R744/HCs非共沸混合工质热泵理论与实验研究

针对不同供热温度热泵系统的要求，研究可与二氧化碳（R744）进行混合的碳氢类制冷剂（HCs）的选择准则，利用对比态原理得出R744/HCs混合工质筛选模型，由工作压力和供热温度的要求确定混合物的组分及其配比范围。研究这类非共沸混合制冷剂温度滑移特性及其与换热流体之间的温度匹配关系，提出基于传热过程熵增最小化的工质成分优选关系式。以热泵热水器为例，研究R744/HCs热泵系统组分最佳配比及其范围，循环系统最佳组成及性能优化，变工况条件下系统主要循环热力学参数之间的变化关系,以及工质泄漏时组分的变化对循环性能的影响规律等；通过上述研究，对更好地解决现存热泵工质的替代问题具有重要的学术价值和实际意义。

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。