CN1810914A - 适用于分凝式热泵循环系统的多元混合工质 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于分凝式热泵循环系统的多元混合工质，它由低沸点和高沸点两组工质组成多元混合制冷剂，其中低沸点工质可以选择二氟甲烷、三氟乙烷、氟乙烷、丙烯、丙烷、五氟乙烷、全氟丙烷、丙二烯、环丙烷、二氟一氯甲烷、二氟二氯甲烷、五氟一氯乙烷、四氟乙烷、二氟乙烷中的一种或两种以上的混合物；高沸点工质可以选择异丁烷、正丁烷、丁烯、异丁烯、八氟异丁烯、八氟环丁烷、八氟－2－丁烯、七氟丙烷、六氟丙烷、五氟丙烷、四氟一氯乙烷、四氟二氯乙烷、二氟一氯乙烷、一氟三氯甲烷、一氟二氯甲烷、三氟二氯乙烷、一氟二氯乙烷中的一种或两种以上的混合物。
Description
技术领域
本发明属于利用热泵供热的技术领域，主要涉及到分凝式热泵循环系统所适用的多元混合工质。
背景技术
热泵是从低温热源吸取热量，向高温热源放出热量的设备，能大量利用自然资源和余热资源中的热量，有效地减少了输入能，因而是一种高效的供热方式，广泛地应用在采暖、供热水和工业供热上，但是目前热泵机组存在的主要问题是：在冬季室外温度低于0℃，接近-5℃时其制热能力下降较大，且不宜在低于-5℃的环境温度下工作；同样的，当所需的制取温度较高时(高于70℃，甚至达到100℃以上)，其制热效率下降很大，同时致使压缩机的排气温度升高影响到压缩机工作的可靠性，从而使得热泵机组的应用受到很大地限制。
目前的空气源热泵和热泵热水器，它在运行中存在问题的主要原因：当环境温度较低或所需的制取温度较高时，压缩机压力比很高，压缩机输气系数很小，尤其是使用往复式压缩机的热泵，当压力比达到20时输气系数接近于0，系统中制冷剂无法正常循环；压力比增大使得压缩机吸气比体积变大、系统的质量流量变小，造成制热量急剧减小；还使得实际压缩过程与理论等熵过程偏离程度增大，制热系数减小；即便是基本上不存在余隙容积的回转式压缩机，容积效率并不随压力比的上升而明显下降，但会导致排气温度上升，致使压缩机内润滑油变稀，润滑条件变坏，甚至会引起润滑油碳化，缩短压缩机的使用寿命。
将多元混和工质应用于结构简单的单级压缩分凝式热泵中，可以制取60～110℃温区的热量，混和工质分凝式热泵循环(又称自复叠循环)的工作原理：多元混合制冷剂被压缩机压缩后，经冷凝器放热制取所需的温度，然后进入气液分离器，将含有较多的高沸点组分的液体经节流阀节流进入冷凝蒸发器将含有较多低沸点组分的蒸气冷凝，然后经节流阀节流进入蒸发器，蒸发器中液体制冷剂吸收外界热量后，与从冷凝蒸发器出来的制冷剂气体混合后回到压缩机中，完成整个循环。如果需要提高热泵机组的性能，可以在系统中增加辅助热交换器，其系统示意图如图1所示：它是由包括压缩机、冷凝器、气液分离器、冷凝蒸发器、蒸发器、热交换器、节流阀和单向阀组成的。混和工质的组成直接影响到制热的效果以及系统硬件的组成和流程的布置，因此，混和工质作为热量传递的载体，是热泵性能的根本因素。目前所能检索到的相关专利有中国专利200410077681.8，但是该专利只说明了一种自复叠式空气源热泵热水器系统的循环流程，而没有涉及到该系统所使用的混合工质，同时也没有发现该种热泵循环系统针对上述温区的混合制冷剂的相关专利报道。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种适用于单级压缩分凝式热泵的多元混和工质，它可以制取60～110℃温区的热量，而在具体配比上充分考虑到单级压缩机适宜的运行压力比范围。
单级压缩分凝式热泵，组成部件相对简单，对应于不同部件发生的是不同的热力过程，包括压缩机内进行的绝热压缩、冷凝器内等压放热，汽液分离器的两相分离过程，冷凝蒸发器内的换热过程，节流元件内的节流膨胀过程，这些都是实现能量转换的过程，由压缩机输入的功以及吸收外界环境的热量转化为冷凝器侧的热量，低压高沸点工质进入冷凝蒸发器冷却高压低沸点的气体工质，自身温度恢复到环境温度后，进入压缩机完成一个热力循环。因此，混合工质对分凝式热泵性能的影响最终要体现在对上述几个热力过程的影响。另外，不同热力过程在分凝式热泵中的地位并不完全一致，其中冷凝蒸发器内的换热过程对分凝式热泵的影响(尤其是采用多元混合工质时)最大，同时换热过程的效果对第二次节流过程也有很大影响，将使节流过程的损失也大大降低。因此对混合物工质选择要综合考虑对各个热力过程的影响，对于优选的工质是使每个过程的不可逆损失降低，最终系统获得最佳性能。
本发明的技术方案如下：
一种适用于单级压缩分凝式热泵的多元混和工质，制得的多元混和工质能够制取60～110℃温区的热量，其特征在于，该多元混和工质由低沸点和高沸点两组工质混合而成；低沸点工质的总质量浓度为：20％～70％；高沸点工质的总质量浓度为：30％～80％，两组物质的质量浓度之和为100％；
低沸点工质选择二氟甲烷、三氟乙烷、氟乙烷、丙烯、丙烷、五氟乙烷、全氟丙烷、丙二烯、环丙烷、二氟一氯甲烷、二氟二氯甲烷、五氟一氯乙烷、四氟乙烷、二氟乙烷中的一种或两种以上的混合物；
高沸点工质选择异丁烷、正丁烷、丁烯、异丁烯、八氟异丁烯、八氟环丁烷、八氟-2-丁烯、七氟丙烷、六氟丙烷、五氟丙烷、四氟一氯乙烷、四氟二氯乙烷、二氟一氯乙烷、一氟三氯甲烷、一氟二氯甲烷、三氟二氯乙烷、一氟二氯乙烷中的一种或两种以上的混合物。
上述质量浓度范围的多元工质对应于分凝式热泵系统的工作压力范围：高压在1.2MPa～3.3MPa范围，低压在0.16MPa～0.41MPa范围内(均为绝对压力)，压力比在5～12。
附图说明
图1是本发明混合工质适用的的分凝式热泵循环系统基本流程图，它包括压缩机101、冷凝器102、气液分离器103、节流阀104和106、冷凝蒸发器105、蒸发器107和单向阀108组成，其中利用气液分离器103、节流阀104和冷凝蒸发器105来实现混合工质分离的目的。其循环方法为：压缩机101将混合制冷剂蒸气压缩，混合制冷剂蒸气在冷凝器102中冷凝向高温热源放出热量，其中高沸点的制冷剂大部分冷凝，低沸点的制冷剂少部分冷凝，在气液分离器103进行气液分离分两路流出，从气液分离器中出来的液体(高沸点的制冷剂占主要成分)经过节流阀104节流进入冷凝蒸发器105将从气液分离器中出来的气体(低沸点的制冷剂占主要成分)冷凝成液体，经节流阀106节流进入蒸发器107吸收低温热源的热量，而从冷凝蒸发器105出来的高沸点的制冷剂气体与从热交换器106中出来的低沸点制冷剂气体混合后回到压缩机101中，完成整个循环。图1中所示的单向阀108起到平衡压力的作用。图2和图3分别是在图1的基础上增加了换热器109。
具体实施方式
下面结合附图给出的具体实施例，对本发明专利作进一步的详细描述。
实施例1：
环境温度在-20℃～-10℃之间，分凝式热泵系统制取60℃～70℃温区的热量，其循环流程如图1所示，混合工质质量浓度及性能见表1，其中COP表示系统的制热效率：
表1：
| 项目 | 混合物1质量浓度％ | 混合物2质量浓度％ | 混合物3质量浓度％ |
| 低沸点工质 | 40(二氟甲烷) | 30(二氟甲烷) | 35(丙烷15，二氟甲烷20) |
| 高沸点工质 | 60(异丁烷) | 70(异丁烷60，五氟丙烷10) | 65(异丁烷) |
| 高压/低压(MPa) | 2.81/0.33 | 2.06/0.295 | 1.5/0.285 |
| COP | 1.70 | 1.58 | 1.69 |
实施例2：
环境温度在-20℃～-10℃之间，分凝式热泵系统制取70℃～80℃温区的热量，其循环流程如图1所示，混合工质质量浓度及性能见表2，其中COP表示系统的制热效率：
表2：
| 项目 | 混合物1质量浓度％ | 混合物2质量浓度％ | 混合物3质量浓度％ |
| 低沸点工质 | 35(二氟甲烷) | 50(五氟乙烷) | 55(五氟乙烷20，丙烷35) |
| 高沸点工质 | 65(丁烷) | 50(异丁烷15，一氟二氯乙烷35) | 45(丁烷) |
| 高压/低压(MPa) | 1.60/0.22 | 1.66/0.2 | 1.70/0.2 |
| COP | 1.56 | 1.50 | 1.66 |
实施例3：
环境温度在-10℃～0℃之间，分凝式热泵系统制取70℃～80℃温区的热量，其循环流程如图1所示，混合工质质量浓度及性能见表3，其中COP表示系统的制热效率：
表3：
| 项目 | 混合物1质量浓度％ | 混合物2质量浓度％ | 混合物3质量浓度％ |
| 低沸点工质 | 35(二氟一氯甲烷) | 40(二氟甲烷) | 40(三氟乙烷10，丙稀30) |
| 高沸点工质 | 65(丁烷) | 60(异丁烷30，丁烷30) | 60(六氟丙烷) |
| 高压/低压(MPa) | 1.2/0.195 | 2.74/0.35 | 2.57/0.275 |
| COP | 1.70 | 1.78 | 1.75 |
实施例4：
环境温度在-10℃～0℃之间，分凝式热泵系统制取80℃～90℃温区的热量，其循环流程如图1所示，混合工质质量浓度及性能见表4，其中COP表示系统的制热效率：
表4：
| 项目 | 混合物1质量浓度％ | 混合物2质量浓度％ | 混合物3质量浓度％ |
| 低沸点工质 | 50(丙稀) | 35(二氟甲烷) | 55(丙烷15，丙稀40) |
| 高沸点工质 | 50(二氟一氯乙烷) | 65(二氟一氯乙烷40，丁烷25) | 45(丁烷) |
| 高压/低压(MPa) | 3.17/0.31 | 3.11/0.335 | 2.52/0.26 |
| COP | 1.67 | 1.70 | 1.76 |
实施例5：
环境温度在0℃～10℃之间，分凝式热泵系统制取80℃～90℃温区的热量，其循环流程如图1所示，混合工质质量浓度及性能见表5，其中COP表示系统的制热效率：
表5：
| 项目 | 混合物1质量浓度％ | 混合物2质量浓度％ | 混合物3质量浓度％ |
| 低沸点工质 | 30(丙烷) | 40(丙烷) | 60(丙烷30，五氟乙烷30) |
| 高沸点工质 | 70(丁烷) | 60(二氟一氯乙烷30，丁烷30) | 40(丁烷) |
| 高压/低压(MPa) | 1.7/0.21 | 2.29/0.315 | 2.56/0.39 |
| COP | 1.90 | 1.82 | 1.83 |
实施例6：
环境温度在0℃～10℃之间，分凝式热泵系统制取90℃～100℃温区的热量，其循环流程如图1所示，混合工质质量浓度及性能见表6，其中COP表示系统的制热效率：
表6：
| 项目 | 混合物1质量浓度％ | 混合物2质量浓度％ | 混合物3质量浓度％ |
| 低沸点工质 | 25(五氟乙烷) | 35(五氟乙烷) | 45(丙烷25，氟乙烷20) |
| 高沸点工质 | 75(异丁烷) | 65(异丁烷30，丁烷35) | 55(丁烷) |
| 高压/低压(MPa) | 2.48/0.24 | 2.53/0.26 | 2.43/0.26 |
| COP | 1.58 | 1.71 | 1.72 |
实施例7：
环境温度在10℃～20℃之间，分凝式热泵系统制取90℃～100℃温区的热量，其循环流程如图1所示，混合工质质量浓度及性能见表7，其中COP表示系统的制热效率：
表7：
| 项目 | 混合物1质量浓度％ | 混合物2质量浓度％ | 混合物3质量浓度％ |
| 低沸点工质 | 30(丙烷) | 40(氟乙烷) | 45(丙烷25，丙稀20) |
| 高沸点工质 | 70(丁烷) | 60(异丁烷40，丁烷20) | 55(异丁烷) |
| 高压/低压(MPa) | 2.07/0.2 | 2.51/0.26 | 2.83/0.31 |
| COP | 1.64 | 1.74 | 1.58 |
实施例8：
环境温度在10℃～20℃之间，分凝式热泵系统制取100℃～110℃温区的热量，其循环流程如图1所示，混合工质质量浓度及性能见表8，其中COP表示系统的制热效率：
表8：
| 项目 | 混合物1质量浓度％ | 混合物2质量浓度％ | 混合物3质量浓度％ |
| 低沸点工质 | 25(二氟甲烷) | 30(丙烷) | 35(二氟一氯甲烷20，五氟乙烷15) |
| 高沸点工质 | 75(丁烷) | 70(二氟一氯乙烷30，异丁烷40) | 65(异丁烷) |
| 高压/低压(MPa) | 3.22/0.32 | 3.19/0.31 | 3.22/0.30 |
| COP | 1.59 | 1.56 | 1.52 |
上述实施例表明，本发明的多元混和工质用于单级压缩分凝式热泵提供60℃～110℃温区的热量，压缩机压力比和系统的制热效率都比较合理。
需明确说明的是：1.图1是使用单级压缩分凝式热泵的基本循环流程图，如果通过增加换热设备(如附图2和附图3)或储液设备(如在气液分离器或者冷凝蒸发器后设置储液设备)来改变循环流程；2.所适应的环境温度可以更低或者更高。而依然采用上述浓度范围内的低沸点工质和高沸点工质构成的多元混合工质；同样属于本发明的保护范围。
Claims (1)
1.一种适用于单级压缩分凝式热泵的多元混和工质，制得的多元混和工质能够制取60～110℃温区的热量，其特征在于，该多元混和工质由低沸点和高沸点两组工质混合而成；低沸点工质的总质量浓度为：20％～70％；高沸点工质的总质量浓度为：30％～80％，两组物质的质量浓度之和为100％；
低沸点工质选择二氟甲烷、三氟乙烷、氟乙烷、丙烯、丙烷、五氟乙烷、全氟丙烷、丙二烯、环丙烷、二氟一氯甲烷、二氟二氯甲烷、五氟一氯乙烷、四氟乙烷、二氟乙烷中的一种或两种以上的混合物；
高沸点工质选择异丁烷、正丁烷、丁烯、异丁烯、八氟异丁烯、八氟环丁烷、八氟-2-丁烯、七氟丙烷、六氟丙烷、五氟丙烷、四氟一氯乙烷、四氟二氯乙烷、二氟一氯乙烷、一氟三氯甲烷、一氟二氯甲烷、三氟二氯乙烷、一氟二氯乙烷中的一种或两种以上的混合物。
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