采用不同工质的中高温热泵理论循环特性

　　开展中高温热泵技术研究，具有拓展热泵节能技术的应用空间、提供工业余热资源回收利用手段的节能与环保意义.热泵技术高温化研究，已受到国内外研究机构的高度重视^[1-4].现阶段，中高温热泵技术研究的重点为基于常温热泵系统硬件，寻找环境特性和循环性能俱优的中高温热泵适用工质.与冰箱中的R12、空调中的R22 不同，中高温热泵原本不存在公认的代表性工质，尽管R11 和R114曾在某些温度范围内被应用过^[5].已有的研究中，Devotta 等^[6]对环氟化物进行了研究;Goktun^[7]在蒸发温度90℃，冷凝温度150℃理论筛选出了R123、R245ca、E245和E245cb 等作为高温热泵工质;Rakhesh 等^[8]对R227 和R114 进行了实验研究，表明R227适宜在蒸发温度高于30℃使用;Liebenberg等^[9]在中高温热泵中利用R22/142b得到60℃的热水;日本从1994—2001年，实施的名为“新制冷剂和其他物质研究开发”的国家项目，此项研究的结果显示，E245mc有望成为替代R114 的物质，并在85～90℃出水温度下进行了实验研究^[10-11].史琳等^[3,12]利用HTR 系列中高温热泵工质，HTR01、HTR04 可分别产生85℃以及80℃的热水，在冷凝器出口水温和蒸发器进口水温之差30℃以内，性能系数(coefficiency ofperformance，COP)在3.0以上.马利敏等^[13-14]通过理论循环性能分析在60~140℃的冷凝温度范围内筛选中高温热泵工质.

　　在以工质筛选为目标的理论循环性能研究中，一般对所有待考察工质指定相同的内循环参数(蒸发/冷凝温度、过热/冷度)，存在2种工质侧温度指定方法，一种是传统的简化计算方法——相变算术平均温度计算方法，此种方法也是已有文献^[13-14]中所采用的计算方法;另一种是以热力学第二定律和卡诺定理为理论基础的相变真实平均温度(同文献^[15]中的当量温度)计算方法.就纯质而言，相变算术平均温度与相变真实平均温度是一致的;而对于非共沸混合工质，由于受到相变过程温-焓关系非线性^[16-17]的影响，2种平均温度之间存在差值，这时如果用简化的相变算术平均温度计算方法进行工质的理论循环性能计算，势必对循环性能参数产生影响，进而影响不同工质间的对比评价，这种影响的量化结果，以及传统简化的计算方法的适用条件和范围，将在本文的第1节做出探讨.本文第2节中，采用指定工质侧相变真实平均温度的计算方法并结合前期研究^[18]中对压缩过程改进的计算方法，在冷凝温度80～140℃的工况范围内指导中高温热泵工质的筛选，并考虑到不同工质对不同温度区间的适应性，将考察工况进一步划分为80～110℃以及110～140℃的2 个温度区间，分别在2个子区间内进行中高温热泵工质的筛选.