CN114752360B - 一种用于热泵锅炉的节能环保型工质 - Google Patents

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Abstract

本发明属于制冷剂技术领域，公开了一种用于热泵锅炉的节能环保型工质，该该混合工质是由丁烷(R600)、戊烷(R601)和异戊烷(R601a)这三种组分组成的三元混合工质；并且，该混合工质中各组分的质量百分比浓度如下：丁烷(R600)的质量百分比为37％～63％，戊烷(R601)的质量百分比为0.5％～62.5％，异戊烷(R601a)的质量百分比为0.5％～62.5％。本发明通过对构成工质的细节组分及各组分的质量占比等进行控制，得到的三元混合工质，尤其能够制取150℃及以上温度的制热温度，可作为高温(温度150℃及以上)热泵工质应用。

Description

一种用于热泵锅炉的节能环保型工质
技术领域
本发明属于制冷剂技术领域，更具体地，涉及一种用于热泵锅炉的节能环保型工质，该工质能够用于热泵锅炉替代燃烧化石能源的工业锅炉，可应用于热泵、制冷领域，尤其是高温热泵中。
背景技术
工业供热占工业总能耗的50％以上，而工业锅炉是工业供热的主要来源，据统计，我国工业锅炉每年耗用原煤约占年总产量的1/3，是我国二氧化碳和二氧化硫排放的主要来源之一，各大中城市对燃煤锅炉在市区采用了严格限制使用的措施，一些城区内的工业锅炉转向燃烧天然气和汽柴油。然而随着气候变化对人类生存产生的威胁日益严重，全球达成了温室气体减排的巴黎协定。“碳达峰，碳中和”越来越受到关注。产生二氧化碳的燃烧化石能源的工业锅炉即将面临着升级或淘汰。热泵锅炉尤其是空气源热泵锅炉是燃烧化石能源的工业锅炉的首选替代方案。
工业锅炉按照用途分为热水锅炉和蒸汽锅炉。对于温度在100℃以下的热水锅炉，在目前常用的热泵工质中，有采用R134a作为工质的热泵可以制取70℃左右温度的热水。而采用R515B作为工质的热泵可以制取90℃左右的温度。而在超过100℃蒸汽锅炉领域，虽然采用R142b作为工质的热泵最高可以制取110℃左右的蒸汽，但是，R142b的消耗臭氧潜能值ODP＝0.057，具有破坏臭氧层的能力，而且全球变暖潜能值GWP＝1980，具有很强的全球变暖潜力，在安全性上也有一定的可燃性，属于A2类物质，已经被列入《蒙特利尔议定书》及其修正案需要在2030年淘汰的物质。采用HFC245fa作为工质的热泵可以制取130℃左右的蒸汽，但HFC245fa的全球变暖潜能值GWP＝962，虽然不至于在2030年前淘汰，但也被列入了2016年通过的《蒙特利尔议定书》基加利修正案需要削减的名单。而到150℃左右的蒸汽，还没有合适的热泵工质。但在实际工业生产中，需要大量的150℃左右的蒸汽。比如在卷烟生产中，烟丝干燥的最佳温度在150℃左右，目前都是采用燃气、燃油等燃烧化石能源的方式实现，造成了大量二氧化碳温室气体的排放。因此，能够获得150℃及以上温度的热泵工质是热泵锅炉替代工业锅炉的关键。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的目的在于提供一种用于热泵锅炉的节能环保型工质，其中通过对构成工质的细节组分及各组分的质量占比等进行控制，得到的三元混合工质，尤其能够制取150℃及以上温度的制热温度，可作为高温(温度150℃及以上)热泵工质应用；使用该三元混合工质作为工质的热泵锅炉可以替代燃烧化石能源的工业锅炉以大幅度减少二氧化碳的排放。并且，相较于燃烧化石能源的工业锅炉，热泵本身的效率就是大于1的，因此具有节能的特点。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种节能环保型混合工质，其特征在于，该混合工质是由丁烷(R600)、戊烷(R601)和异戊烷(R601a)这三种组分组成的三元混合工质；并且，该混合工质中各组分的质量百分比浓度如下：丁烷(R600)的质量百分比为37％～63％，戊烷(R601)的质量百分比为0.5％～62.5％，异戊烷(R601a)的质量百分比为0.5％～62.5％。
作为本发明的进一步优选，所述混合工质中各组分的质量百分比浓度如下：丁烷(R600)的质量百分比为45％～55％，戊烷(R601)的质量百分比为15％～40％，异戊烷(R601a)的质量百分比为15％～40％。
作为本发明的进一步优选，所述混合工质中各组分的质量百分比浓度如下：丁烷(R600)的质量百分比为50％，戊烷(R601)的质量百分比为25％，异戊烷(R601a)的质量百分比为25％。
按照本发明的另一方面，本发明提供了上述节能环保型混合工质作为热泵工质的应用。
作为本发明的进一步优选，所述热泵工质的制热温度能够达到150℃及以上。
按照本发明的又一方面，本发明提供了一种热泵，其特征在于，其工质为上述节能环保型混合工质。
作为本发明的进一步优选，该热泵能够制取温度150℃及以上的蒸汽。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，由于采用特定配比的丁烷(R600)、戊烷(R601)和异戊烷(R601a)构建R600/R601/R601a三元混合工质(其中，丁烷(R600)组分在该混合工质中的质量占比为37％～63％，戊烷(R601)组分在该混合工质中的质量占比为0.5％～62.5％，异戊烷(R601a)组分在该混合工质中的质量占比为0.5％～62.5％)，能够取得以下有益效果：
1.制热温度可以达到150℃及以上，可以替代燃烧化石能源的工业锅炉。R600/R601/R601a三元混合体系的具体制热温度受各组分占比的综合影响，本发明通过将丁烷(R600)组分在整体体系中的质量占比控制为37％～63％，戊烷(R601)组分在整体体系中的质量占比控制为0.5％～62.5％，异戊烷(R601a)组分在整体体系中的质量占比控制为0.5％～62.5％，使整体三元混合体系的具体制热温度能够达到150℃及以上，最高可达170℃。
2.工作温度范围宽，在蒸发温度低至6℃整个热泵系统仍然处于正压状态，不仅可以充分利用自然界的空气能，而且还避免了发生泄漏时外界的空气漏入系统。
3.滑移温度均小于11℃，与一般制冷热泵系统的过热度一致，因此对系统过热度没有特殊要求。
4.本发明在制热温度(冷凝温度)150℃时，冷凝压力均低于3.0MPa，因此对系统的承压能力没有特殊要求(因为目前制冷热泵系统的压力一般都在3.0MPa以下；若高于3.0MPa，则需要重新设计以满足承压能力，成本将大大增加)。后文部分实施例所对应的冷凝压力甚至不超过2.8MPa，工业应用前景良好。
5.在蒸发温度为40℃，冷凝温度为150℃的条件下，制热系数大于等于1.66，而且压力比控制在10左右，因此单级压缩热泵就可实现。
6.ODP值为零、GWP值仅为20左右可以忽略，因此具有显著的环保优势。
另外，基于本发明，在制备目标的三元混合工质时，可以将丁烷(R600)，戊烷(R601)和异戊烷(R601a)这三种组元物质按其目标的质量配比在常温下进行物理混合即可。
综上，本发明采用特定配比的丁烷(R600)、戊烷(R601)和异戊烷(R601a)构建R600/R601/R601a三元混合工质，制热温度可以达到150℃及以上，冷凝压力均低于3.0MPa，ODP值和GWP值均可忽略，尤其可应用在高温热泵领域直接替代燃烧化石能源的工业锅炉以大幅度减少二氧化碳的排放，从而具有更加优异的环保性能。当然，本发明中的三元混合工质同样也适用于制热温度低于150℃的情况。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明在具体实施时，所用的组元R600、R601和R601a均为制冷与低温技术领域所常用的工质。基于本发明所得的混合工质中，各组元的质量百分比浓度之和为100％，其中，丁烷(R600)的质量百分比为37％～63％、戊烷(R601)的质量百分比为0.5％～62.5％，异戊烷(R601a)的质量百分比为0.5％～62.5％。
实施例1
取R600、R601和R601a三种工质，在液相状态下，取质量百分比为37％的R600、62.5％的R601和0.5％的R601a进行充分物理混合，获得非共沸混合工质。
实施例2
取R600、R601和R601a三种工质，在液相状态下，取质量百分比为37％的R600、32％的R601和31％的R601a进行充分物理混合，获得非共沸混合工质。
实施例3
取R600、R601和R601a三种工质，在液相状态下，取质量百分比为45％的R600、30％的R601和25％的R601a进行充分物理混合，获得非共沸混合工质。
实施例4
取R600、R601和R601a三种工质，在液相状态下，取质量百分比为50％的R600、25％的R601和25％的R601a进行充分物理混合，获得非共沸混合工质。
实施例5
取R600、R601和R601a三种工质，在液相状态下，取质量百分比为55％的R600、23％的R601和22％的R601a进行充分物理混合，获得非共沸混合工质。
实施例6
取R600、R601和R601a三种工质，在液相状态下，取质量百分比为63％的R600、19％的R601和18％的R601a进行充分物理混合，获得非共沸混合工质。
实施例7
取R600、R601和R601a三种工质，在液相状态下，取质量百分比为63％的R600、0.5％的R601和36.5％的R601a进行充分物理混合，获得非共沸混合工质。
上述实施例所采用的丁烷(R600)，戊烷(R601)和异戊烷(R601a)这三种组元的基本物理性质如表1所示：
表1：R600、R601和R601a物性参数
参数 R601 R601a R600
分子式 <![CDATA[C<sub>5</sub>H<sub>12</sub>]]> <![CDATA[CH<sub>3</sub>CH(CH<sub>3</sub>)CH<sub>2</sub>CH<sub>3</sub>]]> <![CDATA[C<sub>4</sub>H<sub>10</sub>]]>
相对分子质量 72 72.15 58.1
汽化潜热(0.1013MPa)kJ/kg 357.71 343.3 385.70
标准沸点℃ 36.06 27.83 -0.5
临界压力MPa 3.3675 3.378 3.796
临界温度℃ 196.55 187.2 151.98
<![CDATA[临界密度kg/m<sup>3</sup>]]> 231.6 236.0 228.0
ODP 0 0 0
GWP ～20 ～20 ～20
针对各个实施例得到的混合工质：
计算工况如下：蒸发温度为40℃，冷凝温度为150℃，过冷温度为145℃，过热温度51℃。理论循环计算过程中压缩过程为等熵压缩。
理论循环计算主要针对压比、单位容积制热量、制热系数和沸点(泡点)温度、露点温度、滑移温度以及临界温度等关键参数进行相关比较，其对比参数结果如表2所示：
表2：高温热泵工况理论循环计算参数
Figure BDA0003594279830000061
Figure BDA0003594279830000071
注：压力比即冷凝压力与蒸发压力之比；蒸发压力取40℃的饱和液体压力，冷凝压力取150℃的饱和液体压力.
结果表明：
1.所有实施例的临界温度均高于165℃，最高达到了180℃，因此制热温度可以达到150℃及以上，可以替代燃烧化石能源的工业锅炉；
2.工作温度范围宽，在蒸发温度低至6℃左右整个热泵系统仍然处于正压状态，因此避免了发生泄漏时外界空气漏入系统；
3.滑移温度均小于11℃，与一般制冷热泵系统的过热度一致，因此对系统的过热度没有特殊要求；
4.本发明在制热温度(冷凝温度)150℃时，冷凝压力均低于3.0MPa，因此对系统的承压能力没有特殊要求；部分实施例所对应的冷凝压力甚至不超过2.8MPa，工业应用前景良好。
5.在蒸发温度为40℃，冷凝温度为150℃的条件下，制热系数大于等于1.66，而且压力比控制在10左右，因此单级压缩热泵就可实现；
6.ODP值为零、GWP值仅为20左右可以忽略，因此具有显著的环保优势。
可见，本发明作为工质的高温热泵锅炉可以直接替代燃烧化石能源的工业锅炉。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种节能环保型混合工质，其特征在于，该混合工质是由丁烷(R600)、戊烷(R601)和异戊烷(R601a)这三种组分组成的三元混合工质；并且，该混合工质中各组分的质量百分比浓度如下：丁烷(R600)的质量百分比为37％～63％，戊烷(R601)的质量百分比为0.5％～62.5％，异戊烷(R601a)的质量百分比为0.5％～62.5％。
2.如权利要求1所述节能环保型混合工质，其特征在于，所述混合工质中各组分的质量百分比浓度如下：丁烷(R600)的质量百分比为45％～55％，戊烷(R601)的质量百分比为15％～40％，异戊烷(R601a)的质量百分比为15％～40％。
3.如权利要求1所述节能环保型混合工质，其特征在于，所述混合工质中各组分的质量百分比浓度如下：丁烷(R600)的质量百分比为50％，戊烷(R601)的质量百分比为25％，异戊烷(R601a)的质量百分比为25％。
4.如权利要求1－3任意一项所述节能环保型混合工质作为热泵工质的应用。
5.如权利要求4所述应用，其特征在于，所述热泵工质的制热温度能够达到150℃及以上。
6.一种热泵，其特征在于，其工质为权利要求1－3任意一项所述节能环保型混合工质。
7.如权利要求6所述热泵，其特征在于，该热泵能够制取温度150℃及以上的蒸汽。
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