CN101892033A - 含有碳氢化合物的中高温热泵混合工质 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一组含有碳氢化合物的中高温热泵混合工质，适合作为蒸发温度为60-100℃的低温有机朗肯循环系统的制冷剂。该组混合工质由R600、R600a、R290、R245fa、R13I1、R152a、R124和R142b共8种物质按不同的质量比例组成二元、三元或四元混合物。其制备方法是，将上述各种组元按指定的配比在常温下进行物理混合，得到相应的混合工质。本发明工质不破坏臭氧层，温室效应势较低，符合环保要求；热工参数适宜，循环性能优良，可以直接将本发明工质灌注于HFC134a的空调压缩机，无需为本发明工质另行设计压缩机。设计工况下的COP为4左右，单位质量输出净功在150kJ/kg以上。
Description
技术领域
本发明属于热泵或空调系统中的制冷剂，具体涉及到作为冷凝温度为60-100℃的中高温热泵系统中的制冷工质。
背景技术
对于生产和生活中大量存在的、对热能品位要求相对较低(温度为60-100℃)的用能缓解，采用热泵供热技术不仅有比常规供能方式更高的总能利用效率，减少CO2排放，还可以有效利用工业余热、地热能、太阳能以及环境(空气、土壤、地表水或浅层地下水)中蕴含的低品位热能，减小余热排放造成的热污染。当前，热泵技术正向中高温(冷凝温度80-100℃)、高温(冷凝温度高于100℃)热泵方向发展，而制约其发展的关键问题之一，就是缺乏适合的循环工质。以往曾用作高温热泵系统工质的物质有CFC11、CFC113、CFC114等，他们均为CFC类物质，其臭氧层破坏势(ODP)及温室效应势(GWP)都很大，发达国家已于1996年禁用，发展中国家也将于2010年禁用。目前应用较多的是以HCFC22或其替代物R407C等为工质的空调-热泵系统，能够提供的热水最高温度为50-55℃，而无法提供更高温度水平的热能。开发环境友好、热力性能优良的新型工质，对中高温热泵技术的发展至关重要。
本发明提供的混合工质，是为冷凝温度为60-100℃的中高温热泵系统应用而研制的，也可用做离心式制冷、空调机组的工质。
发明内容
本发明的目的是，提供一组含有碳氢化合物适于中高温热泵机组应用的新工质，使其环境特性和环境性能俱佳。
本发明内容介绍：根据优势互补的原则进行组元组合，筛选得到下述性能优良的中高温热泵混合工质。具体包括：丁烷(R600)、异丁烷(R600a)、丙烷(R290)、1，1，1，3，3-五氟丙烷(R245fa)、三氟碘甲烷(R13I1)、1，1-二氟乙烷(R152a)、一氯-1，2，2，2-四氟乙烷(R124)和一氯-1，1-二氟乙烷(R142b)。各组元物质的基本参数如表1所示。
本发明提出的含有HC600、HC600a和HC290的中高温热泵混合工质，由丁烷(R600)和1，1，1，3，3-五氟丙烷(R245fa)组成；或由异丁烷(R600a)和1，1，1，3，3-五氟丙烷(R245fa)；异丁烷(R600a)组成，或由1，1，1，3，3-五氟丙烷(R245fa)和三氟碘甲烷(R13I1)组成；或由丁烷(R600)、1，1，1，3，3-五氟丙烷(R245fa)和1，1-二氟乙烷(R152a)组成；或由异丁烷(R600a)、1，1，1，3，3-五氟丙烷(R245fa)和1，1-二氟乙烷(R152a)组成；或由一氯-1，1-二氟乙烷(R142b)、一氯-1，2，2，2-四氟乙烷(R124)、异丁烷(R600a)和1，1，1，3，3-五氟丙烷(R245fa)组成；或由异丁烷(R600a)和一氯-1，1-二氟乙烷(R142b)组成；或由异丁烷(R600a)和三氟碘甲烷(R13I1)组成；或由丁烷(R600)和三氟碘甲烷(R13I1)组成；或由丙烷(R290)和1，1，1，3，3-五氟丙烷(R245fa)组成；或由丙烷(R290)和一氯-1，2，2，2-四氟乙烷(R124)组成；或由丙烷(R290)和一氯-1，1-二氟乙烷(R142b)组成。
上述各组元物质的具体配比(质量百分数)为：
R600/R245fa 2-97/3-98％，
R600a/R245fa 3-98/2-97％，
R600a/R245fa/R13I1 3-97/2-96/1-95％，
R600/R245fa/R152a 4-90/5-91/5-91％，
R600a/R245fa/R152a 3-93/4-94/3-93％，
R142b/R124/R600a/R245fa 2-94/3-95/2-94/1-93％，
R600a/R142b 2-97/3-98％，
R600a/R13I1 2-97/3-98％，
R600/R13I1 2-97/3-98％，
R290/R245fa 2-97/3-98％，
R290/R124 2-97/3-98％，
R290/R142b 2-97/3-98％，
以上每种混合工质的各组元物质质量百分数之和为100％。
上述混合工质的制备方法是，将各组元物质按其指定的质量配比在常温下进行物理混合即可。以上每种混合工质的各组元物质质量百分数之和为100％。
本发明具有以下优点及有益效果：
(1)环境性能：本发明的ODP等于零或者较低，环境特性优良。
(2)热工参数适宜：在中高温热泵系统设计工况下，压力水平不高于HFC134a在标准空调工况下的压力水平，排温低于HFC134a压缩机的排气温度限制。因此，可以直接将本发明工质灌注于HFC134a的空调压缩机，无需为本发明工质另行设计压缩机。
(3)循环性能优良：本发明在上述设计工况下的制热COP为4左右、单位质量供热量基本在150kJ/kg以上，单位容积制热量在3000kJ/m3以上，循环性能优良。
表1中高温热泵混合工质中所含组元的基本参数
Tb：正常沸点，Tc：临界温度，Pc：临界压力
具体实施方式
实施例1：取20mass％R600和80mass％R245fa，在常温下进行物理混合后作为制冷剂。
实施例2：取55mass％R600和45mass％R245fa，在常温下进行物理混合后作为制冷剂。
实施例3：取75mass％R600和25mass％R245fa，在常温下进行物理混合后作为制冷剂。
实施例4：取25mass％R600a和75mass％R245fa，在常温下进行物理混合后作为制冷剂。
实施例5：取50mass％R600a和50mass％R245fa，在常温下进行物理混合后作为制冷剂。
实施例6：取70mass％R600a和30mass％R245fa，在常温下进行物理混合后作为制冷剂。
实施例7：取20mass％R600a、70mass％R245fa和10mass％R13I1，在常温下进行物理混合后作为制冷剂。
实施例8：取30mass％R600a、10mass％R245fa和60mass％R13I1，在常温下进行物理混合后作为制冷剂。
实施例9：取70mass％R600a、20mass％R245fa和10mass％R13I1，在常温下进行物理混合后作为制冷剂。
实施例10：取10mass％R600、70mass％R245fa和20mass％R152a，在常温下进行物理混合后作为制冷剂。
实施例11：取30mass％R600、20mass％R245fa和50mass％R152a，在常温下进行物理混合后作为制冷剂。
实施例12：取70mass％R600、20mass％R245fa和10mass％R152a，在常温下进行物理混合后作为制冷剂。
实施例13：取25mass％R600a、65mass％R245fa和10mass％R152a，在常温下进行物理混合后作为制冷剂。
实施例14：取30mass％R600a、10mass％R245fa和60mass％R152a，在常温下进行物理混合后作为制冷剂。
实施例15：取70mass％R600a、20mass％R245fa和10mass％R152a，在常温下进行物理混合后作为制冷剂。
实施例16：取20mass％R142b、60mass％R124、10mass％R600a和10mass％R245fa，在常温下进行物理混合后作为制冷剂。
实施例17：取30mass％R142b、10mass％R124、50mass％R600a和10mass％R245fa，在常温下进行物理混合后作为制冷剂。
实施例18：取70mass％R142b、10mass％R124、10mass％R600a和10mass％R245fa，在常温下进行物理混合后作为制冷剂。
实施例19：取30mass％R600a和70mass％R142b，在常温下进行物理混合后作为制冷剂。
实施例20：取50mass％R600a和50mass％R142b，在常温下进行物理混合后作为制冷剂。
实施例21：取75mass％R600a和25mass％R142b，在常温下进行物理混合后作为制冷剂。
实施例22：取25mass％R600a和75mass％R13I1，在常温下进行物理混合后作为制冷剂。
实施例23：取50mass％R600a和50mass％R13I1，在常温下进行物理混合后作为制冷剂。
实施例24：取95mass％R600a和5mass％R13I1，在常温下进行物理混合后作为制冷剂。
实施例25：取20mass％R600和80mass％R13I1，在常温下进行物理混合后作为制冷剂。
实施例26：取50mass％R600和50mass％R13I1，在常温下进行物理混合后作为制冷剂。
实施例27：取90mass％R600和10mass％R13I1，在常温下进行物理混合后作为制冷剂。
实施例28：取30mass％R290和70mass％R245fa，在常温下进行物理混合后作为制冷剂。
实施例29：取55mass％R290和45mass％R245fa，在常温下进行物理混合后作为制冷剂。
实施例30：取80mass％R290和20mass％R245fa，在常温下进行物理混合后作为制冷剂。
实施例31：取2mass％R290和98mass％R124，在常温下进行物理混合后作为制冷剂。
实施例32：取45mass％R290和55mass％R124，在常温下进行物理混合后作为制冷剂。
实施例33：取85mass％R290和15mass％R124，在常温下进行物理混合后作为制冷剂。
实施例34：取6mass％R290和94mass％R142b，在常温下进行物理混合后作为制冷剂。
实施例35：取30mass％R290和70mass％R142b，在常温下进行物理混合后作为制冷剂。
实施例36：取80mass％R290和20mass％R142b，在常温下进行物理混合后作为制冷剂。
热泵系统的设计工况取为：平均蒸发温度为45℃，平均冷凝温度90℃，吸气过热度2℃(对有些工质，以适当的排气过热度以保证避免湿压缩)，过冷度为0℃。以封闭式活塞压缩机为例，压缩机热效率取0.9，电机效率、机械效率为0.75，余隙容积系数取0.03。
根据循环计算，上述36个实施例的有关参数和循环性能指标如表2所示。
表2本发明实施例性能
| 参数与性能 | 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 | 实施例4 | 实施例5 | 实施例6 |
| 蒸发压力MPa | 0.35 | 0.39 | 0.41 | 0.41 | 0.48 | 0.54 |
| 冷凝压力MPa | 1.11 | 1.19 | 1.22 | 1.26 | 1.43 | 1.53 |
| 压比 | 3.2 | 3.01 | 2.95 | 3.11 | 2.95 | 2.85 |
| 排气温度℃ | 96.7 | 97 | 97 | 98 | 98 | 97.5 |
| COPh | 4.34 | 4.35 | 4.36 | 4.25 | 4.20 | 4.16 |
| 供热量kJ/kg | 141 | 181 | 204 | 140 | 159 | 173 |
| 单位容积制热量kJ/m3 | 2019 | 2185 | 2248 | 2244 | 2487 | 2624 |
| 参数与性能 | 实施例7 | 实施例8 | 实施例9 | 实施例10 | 实施例11 | 实施例12 |
| 蒸发压力MPa | 0.41 | 0.63 | 0.56 | 0.45 | 0.64 | 0.45 |
| 冷凝压力MPa | 1.28 | 1.75 | 1.58 | 1.45 | 1.9 | 1.34 |
| 压比 | 3.11 | 2.78 | 2.8 | 3.2 | 3.0 | 2.97 |
| 排气温度℃ | 98.8 | 102 | 97.8 | 105 | 110 | 99.7 |
| COPh | 4.26 | 4.15 | 4.15 | 4.29 | 4.23 | 4.34 |
| 供热量kJ/kg | 130 | 105 | 16 | 149 | 189 | 207 |
| 单位容积制热量kJ/m3 | 2281 | 3000 | 2703 | 2625 | 3383 | 2452 |
| 参数与性能 | 实施例13 | 实施例14 | 实施例15 | 实施例16 | 实施例17 | 实施例18 |
| 蒸发压力MPa | 0.46 | 0.79 | 0.59 | 0.60 | 0.58 | 0.58 |
| 冷凝压力MPa | 1.44 | 2.26 | 1.66 | 1.75 | 1.64 | 1.68 |
| 压比 | 3.1 | 2.8 | 2.8 | 2.9 | 2.8 | 2.9 |
| 排气温度℃ | 101 | 110 | 99 | 102 | 99 | 104 |
| COPh | 4.23 | 4.06 | 4.14 | 4.12 | 4.17 | 4.25 |
| 供热量kJ/kg | 149 | 175 | 179 | 108 | 156 | 130 |
| 单位容积制热量kJ/m3 | 2546 | 3785 | 2837 | 2963 | 2827 | 2989 |
| 参数与性能 | 实施例19 | 实施例20 | 实施例21 | 实施例22 | 实施例23 | 实施例24 |
| 蒸发压力MPa | 0.61 | 0.61 | 0.61 | 0.70 | 0.65 | 0.60 |
| 冷凝压力MPa | 1.71 | 1.69 | 1.67 | 1.89 | 1.76 | 1.66 |
| 压比 | 2.8 | 2.8 | 2.8 | 2.7 | 2.7 | 2.7 |
| 排气温度℃ | 102 | 100 | 98 | 103 | 100 | 97 |
| COPh | 4.22 | 4.18 | 4.14 | 4.13 | 4.12 | 4.11 |
| 供热量kJ/kg | 147 | 160 | 177 | 91 | 125 | 187 |
| 单位容积制热量kJ/m3 | 3001 | 2919 | 2836 | 3212 | 2979 | 2784 |
| 参数与性能 | 实施例25 | 实施例26 | 实施例27 | 实施例28 | 实施例29 | 实施例30 |
| 蒸发压力MPa | 0.61 | 0.50 | 0.44 | 0.68 | 0.99 | 1.30 |
| 冷凝压力MPa | 1.70 | 1.43 | 1.28 | 2.13 | 2.83 | 3.41 |
| 压比 | 2.8 | 2.9 | 2.9 | 3.1 | 2.8 | 2.6 |
| 排气温度℃ | 106 | 101 | 97 | 112 | 113 | 111 |
| COPh | 4.27 | 4.33 | 4.36 | 3.99 | 3.67 | 3.33 |
| 供热量kJ/kg | 94 | 147 | 215 | 155 | 160 | 149 |
| 单位容积制热量kJ/m3 | 3056 | 2610 | 2350 | 3489 | 4137 | 4301 |
| 参数与性能 | 实施例31 | 实施例32 | 实施例33 | 实施例34 | 实施例35 | 实施例36 |
| 蒸发压力MPa | 0.71 | 1.19 | 1.46 | 0.68 | 0.93 | 1.38 |
| 冷凝压力MPa | 2.03 | 3.13 | 3.65 | 1.93 | 2.55 | 3.50 |
| 压比 | 2.9 | 2.6 | 2.5 | 2.8 | 2.7 | 2.5 |
| 排气温度℃ | 103 | 109 | 109 | 108 | 111 | 109 |
| COPh | 3.92 | 3.44 | 3.12 | 4.22 | 3.92 | 3.30 |
| 供热量kJ/kg | 84 | 114 | 128 | 133 | 145 | 142 |
| 单位容积制热量kJ/m3 | 3218 | 4125 | 4148 | 3407 | 4075 | 4330 |
Claims (2)
1.含有碳氢化合物的中高温热泵混合工质，其特征是由丁烷(R600)和1，1，1，3，3-五氟丙烷(R245fa)组成；或由异丁烷(R600a)和1，1，1，3，3-五氟丙烷(R245fa)；异丁烷(R600a)组成，或由1，1，1，3，3-五氟丙烷(R245fa)和三氟碘甲烷(R13I1)组成；或由丁烷(R600)、1，1，1，3，3-五氟丙烷(R245fa)和1，1-二氟乙烷(R152a)组成；或由异丁烷(R600a)、1，1，1，3，3-五氟丙烷(R245fa)和1，1-二氟乙烷(R152a)组成；或由一氯-1，1-二氟乙烷(R142b)、一氯-1，2，2，2-四氟乙烷(R124)、异丁烷(R600a)和1，1，1，3，3-五氟丙烷(R245fa)组成；或由异丁烷(R600a)和一氯-1，1-二氟乙烷(R142b)组成；或由异丁烷(R600a)和三氟碘甲烷(R13I1)组成；或由丁烷(R600)和三氟碘甲烷(R13I1)组成；或由丙烷(R290)和1，1，1，3，3-五氟丙烷(R245fa)组成；或由丙烷(R290)和一氯-1，2，2，2-四氟乙烷(R124)组成；或由丙烷(R290)和一氯-1，1-二氟乙烷(R142b)组成。
2.按照权利要求1所述的含有碳氢化合物的中高温热泵混合工质，其特征是所述各组元物质的具体配比(质量百分数)为：
R600/R245fa 2-97/3-98％，
R600a/R245fa 3-98/2-97％，
R600a/R245fa/R13I1 3-97/2-96/1-95％，
R600/R245fa/R152a 4-90/5-91/5-91％，
R600a/R245fa/R152a 3-93/4-94/3-93％，
R142b/R124/R600a/R245fa 2-94/3-95/2-94/1-93％，
R600a/R142b 2-97/3-98％，
R600a/R13I1 2-97/3-98％，
R600/R13I1 2-97/3-98％，
R290/R245fa 2-97/3-98％，
R290/R124 2-97/3-98％，
R290/R142b 2-97/3-98％，
以上每种混合工质的各组元物质质量百分数之和为100％。
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