的传热系数足够大；

(4)忽略混合工质在管路、蒸发器和冷凝器中的压降；

(5)冷凝器出口工质为饱和液体状态；

(6)蒸发器出口工质为饱和气体状态；

(7)压缩过程的绝热压缩效率设为0.7；

图1　热泵热水器系统流程图

(8)冷凝器和蒸发器中的传热窄点设为6 ℃。

循环性能计算公式主要有：

(1)制热循环性能系数COPh:

COPh=(h2-h3)/(h2-h1)

(1)

(2)单位质量制热量qh:

qh=h2-h3

(2)

(3)单位容积制热量qhv:

qhv=(h2-h3)/v1

(3)

(4)压缩机压比r:

r=pc/pe

(4)

(5)绝热压缩效率his:

his=(h2is-h1)/(h2-h1)

(5)

式中：h——制冷剂比焓，kJ/kg；

v——比容，m3/kg；

P——压力，MPa。

下标1-3为图1中对应状态点；c代表冷凝过程；e代表蒸发过程；is代表绝热压缩过程。

模型涉及的计算流程和传热窄点的计算方法参见文献[10]。所有制冷工质热物性的计算均采用美国NIST开发的Refprop9.1[11]。

2计算结果及分析

根据国家标准《家用和类似用途热泵热水器》[12]设定热泵热水器名义工况：热汇进、出口温度分别为15 ℃和55 ℃，热源进、出口温度分别为20 ℃和15 ℃。

为便于与混合工质进行对比，计算了以R22作为工质的热泵系统的循环性能参数，结果见表1。现有常规制冷和热泵系统的工作压力不高于4.0 MPa，R744/R1270的质量配比为45/55，对应系统的冷凝压力为4.019 MPa。在此条件下，对R744质量配比范围为0～45%的R744/R1270用于热泵系统的性能参数进行计算分析。

表1　名义工况下R22热泵系统循环性能参数

2.1循环性能系数COPh和压缩机排气温度

由图2中制热循环性能系数COPh的变化趋势可以发现：随着R744质量配比的增大，R744/R1270系统的COPh先快速增大后缓慢减小，存在一个最优质量配比(16/84)使COPh达到最大值4.770，较R22系统提高了9.63%；R744/R1270系统存在一个最优质量配比区间15/85～25/75；在最优质量配比区间内，R744/R1270系统的COPh均高于4.745，且COPh值波动幅度较小，仅为0.52%。如图2所示，随着R744质量配比的增大，R744/R1270系统的排气温度由74.50 ℃持续升高到83.29 ℃。在最优质量配比区间内，R744/R1270系统的排气温度均低于R22系统。较低的排气温度有利于压缩机运行稳定和寿命延长。

2.2冷凝压力和压比

如图3所示，随着R744质量配比的增大，R744/R1270系统的冷凝压力持续升高，而压比则先快速减小后缓慢减小，但整体变化幅度很小。在最优质量配比区间内， R744/R1270系统的压比均远低于R22系统，而其冷凝压力均高于R22系统，但仍在可接受的范围之内。较低的压比有利于压缩机运行稳定和效率提高。

图2　R744质量配比与COPh及排气温度的关系

图3　R744质量配比与冷凝压力及压比的关系

图4　R744质量配比与单位制热量的关系

2.3单位制热量

在相同条件下，系统的单位容积制热量越大，所需压缩机的体积越小。如图4所示，随着R744质量配比的增大，混合工质的单位容积制热量持续增大，而单位质量制热量则呈现先增大后减小的趋势。在最优质量配比区间内，R744/R1270系统单位容积制热量均大于R22系统的5 061 kJ/m3，并由6 966 kJ/m3增大为7 894 kJ/m3；R744/R1270系统的单位质量制热量均远大于R22系统，最小值为324.8 kJ/kg，约为R22系统的1.8倍。在相同的制热量条件下，较大的单位容积制热量有利于压缩机的小型化。

2.4绝热压缩效率对系统循环性能的影响

为了研究压缩机绝热压缩效率对系统循环性能的影响，计算绝热压缩效率分别为0.75和0.80时的系统循环性能，并与本文假设的绝热压缩效率为0.7时进行比较分析。

如图5所示，不同的绝热压缩效率下制热COPh随R744质量配比的变化呈现出相似的变化规律；在相同的质量配比下，随着绝热压缩效率的提高，制热COPh也相应增大。压缩机绝热压缩效率的变化虽然导致了最优质量配比的细微变化，但并未引起最优质量配比区间的变化。3种绝热压缩效率对应的最优质量配比区间均为15/85～25/75。在该最优质量配比区间内，同一绝热压缩效率对应的COPh变化幅度较小，3种绝热压缩效率(0.7、0.75和0.8)对应的COPh波动幅值分别为0.52%、0.52%和0.48%。这有利于降低工质泄露对系统性能的影响，有效降低工质的充注次数。

图5　绝热压缩效率对COPh的影响

表2列出了在不同绝热压缩效率时混合工质热泵循环系统最优配比下的主要循环性能参数。随着绝热压缩效率的提高，最优质量配比没有呈现出规律性的变化，但对应的制热COPh均相应提高。绝热压缩效率为0.75和0.80时对应的制热COPh分别较绝热压缩效率为0.7时增大了4.63%和9.06%。绝热压缩效率为0.75时对应的最优质量配比中R744的含量最高，导致其对应的单位容积制热量、单位质量制热量和冷凝压力均高于其他两种绝热压缩效率。同时，随着绝热压缩效率的提高，压比缓慢地升高，而排气温度则呈现相反的变化规律。

表2　不同绝热压缩效率时R744/R1270最优质量配比下的系统循环性能参数比较

3结语

用R744/R1270混合工质替代R22用于热泵热水器系统并对其进行计算分析，得到如下结论：

(1)R744/R1270系统的最优质量配比为16/84，对应的最优制热COPh值为4.770，比R22系统提高了9.63%；且在15/85～25/75的配比区间内，制热COPh值变化较小，为0.52%。

(2)同一质量配比下，COPh随绝热压缩效率的提高而增大。3种绝热压缩效率对应的最优质量配比区间均为15/85～25/75。在此最优质量配比区间内，同一绝热压缩效率对应的COPh变化幅度较小，且波动范围均小于0.52%。

(3)最优质量配比区间内， R744/R1270系统的冷凝压力、单位容积制热量和单位质量制热量均高于R22系统，而压比和系统排气温度均低于R22系统。

参考文献：

[1]Kim M H, Pettersen J, Bullard C W. Fundamental Process and System Design Issues in CO2Vapor Compression Systems[J]. Progress in Energy and Combustion Science, 2004, 30 (2): 119-174.

[2]Lorentzen G. Trans-critical Vapor Compression Cycle Device. World, PCT/N089/0089[P]. 1989-01-09.

[3]陈圣光，范晓伟，王凤坤，等.R744系统管翅式蒸发器换热性能的优化[J].中原工学院学报，2012，23(3)：1-6.

[4]Saikawa M, Hashimoto K. An Experimental Study on the Behavior of CO2Heat Pump Cycle[C]//IIF-IIR Commission B2, with B1, E1 and E2. Oslo, Norway:[s.n.], 1998: 223-229.

[5]Saikawa M, Hashimoto K, Kobayakawa T, et al. Development of Prototype of CO2Heat Pump Water Heater for Residential Use[C]//Proceeding of the 4th IIR Gustav Lorentzen Conference on Natural Working Fluids. Indianer: Purdue University Press, 2000:51-58.

[6]管海清, 马一太, 杨俊兰. 日本家用CO2热泵热水器研究开发现状分析[J]. 家电科技, 2004(6): 59-61.

[7]张卫士，金听祥. R1270在家用空调中应用的性能对比试验研究[J]. 流体机械，2011,39(11):71-73.

[8]林崐，金听祥，张静，等. 家用空调器中R1270替代R22的性能试验研究[J].制冷学报，2010,31(3):33-36.

[9]张桂荣，张仙平. CO2非共沸混合工质制冷系统的理论分析[J].低温工程，2009(1):49-52.

[10]巨福军. 二氧化碳/烷类混合制冷剂热泵循环特性研究[D]. 郑州:中原工学院,2013.

[11]Lemmon E W, Mclinden M O, Huber M L. Refprop, NIST Reference Fluid Thermodynamic and Transport properties,Version 9.1[Z]. Gaithersburg, USA:NIST, 2015.

[12]GB/T23137-2008,家用和类似用途热泵热水器[S].

(责任编辑：陆俊杰)

收稿日期：2016-04-26

基金项目：国家自然科学基金项目 (51176207)；郑州市领军人才计划项目(131PLJRC641)

作者简介：范晓伟(1966-)，男，河南渑池人，教授，博士，主要研究方向为热泵空调新技术。

文章编号：1671-6906(2016)03-0059-05

中图分类号：TU833.1；TQ050.1

文献标志码：A

DOI:10.3969/j.issn.1671-6906.2016.03.014

Thermodynamic Analysis on Heat Pump Water Heater System Using R744/R1270 Binary Mixtures as Refrigerant

FAN Xiao-wei1， ZHENG Hui-yan1， ZHANG Hong-lin1， JU Fu-jun1，2

(1. Zhongyuan University of Technology， Zhengzhou 450007； 2. Southeast University， Nanjing 210096， China)

Abstract：In this paper, the mixtures of carbon dioxide (R744) and propylene (R1270) are chosen as working fluid used in heat pump water heater system. Under the nominal working condition of heat pump system in China, the system performance is analyzed theoretically. The calculation results illustrate that there exists a maximum heating coefficient of performance (COPh) when the mass fraction of R744/R1270 is 16/84 which is defined as optimum mass fraction. In the same assumptions and working conditions, the maximum COPh of heat pump system with the mixture will increase 9.63% compared with the common refrigerant R22. Unit volumetric heating capacity and discharged pressure are higher than those of R22 system, but the compressor ratio and discharge temperature are lower. Efficiency of compressor has a significant effect on the COPh.

Key words:heat pump water heater；R744/R1270； heat transfer pinch point；isentropic efficiency