工業(yè)熱泵用工質
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作者:港菱機構
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發(fā)布時間: 597天前
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高溫循環(huán)工質是壓縮式高溫熱泵的“血液”，蒸氣壓縮循環(huán)的關鍵工況點的設計與熱泵工質的選型直接相關，而壓縮機的選型與設計也需要首先確定熱泵工質。
高溫循環(huán)工質是壓縮式高溫熱泵的“血液”，蒸氣壓縮循環(huán)的關鍵工況點的設計與熱泵工質的選型直接相關，而壓縮機的選型與設計也需要首先確定熱泵工質。熱泵工質往往從制冷劑中選取，而制冷劑到目前為止已經(jīng)經(jīng)歷了近200年的發(fā)展，在過去的200年中，由于需求的不同，對制冷劑的選型要求也一直變化。
在高溫熱泵系統(tǒng)中，對工質的選型要求大多也符合對制冷系統(tǒng)中制冷劑的要求。但是，熱泵工質的壓力溫度工作范圍往往更高，對熱泵工質的熱物理性質要求更好。同時在余熱回收中的熱泵系統(tǒng)與制冷系統(tǒng)相比，往往具有更高的容量，因而對工質的環(huán)保特性和經(jīng)濟性要求相應也會更高。 同時工質與潤滑油混合后的熱穩(wěn)定性也是系統(tǒng)設計中需要重點考慮的因素。工質與潤滑油混合物的性質將進一步限制壓縮機的排氣溫度，過高的溫度有可能引起潤滑油和系統(tǒng)其他部件材料的化學分解或焦化。此外，熱泵工質需要具有與金屬材料或其他化學材料良好的相容性，避免在運行過程中降解。需要相容的常見材料有鋁、鋼、銅，以及聚合物等。 在當前的技術體系中，R134a和R245fa具有相對優(yōu)異的熱力學性能，已經(jīng)在熱泵系統(tǒng)中廣泛應用。 臨界溫度為101.1°C，對蒸氣壓縮式熱泵而言，當冷凝溫度低于70°C時，R134a往往是比較合適的選擇。
東京電力公司研制了以R134a為工質的離心式高溫熱泵，制取130℃的高溫高壓水及高溫空氣，用以木材干燥和變壓器制造的工藝過程。該系統(tǒng)采用了跨臨界多級循環(huán)流程，COP 達到3.0，與化石燃料鍋爐相比，節(jié)省了27%一次能源消耗量，降低CO2 排放量達44%。 瑞士Friotherm公司開發(fā)了工質為R134a，最高冷凝溫度為90°C，制熱量范圍為2 MW到20 MW的離心式高溫熱泵機組。 由于R134a的GWP達到1300，出于環(huán)境保護的考慮，已經(jīng)被各國逐漸限制使用。 工業(yè)高溫熱泵中使用的主要工質，臨界溫度為154°C，對蒸氣壓縮式熱泵而言，當冷凝溫度低于125°C時，R245a往往是比較合適的選擇。R245a具有較高的熱穩(wěn)定性和水解穩(wěn)定性，但其GWP值為858，很可能在未來幾年被淘汰(或降低)。 日本神戶制鋼所研制的系列蒸汽高溫熱泵，采用高壓縮比高溫適用的兩級螺桿式壓縮機，工質采用高溫工質R245fa，熱功率380~660kW，冷凝溫度可達120°C，COP達到3.2，可對工廠內的溫排水實施熱回收，適用于食品、藥品、輕化工等工業(yè)的原料濃縮及干燥等多種工序。 工質的選擇在蒸汽壓縮熱泵中起著關鍵作用。工質的特性不僅決定了蒸汽壓縮熱泵的性能，還對環(huán)境有較大影響。目前，工質選擇原則優(yōu)先考慮其全球變暖潛能(GWP)和臭氧消耗潛能 (ODP)，首選ODP值為零和GWP小于150的工質?；谶@些要求，純低GWP(GWP<150)工質，如天然工質、碳氫化合物(HCs)、低GWP氫氟碳化合物(HFC)、新型氫氟碳化合物(HFO)和氫氯氟烴(HCFOs)，被建議在蒸汽壓縮熱泵中推廣使用。根據(jù)工業(yè)用熱需求和各種蒸汽壓縮熱泵選項提供的輸出溫度范圍，這些熱泵在不同環(huán)境下的應用滿足30-200°C的輸出溫度。 天然工質、合成氫氟烴(HFO)和氫氯氟烯烴(HCFOs)被認為是有望取代HFC的第四代低GWP工質。在高溫熱泵和有機朗肯循環(huán)(ORC)應用中，HFC-245fa的主要替代品是FO-1366mzz(Z)、 HFO-1234ze(Z)、HCFO-1233zd(E)、HCFO-1224yd(Z)以及碳氫化合物HC-601(正戊烷)和HC-600(正丁烷)。 適用于高溫熱泵的HFOs工質包括R1336mmz(Z)、R1336mmz (E)、R1234ze (E)和R515B等等。 R1336mmz(Z)具有相對較低的臨界壓力(29bar)，臨界溫度為171.3℃，該工質的安全分類為A1，ODP為零，GWP為2，大氣壽命為22天。它在250°C以下穩(wěn)定，因此適用于余熱回收工業(yè)熱泵和有機朗肯循環(huán)等應用，以替代R245fa。其同分異構體R1336mzz(E)的GWP約為18，臨界溫度為137.7°C。 R1234ze(E)的臨界壓力為36.3Bar，臨界溫度為109.4°C，該工質的安全分類為A2L，大氣壽命為16.4天，ODP為零，GWP<1；R515B的臨界壓力為35.8Bar，臨界溫度為108.9°C，該工質的安全分類為A1，ODP為零，GWP為299。R1234ze(E)和R515B兩種工質的熱物性非常接近，基本可以共用相同的系統(tǒng)設計。R1234ze(E)和R515B適用于工業(yè)熱泵的各種場景，以替代R134a。尤其在80°C～95°C溫度區(qū)間，相比于R134a，R1234ze(E)和R515B的能效優(yōu)勢非常顯著，更好的適用于各種熱源需要。 適用于高溫熱泵的HCFOs工質包括R1233zd(E)與R1224yd(Z)。 在可用的HCFOs中，R1233zd(E)被認為是高溫熱泵的潛在工質。對臭氧層幾乎無影響，ODP幾乎為0且大氣壽命短（6天），GWP為1，臨界溫度為166.5°C，臨界壓力為36.2bar，安全分類為A1。盡管R1233zd(E)在高溫熱泵應用中的實驗案例比較少，但是其在有機朗肯循環(huán)（ORC）和離心冷水機組等應用領域大量應用，基于其在高溫應用中具有優(yōu)異的傳熱性能和顯著的能效優(yōu)勢，因此適用于余熱回收工業(yè)熱泵、有機朗肯循環(huán)和離心冷水機組等應用領域，以取代R245fa。根據(jù)分析，與經(jīng)典熱泵工質相比，R1233zd(E)可以在COP和VHC之間做出很好的折衷，它的VHC高(當VHC是唯一標準時，它是熱匯出口溫度低于140°C的首選流體)，同時COP也很好，因此它可能是一種適合的流體，尤其適用于熱源入口溫度大于65°C的范圍。HCFO工質R1224yd(Z)是一種A1安全等級的工質，主要用于透平式制冷機和余熱回收熱泵。由于ODP(大氣壽命為21天)幾乎為0，GWP值低于1，R1244yd(Z)對環(huán)境的影響很小。其物理性質與R245fa和R1233zd(E)非常接近。此外，它還與最常用的金屬、塑料和彈性體具有良好的相容性，并且可與合成油(如POE)混溶。 適合高溫熱泵的天然工質有水(R718)、二氧化碳(R744)、氨(R717)、碳氫化合物等。 水工質有以下特殊優(yōu)點：(1) 水的ODP為零，GWP<1，這意味著水是一種環(huán)境友好的工質，未來不會受到限制；(2) 自然界中有大量水，與任何其他種類的工質相比，水是最容易獲得和最經(jīng)濟的工質，自來水、經(jīng)處理的廢水或經(jīng)過粗過濾的河水都可直接用作補給水；(3) 無毒、不易燃、不易爆，不具有其他危險性質；(4) 水的化學性質非常穩(wěn)定，長期使用不會分解；(5) 與丙烷、氨和二氧化碳相比，水的蒸發(fā)潛熱和單位質量制熱量較大；(6) 水的壓差非常小，減少了安全預防措施；(7) 與其他工質相比，水具有較高的理論性能系數(shù)(COP)；(8) 以水為工質的系統(tǒng)可以使用直接熱交換器進行蒸發(fā)和冷凝。水蒸氣作為工質的缺點是其高比容、所需的高壓比，以及由此產(chǎn)生的壓縮機出口溫度高。已經(jīng)證明，這些技術挑戰(zhàn)可以通過專門開發(fā)的壓縮機來克服，尤其是帶有級間冷卻器的多級渦輪壓縮機。在當今世界，COP高的制冷系統(tǒng)是主要目標，但它并不是決定使用哪種工質的唯一因素。ODP和GWP等環(huán)境參數(shù)正變得越來越嚴格。此外，還大量考慮了工質的經(jīng)濟成本和安全性能。就所有這些方面和上述特定操作條件而言，水是最好的工質。 二氧化碳熱泵通常采用較小的尺寸。它們也在更大范圍內被商業(yè)化。盡管低臨界溫度為31°C，高臨界壓力為73.6bar，二氧化碳熱泵在跨臨界循環(huán)中也能達到90至120°C的熱匯溫度。如果熱匯的入口溫度不遠高于臨界溫度，CO2 作為高溫熱泵流體是可行的。氣體冷卻器中的高跨臨界溫度滑移使CO2 成為一種特別適用于熱源和熱匯溫差大的場景的工質。 天然工質CO2 是第一代工質之一。在制冷與熱泵領域，相比NH3 更安全。同時由于其高流體密度和高工作壓力，可以使用更小型的熱泵系統(tǒng)。其單位體積制冷量是CFC、HCFC、HFC和HC工質的3-10倍，在制冷循環(huán)中顯示出巨大優(yōu)勢。對于制熱，跨臨界循環(huán)是使用最廣泛的CO2 熱泵配置。從CO2 的T-s和T-h圖可以看出，在接近臨界溫度時，隨著溫度的降低，焓和熵急劇下降，提高了氣體冷卻器的加熱性能。然而，CO2 的工作壓力幾乎是傳統(tǒng)工質的5-10倍。所需的高溫排放與高壓有關，導致更高的壓差。此外，巨大的壓差導致膨脹過程中不可逆節(jié)流損失高，導致COP較低。 氨是一種實踐良好的工質，具有優(yōu)異的熱力學和傳輸性能，已廣泛應用于加熱和冷卻系統(tǒng)。
在美國，超過95%的工業(yè)制冷使用氨氣，而且氨氣在歐洲也占有很高的市場份額。盡管氨在一定濃度下有毒，但它有明顯的刺鼻氣味，泄漏時很容易察覺。由于氨(B2L)的毒性，必須采取某些安全預防措施。 由于氨具有較高的體積加熱能力，因此在大規(guī)模需求中具有競爭優(yōu)勢。因此，體積小的壓縮機足以滿足相同的供熱能力。同時，與其他工質相比，氨的成本更低。氨高溫熱泵的輸出溫度受高壓特性的限制，例如，97.5°C下的飽和壓力為60bar。大多數(shù)氨高溫熱泵的供應溫度限制在90°C。最近，壓縮機材料的改進使氨壓縮機在更高排氣溫度(約110°C)下的壓力增加到76bar成為可能。 碳氫化合物正丁烷(R600)和戊烷(R601)是ODP為零且GWP極低的工質。它們相對便宜，在38.0bar和33.7bar時的臨界溫度分別為152°C和196.6°C。R600被認為是供熱溫度為120°C的高溫熱泵蒸汽發(fā)生器的合適介質，該溫度可通過成熟壓縮機技術來實現(xiàn)。另一方面，由于易燃性高(A3)，必須采取特殊的安全措施，因此HCs一般被建議用于充灌量小的小型系統(tǒng)。根據(jù)EN378，實驗室設備的HCs最大容量限制為150g，在受監(jiān)督商業(yè)系統(tǒng)可達到2.5kg。 乙醇是一種在130°C到150°C冷凝溫度和80K升程的單級循環(huán)中COP最高的工作流體。體積熱容量(VHC)是所有分析流體中最小的，這使得壓縮機尺寸顯著增大，因此意味著部件的采購成本更高。 在假設提升溫度為80K的情況下，對于所有考慮的蒸發(fā)溫度值，乙醇具有最少的火用損。乙醇是唯一一種性能系數(shù)隨冷凝溫度增加而增加的流體。高臨界溫度和飽和曲線的形狀允許該流體在110°C的蒸發(fā)溫度下達到最大COP。 對于未來可用的替代工質應當在綜合考慮工質本身的性質、熱泵系統(tǒng)的節(jié)能性、環(huán)保性、安全性、經(jīng)濟性等各方面的性質下做出選擇。從目前的技術發(fā)展狀況看，國際上在各個產(chǎn)品領域采用何種替代技術路線仍存在諸多爭議，但是更低GWP 的工質在全球范圍內的應用推廣將是必然的趨勢。下表給出了工業(yè)熱泵用工質的參考替代路線表。 如需對我們的產(chǎn)品更深入了解，歡迎聯(lián)系我們。
