5.4　热泵工质的选用与设计

5.4.1　热泵工质的选用

对典型的制热温度，可参考选用的纯工质如表5-5所示（主要包括不可燃或弱可燃工质，在微型热泵中，也可考虑可燃工质，如R290、R600a、C₅H₁₂、C₆H₁₄等）。

5.4.2　热泵非共沸混合工质的设计

（1）非共沸混合工质物性的经验规律

①各组分的标准沸点相差较大时，所形成的混合工质一般也具有较大的相变温差。

②多元混合工质的相变温差主要取决于高沸点组元和低沸点组元的标准沸点之差及其摩尔分数，高、低沸点组元的标准沸点之差越大，其摩尔分数越相近，混合工质的相变温差通常越大。

③在两个标准沸点相差较大的组元基础上，加入标准沸点位于二者之间的第三组元时，可改进热泵工质与换热介质温度的匹配程度，但对混合工质的相变温差影响不大。

④利用可燃纯工质与阻燃工质的适当组配，通常可获得安全性、环境友好性、与被加热介质的温度匹配性、与传统部件及材料的兼容性、运行工况及能源效率等均较理想的混合工质。

（2）非共沸混合工质设计的一般步骤

①混合工质相变温差的确定　按照混合工质的温度变化规律应与低温热源介质、被加热介质温度变化相匹配的原则，确定混合工质的相变温差。

②组元数的确定　当混合工质的相变温差小于20℃时，可采用二元混合工质；大于20℃时，可采用三元混合工质。

③混合工质各组元的确定　搜索纯工质数据库，寻找适宜的高、低沸点组元；对三元混合工质，还要初选标准沸点在高、低沸点组元之间的第三组元，以调整混合工质的可燃性或相变温度变化特性。

④混合工质各组元浓度的确定　对初选的二元或三元混合工质，计算不同压力下的泡点温度和露点温度，并按混合工质沿换热器的相变温度变化曲线与低温热源介质、被加热介质温度变化曲线相似的原则，确定混合工质的各组元浓度。

⑤混合工质的最后确定　从满足温度匹配要求的非共沸混合工质中，综合考虑工况参数、制热性能系数、配套部件和材料的易获得性及价格、环境友好性、安全性、工质价格等，从中选出最佳的热泵工质。

（3）非共沸混合工质的设计示例

设被加热介质、低温热源介质的温度变化幅度在30℃左右，按前述设计步骤，取混合工质的相变温差为30℃，组元数为3。按高、低沸点组元的选取原则，参考表5-4，取高沸点组元为R141b（标准沸点t_b=32℃），低沸点组元可为R22（t_b=-41℃）、R134a（t_b=-26℃）或R152a（t_b=-24℃），中间组元可为R124（t_b=-13℃）、R142b（t_b=-10℃）或R227ea（t_b=-18℃）。经计算分析并综合安全性、易购性等因素，可取R22+R124+R141b（摩尔分数20%+50%+30%）或R134a+R227ea+R141b（摩尔分数30%+50%+20%），均可满足要求。前者在配套部件及材料方面优于后者，但环境友好性不如后者。

5.4.3　低排气温度热泵工质的设计

降低压缩机排气过热度有利于机组的寿命和运行可靠性。热泵工质的压缩机排气过热度（排气温度与冷凝温度之差）与工质饱和气线的倾斜特征有密切关系。

（1）基于工质饱和气线倾斜特征的分类

基于工质饱和气线倾斜特征，热泵工质可分为两类——饱和气线始终左斜型与饱和气线局部右斜型，如图5-1所示。

图5-1中BC为饱和气线，图5-1（a）中饱和气线BC左斜，图5-1（b）中饱和气线BC局部右斜。当饱和气线左斜时，压缩机排气过热度通常较大；当饱和气线局部右斜且热泵工作参数在这一区间时，压缩机排气过热度可较小。

（2）饱和气线右斜的纯工质选取

工质饱和气线的倾斜特征可用饱和气熵差和温差的比值（也称为斜率）来表征，比值在（-∞，0）区间时属左斜型，在（0，+∞）区间时属右斜型。斜率越大，则饱和气线越右斜；斜率越接近0，则饱和气线越接近垂直于横轴；斜率越小，则饱和气线越左斜。部分工质在40～80℃之间饱和熵差和温差的比值如表5-6所示。

利用表5-6，根据热泵的制热温度，即可为近似绝热压缩的压缩机选取右斜型低排气温度工质。当压缩机的效率较高时，可选择饱和气线右斜且斜率较大的工质；当压缩机的效率较低时，可选择饱和气线斜率接近0的工质。

（3）饱和气线右斜的混合工质的设计

当纯工质无法满足要求时，可通过配制混合工质的方法解决问题。

①混合工质组元的确定方法　设T-s图上饱和气线或压缩过程线的斜率用C_ST（=Δs/ΔT）表示。由已知压缩机效率，可得到压缩过程线在T-s图上的斜率，设其为C_STC；设混合工质为二元混合工质，两个组元的饱和气线在T-s图上的斜率分别为C_STR1和C_STR2，则应满足C_STR1>C_STC>C_STR2，即混合工质两个组元的饱和气线应分别在压缩过程线的两侧。当混合工质为三元混合工质时，应确保其中两个组元的饱和气线在压缩过程线的两侧，对第三组元则无特殊要求。

②混合工质组元浓度的确定　设混合工质中各个组元的质量分数分别为x₁、x₂、x₃，各组元的饱和气线斜率分别为C_STR1、C_STR2、C_STR3。对二元混合工质，其浓度确定公式为：

C_STC=x₁C_STR1+x₂C_STR2　　（5-4）

对三元混合工质，其浓度确定公式为：

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