R744/HCs非共沸混合工质热泵理论与实验研究

目前热泵系统中使用的合成制冷剂有的对大气臭氧层有破坏作用，有的温室效应指数很高，不久将会被淘汰。天然工质如：二氧化碳（R744）、碳氢类（HCs）物质将是最有潜力替代制冷剂。R744热泵系统突出的问题是系统压力高和系统的循环性能系数偏低，HCs作为制冷剂的主要问题是易燃、易爆引起的安全性问题。将具有阻燃特性的R744和热物理性能好的HCs混合形成非共沸混合制冷剂用于热泵系统将实现彼此取长补短，并可以充分利用温度滑移在换热中的优势进一步提高循环性能。基于环保和安全性、蒸气压相似和热物理性质要求，建立了R744与HCs混合工质的筛选标准。对常见的HCs制冷工质的筛选发现，R290、R600、R600a、R601、R601a和RE170等均可作为第二组元与R744构成混合工质对。通过建立的热泵循环系统热力学模型，计算分析各种混合工质对的热泵循环特性。在相同的工况条件下，发现R744/R290、R744/R600、R744/R600a、R744/R601、R744/R601a和R744/RE170热泵系统均存在最优配比，对应的供热性能系数COPh值比R22系统提高了9.88~26.24%。由于R744/R601和R744/R601a循环系统的蒸发压力低于大气压，负压运行会带来一系列密封方面的问题。热泵系统COPh高于4.0的混合工质质量配比范围差异较大，R744/R290在10/90~40/60范围内，R744/RE170为5/95~60/40，R744/R600a为5/95~16/84，R744/R600为3/97~10/90。为进一步验证理论计算结果，按照热泵热水器国家标准的工况，设计并建造了新的混合工质热泵实验系统，对R744/R290（质量配比20/80）进行了实验研究，初步证实了新的混合制冷系统比R22系统具有更高的性能系数。为了进一步探索大的R744配比下高压热泵系统的性能特点，与纯R744工质热泵系统相比，在质量配比R744/R290为95/5条件下热汇出口温度分别为65℃和55℃时，R744/R290对应的最优压力分别下降了0.82和0.12MPa，COPh分别提高了4.90%和4.30%。该课题的研究回答了R744可以与哪些HCs混合形成非共沸混合工质用于热泵系统？混合工质在什么配比范围内系统有好的循环性能？为开发新的环保工质热泵技术提供了重要的依据。