對(duì)比了R1234ze、R134a、R124、R142b等工質(zhì)的熱物理性質(zhì)，分析了幾種工質(zhì)在高溫?zé)岜脩?yīng)用中相同工況下的壓比、COP、壓縮機(jī)排氣量、排氣溫度等性能參數(shù)，論述了R1234ze用作高溫?zé)岜霉べ|(zhì)的可行性及R1234ze高溫?zé)岜脵C(jī)組的特性。結(jié)果表明R1234ze在高溫?zé)岜?5～95℃工作區(qū)間內(nèi)，具有系統(tǒng)制熱COP高、壓比適中、壓縮機(jī)排氣溫度低等特點(diǎn)。同時(shí)，其良好的熱物性、較低的GWP值決定了其可以應(yīng)用于高溫?zé)岜弥小?/p>

1、高溫?zé)岜眉夹g(shù)

　　以溫度在30～50℃的工業(yè)廢水作為熱源，高溫水源熱泵能夠提供75～95℃的熱水，可直接應(yīng)用于供暖和工業(yè)余熱回收。高溫?zé)岜靡蚱漭^高的出水溫度，在油田原油加熱集輸、化工、城市熱水余熱回收、木材干燥等場(chǎng)合有廣泛的應(yīng)用。

　　高溫水源熱泵技術(shù)與常規(guī)熱泵相比，具有其自身的特點(diǎn):較高的冷凝溫度和冷凝壓力，較高的壓縮比和排氣溫度等。熱泵工質(zhì)的性質(zhì)在一定程度上決定著系統(tǒng)整體的工作性能，在蒸汽壓縮式熱泵系統(tǒng)中，目前常用工質(zhì)主要有CO2、R134a、R124、R142b等純質(zhì)工質(zhì)及非共沸及近共沸混合工質(zhì)，如R404A等。

　　自然工質(zhì)如CO2屬環(huán)境友好型制冷劑，但運(yùn)行壓力高，對(duì)系統(tǒng)部件耐壓要求較高;R124、R142b等HCFC類工質(zhì)可以在高溫?zé)岜弥袘?yīng)用，但根據(jù)蒙特利爾議定書的要求，該類制冷劑將逐步減少產(chǎn)量直至淘汰，使其在高溫?zé)岜妙I(lǐng)域內(nèi)的持續(xù)應(yīng)用受到限制。尋求環(huán)境友好、熱力性質(zhì)穩(wěn)定、系統(tǒng)性能良好的高溫工質(zhì)，是目前高溫水源熱泵研究的一個(gè)重要內(nèi)容，對(duì)推進(jìn)節(jié)能型社會(huì)的發(fā)展具有積極意義。

2、R1234ze介紹

　　1，3，3，3-四氟丙烯(R1234ze)是由霍尼韋爾和杜邦公司推出的制冷劑，其分子式為CF3CH=CHF，分子量為114，無毒性，不可燃，ODP值為0，GWP值為6，大氣停留時(shí)間為11天，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。

　　在國(guó)內(nèi)針對(duì)R1234ze的研究中，不少學(xué)者詳細(xì)介紹了該制冷工質(zhì)的熱物理性質(zhì)、合成研究進(jìn)展、與現(xiàn)有制冷系統(tǒng)所用材料的相容性及其在制冷領(lǐng)域的應(yīng)用等。汪訓(xùn)昌介紹了R1234ze熱物性的相關(guān)測(cè)試方法，給出了制冷劑參數(shù)的測(cè)試結(jié)果，并分析了該測(cè)試所得數(shù)據(jù)與其他文獻(xiàn)數(shù)據(jù)存在差異的原因。Brown等在詳細(xì)研究R1234ze的基礎(chǔ)上，提供了R1234ze的臨界壓力、臨界溫度、密度、偏心因子等參數(shù)及工質(zhì)的傳熱特性，對(duì)比R1234ze與R114的系統(tǒng)循環(huán)性能后提出可將R1234ze作為R114的替代物。Akasaka基于有效實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)提出了一個(gè)R1234ze的熱物性模型，利用該模型可準(zhǔn)確計(jì)算R1234ze的蒸汽壓力、飽和液體密度、等壓熱容等物性參數(shù)，并提供了由該模型計(jì)算得到的R1234ze熱物性圖表。Grauso研究了相同工況下R1234ze與R134a在蒸發(fā)過程中的流動(dòng)模型、換熱及壓降情況，結(jié)果顯示R1234ze可在多個(gè)應(yīng)用場(chǎng)合作為R134a的替代品。Park等采用實(shí)驗(yàn)手段對(duì)比了相同工況下制冷劑R1234ze與R134a、R236fa在垂直微通道內(nèi)的冷凝傳熱性能，結(jié)果表明R1234e的放熱性能與R236fa相當(dāng)，比R134a低約15～25%。Hossain等研究了R1234ze、R32與R1234ze的混合物、R32和R410A在水平光管中的傳熱性能，實(shí)驗(yàn)指出在40℃的飽和溫度下，真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.jnannai.com/)認(rèn)為R1234ze的傳熱性能比R32低20%～45%，比R410A高10%～30%。目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于R1234ze的研究，主要集中于R1234ze熱物理性質(zhì)及其在不同尺度管內(nèi)流動(dòng)換熱性能的研究，有部分文獻(xiàn)介紹了其在制冷循環(huán)中的應(yīng)用，但以R1234ze作為高溫水源熱泵工質(zhì)的應(yīng)用研究尚未展開。

　　基于R1234ze熱物性參數(shù)，本文對(duì)其在高溫?zé)岜孟到y(tǒng)中應(yīng)用的性能進(jìn)行了計(jì)算。通過與目前常用熱泵工質(zhì)的對(duì)比分析，探討了將R1234ze用于高溫?zé)岜玫目尚行浴Ｍ瑫r(shí)基于高溫水源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行中出現(xiàn)的問題，以R1234ze為熱泵工質(zhì)的前提下，介紹了對(duì)壓縮機(jī)和熱泵機(jī)組的改進(jìn)情況。

4、R1234ze熱泵機(jī)組的特性

　　將R1234ze實(shí)際應(yīng)用于高溫?zé)岜脵C(jī)組時(shí)，需根據(jù)R1234ze的特點(diǎn)調(diào)整機(jī)組各部件來保證系統(tǒng)的穩(wěn)定高效運(yùn)行。表3給出了在蒸發(fā)溫度為35℃，冷凝溫度為95℃，制熱量為100kW工況下，系統(tǒng)采用不同工質(zhì)所需壓縮機(jī)理論排氣量及冷凝器所需換熱面積的對(duì)比。目前，常用于高溫?zé)岜脵C(jī)組的壓縮機(jī)主要是半封閉螺桿壓縮機(jī)和半封閉活塞壓縮機(jī)。冷凝器為殼管式換熱器，制冷劑在管外凝結(jié)放熱，冷卻水設(shè)計(jì)流速為1m/s，其傳熱系數(shù)采用Dhir等提出的關(guān)聯(lián)式計(jì)算。

表3　壓縮機(jī)理論排氣量及冷凝器換熱面積對(duì)比

　　4.1、壓縮機(jī)的調(diào)整

　　從表3可以看出:制熱量相同，采用R1234ze為工質(zhì)的系統(tǒng)需要壓縮機(jī)排氣量89.8m3/h，是R134a的1.3倍，是R124的0.85倍。相同溫度下R1234ze的飽和壓力低于R134a，使得目前市場(chǎng)上適用于工質(zhì)R134a的壓縮機(jī)可直接應(yīng)用于R1234ze熱泵機(jī)組中，從而擴(kuò)展了適合于R1234ze工質(zhì)的壓縮機(jī)選型范圍。

　　對(duì)于半封閉螺桿壓縮機(jī)而言，若將市場(chǎng)上已有的R134a壓縮機(jī)應(yīng)用于R1234ze熱泵機(jī)組，需對(duì)壓縮機(jī)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整:調(diào)整排氣孔口的位置來調(diào)節(jié)壓縮機(jī)內(nèi)容積比，使內(nèi)壓力比與外壓力比匹配，保證壓縮機(jī)效率;根據(jù)R1234ze物性參數(shù)計(jì)算轉(zhuǎn)子受力，調(diào)整壓縮機(jī)軸承;合理選擇機(jī)組潤(rùn)滑油。

　　同樣，將R1234ze應(yīng)用于高溫?zé)岜孟到y(tǒng)，同樣需設(shè)置額外的保護(hù)措施保證壓縮機(jī)安全運(yùn)行。對(duì)螺桿壓縮機(jī)而言:設(shè)置外置油冷卻器來降低壓縮機(jī)潤(rùn)滑油系統(tǒng)的溫度;合理設(shè)置噴油孔口及計(jì)算壓縮機(jī)在高溫工況下的噴油量，向壓縮機(jī)封閉容積腔噴入霧狀潤(rùn)滑油以減低排氣溫度;應(yīng)用于高溫?zé)岜玫膲嚎s機(jī)運(yùn)行時(shí)功率較常規(guī)壓縮機(jī)高，應(yīng)對(duì)電機(jī)擴(kuò)容10%～15%左右，避免壓縮機(jī)在高溫工況下過載運(yùn)行;在電機(jī)繞圈預(yù)埋溫度傳感器監(jiān)測(cè)電機(jī)溫度。

　　4.2、換熱器的改進(jìn)

　　由表3可知，制熱量相同，系統(tǒng)采用工質(zhì)R1234ze冷凝器所需的換熱面積與系統(tǒng)采用R124時(shí)相當(dāng)，僅為R134a的0.84倍。較小的換熱面積顯示了R1234ze在冷凝器中良好的放熱性能，保證了換熱量較大時(shí)冷凝器可維持在合理的尺寸。為保證制冷劑在冷凝器中充分換熱，R1234ze高溫?zé)岜脵C(jī)組冷凝器換熱管束的布置區(qū)別于制冷系統(tǒng)用冷凝器。制冷系統(tǒng)中冷凝器傳熱管布置時(shí)，通常在冷凝器殼體內(nèi)下部留出一定空間不裝傳熱管，起到貯液器的作用。而在高溫?zé)岜美淠�器設(shè)計(jì)中，需在殼體下部設(shè)置一定數(shù)量的傳熱管，以保證冷凝器底部制冷劑液體與冷凝水的充分換熱。

　　4.3、二次油分的設(shè)置

　　R1234ze熱泵機(jī)組高溫工況下，排氣壓力過高影響排氣端潤(rùn)滑油的分離，油分離效率過低會(huì)使大量的潤(rùn)滑油進(jìn)入系統(tǒng)，造成壓縮機(jī)油位降低，影響壓縮機(jī)正常工作甚至損壞。在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)增加二次油分來增加油氣分離的效果。

5、結(jié)語

　　本文對(duì)比了R1234ze、R134a、R124、R142b等工質(zhì)在高溫水源熱泵工況下的性能，結(jié)論表明:將R1234ze應(yīng)用于高溫?zé)岜弥袝r(shí)，系統(tǒng)冷凝壓力低，可直接應(yīng)用現(xiàn)有制冷系統(tǒng)部件，單位容積制熱量較大，高溫工況時(shí)COP值不低于同等條件下R134a的值，壓縮機(jī)排氣溫度在壓縮機(jī)承受范圍。與常用熱泵工質(zhì)相比;R1234ze的ODP值為0，GWP值較低，對(duì)環(huán)境及臭氧層友好，與常見潤(rùn)滑油互溶性好，不與機(jī)組材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。基于以上研究，R1234ze適用于高溫?zé)岜玫倪\(yùn)行范圍，可以在高溫水源熱泵中使用。