论文部分内容阅读
我国能源系统以一次能源为主,能源消费量较大但能源利用率较低,大量的一次能源被消耗造成了巨大的环境污染和温室效应。其中,工业领域能源消耗占我国总能源消耗的70%,但是能源利用效率不到50%,因此采用工业余热回收技术将显著提升能源利用效率和节能减排效果。热泵技术因为具有显著的性能优势逐渐被应用于余热利用领域,但工业余热资源温度大多位于40℃左右,而生产工艺或集中供热温度需求大都超过90℃,受循环工质和压缩机耐温耐压限制,常规热泵工质无法满足高温工况下确保压缩机的安全稳定运行,因此,适用于高温工况的新型热泵工质遴选是高温热泵技术主要研究方向之一。由于非共沸工质具有温度滑移的换热特点,较为适配大温差的换热过程,因此该研究建立非共沸工质电动热泵的数学模型,依据COP(性能系数)、排气参数和单位容积制热量进行不同组分不同比例下的性能对比筛选出性能较佳工质,并且分析了所选工质在蒸发和冷凝过程传热系数的变化规律,最终通过实验研究测试了采用所选工质的热泵性能。该研究具体内容包括:首先,基于能量平衡和质量平衡方程在EES软件中搭建高温电动热泵数学模型,并调用REFPROP计算非共沸工质物性;其次,针对高温工况筛选出R245fa、R142b和R236ea作为综合性能优良具有应用潜力的纯质氟利昂,再以R134a、R1234ze和R227ea作为添加工质利用非共沸工质的特性提升热泵的COP和降低压缩机的排汽参数,该研究共针对9种组合在不同配比下的性能参数进行了对比分析,得到循环性能较为优良的混合工质R134a+R245fa(0.38/0.62),代号为M;再次,对所选非共沸工质M分析了蒸发器和冷凝器变工况下传热系数变化规律,计算结果表明随着冷凝侧进出水温度增加,冷凝传热系数及沸腾传热系数均增加,而当蒸发侧进出水温度增加时,冷凝传热系数及沸腾传热系数均有所减小;最后,在高温热泵性能测试平台对纯工质XP140和混合工质M进行循环性能变工况对比分析,发现当冷凝器进水温度较低时,纯工质XP140表现出较为优良的循环性能,但是当冷凝器进水温度为80℃时,冷凝压力均高于2.1MPa,无法继续在更高冷凝温度下工作。而当蒸发器进水温度60℃,冷凝器进水温度80℃时,混合工质M的排气温度及冷凝压力分别达到100.1℃和1560kPa,有向更高冷凝温度发展的潜力,在高冷凝温度工况下较纯工质XP140表现出更优的性能。同时对模拟和实验得出的混合工质传热系数进行对比分析,发现两者变化趋势一致,但实验得出的传热系数较模拟值偏低。综上,工业余热利用技术是提升能源系统能源利用效率和降低能耗的重要途径,针对工业场合研发的非共沸工质高温热泵将在工业领域因其技术优势获得较好的应用前景。