5.4　熱泵工質的選用與設計

5.4.1　熱泵工質的選用

對典型的制熱溫度，可參考選用的純工質如表5-5所示（主要包括不可燃或弱可燃工質，在微型熱泵中，也可考慮可燃工質，如R290、R600a、C₅H₁₂、C₆H₁₄等）。

5.4.2　熱泵非共沸混合工質的設計

（1）非共沸混合工質物性的經驗規律

①各組分的標準沸點相差較大時，所形成的混合工質一般也具有較大的相變溫差。

②多元混合工質的相變溫差主要取決于高沸點組元和低沸點組元的標準沸點之差及其摩爾分數，高、低沸點組元的標準沸點之差越大，其摩爾分數越相近，混合工質的相變溫差通常越大。

③在兩個標準沸點相差較大的組元基礎上，加入標準沸點位于二者之間的第三組元時，可改進熱泵工質與換熱介質溫度的匹配程度，但對混合工質的相變溫差影響不大。

④利用可燃純工質與阻燃工質的適當組配，通常可獲得安全性、環境友好性、與被加熱介質的溫度匹配性、與傳統部件及材料的兼容性、運行工況及能源效率等均較理想的混合工質。

（2）非共沸混合工質設計的一般步驟

①混合工質相變溫差的確定　按照混合工質的溫度變化規律應與低溫熱源介質、被加熱介質溫度變化相匹配的原則，確定混合工質的相變溫差。

②組元數的確定　當混合工質的相變溫差小于20℃時，可采用二元混合工質；大于20℃時，可采用三元混合工質。

③混合工質各組元的確定　搜索純工質數據庫，尋找適宜的高、低沸點組元；對三元混合工質，還要初選標準沸點在高、低沸點組元之間的第三組元，以調整混合工質的可燃性或相變溫度變化特性。

④混合工質各組元濃度的確定　對初選的二元或三元混合工質，計算不同壓力下的泡點溫度和露點溫度，并按混合工質沿換熱器的相變溫度變化曲線與低溫熱源介質、被加熱介質溫度變化曲線相似的原則，確定混合工質的各組元濃度。

⑤混合工質的最后確定　從滿足溫度匹配要求的非共沸混合工質中，綜合考慮工況參數、制熱性能系數、配套部件和材料的易獲得性及價格、環境友好性、安全性、工質價格等，從中選出最佳的熱泵工質。

（3）非共沸混合工質的設計示例

設被加熱介質、低溫熱源介質的溫度變化幅度在30℃左右，按前述設計步驟，取混合工質的相變溫差為30℃，組元數為3。按高、低沸點組元的選取原則，參考表5-4，取高沸點組元為R141b（標準沸點t_b=32℃），低沸點組元可為R22（t_b=-41℃）、R134a（t_b=-26℃）或R152a（t_b=-24℃），中間組元可為R124（t_b=-13℃）、R142b（t_b=-10℃）或R227ea（t_b=-18℃）。經計算分析并綜合安全性、易購性等因素，可取R22+R124+R141b（摩爾分數20%+50%+30%）或R134a+R227ea+R141b（摩爾分數30%+50%+20%），均可滿足要求。前者在配套部件及材料方面優于后者，但環境友好性不如后者。

5.4.3　低排氣溫度熱泵工質的設計

降低壓縮機排氣過熱度有利于機組的壽命和運行可靠性。熱泵工質的壓縮機排氣過熱度（排氣溫度與冷凝溫度之差）與工質飽和氣線的傾斜特征有密切關系。

（1）基于工質飽和氣線傾斜特征的分類

基于工質飽和氣線傾斜特征，熱泵工質可分為兩類——飽和氣線始終左斜型與飽和氣線局部右斜型，如圖5-1所示。

圖5-1中BC為飽和氣線，圖5-1（a）中飽和氣線BC左斜，圖5-1（b）中飽和氣線BC局部右斜。當飽和氣線左斜時，壓縮機排氣過熱度通常較大；當飽和氣線局部右斜且熱泵工作參數在這一區間時，壓縮機排氣過熱度可較小。

（2）飽和氣線右斜的純工質選取

工質飽和氣線的傾斜特征可用飽和氣熵差和溫差的比值（也稱為斜率）來表征，比值在（-∞，0）區間時屬左斜型，在（0，+∞）區間時屬右斜型。斜率越大，則飽和氣線越右斜；斜率越接近0，則飽和氣線越接近垂直于橫軸；斜率越小，則飽和氣線越左斜。部分工質在40～80℃之間飽和熵差和溫差的比值如表5-6所示。

利用表5-6，根據熱泵的制熱溫度，即可為近似絕熱壓縮的壓縮機選取右斜型低排氣溫度工質。當壓縮機的效率較高時，可選擇飽和氣線右斜且斜率較大的工質；當壓縮機的效率較低時，可選擇飽和氣線斜率接近0的工質。

（3）飽和氣線右斜的混合工質的設計

當純工質無法滿足要求時，可通過配制混合工質的方法解決問題。

①混合工質組元的確定方法　設T-s圖上飽和氣線或壓縮過程線的斜率用C_ST（=Δs/ΔT）表示。由已知壓縮機效率，可得到壓縮過程線在T-s圖上的斜率，設其為C_STC；設混合工質為二元混合工質，兩個組元的飽和氣線在T-s圖上的斜率分別為C_STR1和C_STR2，則應滿足C_STR1>C_STC>C_STR2，即混合工質兩個組元的飽和氣線應分別在壓縮過程線的兩側。當混合工質為三元混合工質時，應確保其中兩個組元的飽和氣線在壓縮過程線的兩側，對第三組元則無特殊要求。

②混合工質組元濃度的確定　設混合工質中各個組元的質量分數分別為x₁、x₂、x₃，各組元的飽和氣線斜率分別為C_STR1、C_STR2、C_STR3。對二元混合工質，其濃度確定公式為：

C_STC=x₁C_STR1+x₂C_STR2　　（5-4）

對三元混合工質，其濃度確定公式為：

C_STC=x₁C_STR1+x₂C_STR2+x₃C_STR3　　（5-5）