CN103045174A - 一种含有二甲醚和三氟碘甲烷的环保型中高温热泵工质 - Google Patents

一种含有二甲醚和三氟碘甲烷的环保型中高温热泵工质 Download PDF

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关西文
刘学武
陈申
陈国华
施志聪
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Abstract

本发明涉及一种适用于压缩式中高温热泵机组的环保型混合工质。该工质由二甲醚（DME）、三氟碘甲烷（R13I1）和二氟乙烷（R152a）三种组元物质组成，其质量百分比分别为DME（25-75%）、R13I1（15-45%）和R152a（10-50%）。制备方法是，将上述组元在常温下按指定的配比进行液态的物理混合。本发明的工质，其臭氧层破坏潜能ODP为零、且温室效应GWP值非常低，是一种环保型的混合工质；循环性能优良，中高温变工况的性能更好，滑移温度很低；该工质可以直接用于R134a热泵机组中，压缩机与系统中的主要部件无需改动。应用本发明混合工质的热泵机组可提供70-90℃的中高温热源。

Description

一种含有二甲醚和三氟碘甲烷的环保型中高温热泵工质
技术领域
本发明设计一种中高温热泵机组使用的工质，尤其涉及到一种作为冷凝温度70-100℃的中高温热泵系统中使用的、完全不破坏臭氧层（即臭氧破坏潜能ODP=0）且温室效应潜能GWP值很小的环保型混合工质。
背景技术
热泵是一种利用能量使热量从低位热源流向高位热源的装置，包括了水源热泵、地源热泵和空气源热泵，分别可利用海水、污水、地下水、地表水、土壤，以及空气源等低温低品位热能资源，采用逆卡诺循环原理，通过少量的电能消耗将低位热能向高位热能转移，从而实现制热或制冷的目的。热泵技术高效节能、运行稳定、环境效益显著，并且可以有效地利用废水废气中的余热资源，是一种非常有前景的节能技术。当前，热泵技术正向中高温（冷凝温度为80-100℃）、高温（冷凝温度100℃以上）方向发展。
传统的用于中高温热泵的工质为CFC11、CFC114等，但它们均属于CFC类物质，其臭氧层破坏潜能（ODP）与温室效应潜能（GWP）都很大，发达国家已于1996年禁用，发展中国家也于2010年禁用。
至今为止，已开发的臭氧层破坏潜能为零的商业化热泵工质有R407c、R410a和R134a（1,1,1,2-四氟乙烷）等HFC类制冷剂，但它们都有较高的温室效应潜能，并且不可避免地存在热工、循环性能等方面的缺陷，如R407c存在较大的温度滑移，R407c与R410a等工质的空调-热泵系统所能提供的热水温度仅为50-60℃（温度再高会导致循环效率下降且增加不安全因素）等。最近几年，欧盟已开始限制在汽车空调中使用GWP值大于150的制冷剂（而R134a的GWP值达到1300），因此最终此类热泵工质也将会受到《京都协议书》的管制。
在热泵干燥以及热水供暖等领域，为了提高干燥效率以及防止细菌滋生、满足供暖，往往需要提供80℃左右的热源。因此，开发环境友好、热力性能优异的中高温热泵新型工质尤为重要，特别是需要开发完全不破坏臭氧层（即ODP=0）且温室效应潜能（即GWP）很小的环保型工质，具有重要的现实意义。
发明内容
本发明的目的是研究开发一种适用于中高温热泵机组的混合工质，使其不仅有较好的环境性能，完全不破坏臭氧层、温室效应潜能较小，并且具有优异的热工参数和热工性能，工质本身还要安全、稳定。新工质还需与现有的R134a热泵机组设备和其润滑油相容，进行直接灌注使用。在利用常温余热（30-50℃）作为热源的条件下，可以提供70-90℃的中高温热源。
本发明内容介绍：
依据环境性能优异的筛选条件和优势互补的原则进行工质组元的组合，筛选得到了下述性能优良的中高温热泵混合工质。一种含有二甲醚和三氟碘甲烷的中高温热泵工质，其特征在于：该工质由二甲醚（DME），三氟碘甲烷（R13I1）和1,1-二氟乙烷（R152a）三种物质组成，各组分的质量百分比含量分别为：
二甲醚                   25-75%
三氟碘甲烷               15-45%
1,1-二氟乙烷              10-50%
三种组分物质的质量百分比之和为100%。
本发明提供的混合工质的制备方法：将各组元物质按其指定的质量配比在常温下进行液相状态的物理混合即可。
上述组分中的二甲醚（DME或RE170），其分子式为CH3OCH3，摩尔质量为46.07，正常沸点为-24.8℃，临界温度为127.2℃，临界压力为5.34MPa，GWP值＜3。
三氟碘甲烷（R13I1），其分子式为CF3I，摩尔质量为195.9，正常沸点为-21.83℃，临界温度为101.16℃，临界压力为3.953MPa，GWP值＜1。
1,1-二氟乙烷（R152a），其分子式为CF2HCH3，摩尔质量为66.05，正常沸点为-24.02℃，临界温度为113.26℃，临界压力为4.52MPa，GWP值140。
本发明具有以下优点以及有益效果：
（1）符合环保要求：本发明的制冷剂组元的臭氧破坏潜能（ODP）均为0，其温室效应潜能（GWP）也很低，可见其环境特性优异，符合保护臭氧层、减小温室效应的要求。
（2）热工参数适宜：R134a热泵工质在中高温的工况（蒸发温度50℃、冷凝温度90℃、过冷温度5℃、过热温度5℃）下，蒸发压力为1.2529MPa、冷凝压力为3.1136MPa、压缩比为2.485、排气温度为101.47℃。而本发明中的混合工质在同样的工况条件下使用时，蒸发压力、冷凝压力以及压比和排气温度等都与R134a的相近或更低。说明了本发明可以直接充灌于原R134a的热泵系统，而不需要改动其它部件，就可以提供较高温度的热量输出。
（3）循环性能优异：本发明在中高温热泵设计工况下的供热COP基本在5.55以上，单位质量供热量基本在190 kJ·kg-1以上，单位容积供热量在7400 kJ·m-3以上，循环性能优良。
综上所述，本发明不破坏臭氧层，温室效应很小，符合环保的要求；并且无毒、不可燃，热工性能和热工参数均较好，可直接利用R134a的热泵系统直接灌注，提供中高温的热量（80℃-90℃），压缩机与设备中的主要部件无需改动，生产线不需要改造。
附图说明
 图1是本发明与R114、R134a热泵工质的COP随冷凝温度变化
图2是本发明与R114、R134a热泵工质的冷凝压力随冷凝温度变化
图3是本发明与R114、R134a热泵工质的压缩比随冷凝温度变化
图4是本发明与R114、R134a热泵工质的单位容积制热量随冷凝温度变化
图5是本发明与R114、R134a热泵工质的单位质量制热量随冷凝温度变化
图6是本发明与R114、R134a热泵工质的单位质量耗功量随冷凝温度变化
具体实施方式
实施例1：
取70%DME、15%R13I1、15%R152a，在常温下进行物理混合后作为热泵系统的制冷剂。
热泵系统的设计工况取：平均蒸发温度40℃，平均冷凝温度80℃，过热度与过冷度分别为5℃。压缩过程的等熵效率取0.75。
实施例2：
取47%DME、27%R13I1、26%R152a，在常温下进行物理混合后作为热泵系统的制冷剂。
热泵系统的设计工况取为：平均蒸发温度45℃，平均冷凝温度80℃，过热度与过冷度分别为5℃。压缩过程的等熵效率取0.75。
实施例3：
取41%DME、29%R13I1、30%R152a，在常温下进行物理混合后作为热泵系统的制冷剂。
热泵系统的设计工况取为：平均蒸发温度50℃，平均冷凝温度90℃，过热度与过冷度分别为5℃。压缩过程的等熵效率取0.75。
实施例4：
取52%DME、21%R13I1、27%R152a，在常温下进行物理混合后作为热泵系统的制冷剂。
热泵系统的设计工况取为：平均蒸发温度55℃，平均冷凝温度90℃，过热度与过冷度分别为5℃。压缩过程的等熵效率取0.75。
本发明实施例性能
性能参数 实施例1 实施例2 实施例3 实施例4
蒸发压力MPa 1.1389 1.1818 1.1939 1.1753
冷凝压力MPa 2.7276 2.8222 2.8506 2.8114
压缩比 2.395 2.388 2.388 2.392
排气温度℃ 105.61 105.90 105.98 105.85
制热COP 5.734 5.656 5.633 5.674
单位质量制热量kJ/kg 268.97 221.95 211.51 236.94
单位容积制热量kJ/m3 7595.9 7726.7 7762.5 7724.7
GWP 38.0 43.5 43.8 39.6
 新工质性能优势分析
近年来，热泵作为环保节能技术越来越受到人们的重视，中高温热泵的应用范围也越来越广，同时其使用温度范围也比较宽，因此需要在中高温变工况下来比较新混合工质DME/R13I1/R152a与传统热泵工质R114、现用工质R134a的制热循环性能和热工性能。理论计算条件为：蒸发温度45℃，冷凝温度75-95℃，过冷过热5℃。如图1-图6所示，结果表明，新工质的制热性能系数COP虽然略低于传统工质CFC114，但高于R134a，在95℃的冷凝压力时仍可以达到4.34。新工质的冷凝压力略低于R134a、压缩比小于R134a，可以直接替代充注入R134a的热泵机组中进行使用。单位容积制热量要远大于传统工质而与R134a相近，这说明在同样的体积流量下，新工质可以提供更多的热量，并且由图4可见，在高温下新工质可以表现出更为稳定且优良的性能。

Claims (1)

1.一种含有二甲醚（DME）和三氟碘甲烷（R13I1）的中高温热泵混合工质，由二甲醚（DME）、三氟碘甲烷（R13I1）和1,1-二氟乙烷（R152a）三种组元物质组成，其特征是组分的质量百分比含量为：
二甲醚                   25-75%
三氟碘甲烷               15-45%
1,1-二氟乙烷              10-50%。
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