陳孚江，張 云，姜欽青，黃丹丹，吳沁雨

(1.常州大學，江蘇常州 213016；2.江西省建筑科學研究院，江西南昌 330077)

制冷空調(diào)

低溫環(huán)境下運行參數(shù)對兩級壓縮空氣源熱泵性能的影響

陳孚江1，張 云1，姜欽青2，黃丹丹2，吳沁雨2

(1.常州大學，江蘇常州 213016；2.江西省建筑科學研究院，江西南昌 330077)

基于R134a壓焓圖和Cleland計算模型，分析了低溫環(huán)境下運行參數(shù)對兩級壓縮一次節(jié)流中間不完全冷卻空氣源熱泵系統(tǒng)性能的影響。結(jié)果表明：冷凝溫度和蒸發(fā)溫度是影響系統(tǒng)COP的主要因素，且蒸發(fā)溫度影響更大；冷凝器出口處過冷度對系統(tǒng)COP和低壓級制冷劑流量的影響較小，高壓級制冷劑流量隨過冷度的增加而減少，且減少幅度隨蒸發(fā)溫度和冷凝溫度的升高而逐漸增大；系統(tǒng)蒸發(fā)器出口處過熱度幾乎不影響COP；高壓級壓縮機的排氣溫度隨蒸發(fā)器出口處的過熱度增加而增大；而高、低壓級制冷劑流量隨蒸發(fā)器出口處過熱度的增加而降低，且降低幅度隨蒸發(fā)溫度的降低逐漸降低，但基本不受冷凝溫度的影響。

空氣源熱泵；兩級壓縮；過熱度；過冷度；COP

1 前言

空氣源熱泵是一種高效節(jié)能裝置，通過消耗少量高品質(zhì)能量來滿足冬季生活熱水供應或供暖要求。在我國寒冷地區(qū)，室外溫度可達-40 ℃，普通單級空氣源熱泵運行時會出現(xiàn)壓縮機壓力比增大、制熱性能下降、壓縮機排氣溫度過高容易炭化潤滑油，縮短壓縮機壽命，甚至造成系統(tǒng)不能正常運行等現(xiàn)象[1-3]。

為此，采用兩級壓縮空氣源熱泵循環(huán)系統(tǒng)來提高空氣源熱泵在低溫環(huán)境下運行性能的研究越來越多。王偉等提出了一種用于低溫環(huán)境下的雙級壓縮風冷熱泵熱水器，在冷凝溫度為60 ℃，環(huán)境溫度為-30 ℃時，系統(tǒng)性能系數(shù)COP能達到2.0[4]。武文彬等對兩級壓縮空氣源熱泵熱水器進行了實驗研究，得出低溫環(huán)境下，雙級壓縮循環(huán)壓縮比低于普通單級壓縮循環(huán)壓縮比;系統(tǒng)制熱量始終大于單級壓縮循環(huán)制熱量[5]。田長青等將變頻技術(shù)和兩級壓縮技術(shù)相結(jié)合，提高熱泵系統(tǒng)的性能和制熱量[6]。劉雄等提出了一種CO2雙級壓縮制冷熱泵循環(huán)，理論分析了不同制冷劑質(zhì)量流量系數(shù)、不同環(huán)境溫度、熱水溫度以及高壓壓縮機排氣壓力下，新循環(huán)的性能，考察了特征溫度和最佳排氣壓力的影響因素[7]。Xu Shuxue等研究了雙缸滾動活塞式雙級壓縮熱泵系統(tǒng)，采用噴氣增焓技術(shù)，大大提高了系統(tǒng)的整體性能[8]。劉思煦等針對兩次節(jié)流中間不完全冷卻兩級壓縮空氣源熱泵系統(tǒng)，提出了當COP和單位制熱量同等重要時，COP少量降低，系統(tǒng)的單位制熱量增加，減少能耗和環(huán)境污染的同時，滿足冬季室內(nèi)熱舒適性[9]。

兩級壓縮一次節(jié)流中間不完全冷卻空氣源熱泵系統(tǒng)具有供液壓差大，節(jié)流閥尺寸小，液體經(jīng)中間冷卻器冷卻后過冷度增大，制冷劑流入蒸發(fā)器不易產(chǎn)生閃蒸等特性[9]。本文通過理論計算分析，討論過冷度、過熱度、蒸發(fā)溫度以及冷凝溫度等運行參數(shù)在不同組合下對兩級壓縮一次節(jié)流中間不完全冷卻空氣源熱泵系統(tǒng)性能的影響。

2 兩級壓縮一次節(jié)流中間不完全冷卻熱泵系統(tǒng)性能理論計算

兩級壓縮一次節(jié)流中間不完全冷卻空氣源熱泵系統(tǒng)的原理如圖1所示[11]，系統(tǒng)理論P-h圖如圖2所示，其中1→2和3→4分別是制冷劑在低壓級和高壓級壓縮機內(nèi)的壓縮過程， 4→6是制冷劑在冷凝器處放熱過程，狀態(tài)點3是高壓級壓縮機的吸氣狀態(tài)點，7→1是制冷劑在蒸發(fā)器蒸發(fā)吸熱過程，5→8和6→7分別是制冷劑在熱泵系統(tǒng)中的節(jié)流過程。制冷劑在蒸發(fā)壓力下被低壓級壓縮機壓縮到中間壓力，與中間冷卻器的飽和蒸汽混合，進入高壓級壓縮機被進一步壓縮到冷凝壓力，然后通過冷凝器、中間冷卻器，節(jié)流閥降溫降壓，再次進入蒸發(fā)器內(nèi)蒸發(fā)后進入下一個循環(huán)。

圖1 兩級壓縮一次節(jié)流中間不完全冷卻系統(tǒng)原理

圖2 兩級壓縮一次節(jié)流中間不完全冷卻系統(tǒng)P-h圖

Cleland模型為一種利用曲線進行擬合的快速計算程序，能較好地求取多種制冷劑熱力性質(zhì)[12]。張春路等將Cleland模型用于碳氫化合物R600a和R290的熱力性質(zhì)的計算[13，14]。本文計算過程中制冷工質(zhì)為R134a，熱力性質(zhì)采用Cleland模型計算，0 ℃時制冷劑焓值取200kJ/kg。

壓縮機等熵壓縮過程的焓變?yōu)椋?/p>

(1)

×(Tk-Tm)][(1+1.1757×10-3(T3-Tm)

-1.814×10-5(T3-Tm)2+4.121×10-5Tm

×(T3-Tm)-8.093×10-7Tm(T3-Tm)2]

×(1.01357+1.06736×10-3Ti-9.2532

式中 Δh——焓變，kJ/kgc——常數(shù)，c≠1pj——壓縮機理論排氣壓力，Papi——壓縮機理論吸氣壓力，Pavi——壓縮機的吸氣蒸汽比容，m3/kg，飽和狀態(tài)時，vi=vv,過熱狀態(tài)時vi=vs

Tk——冷凝溫度，℃

Tm——中間溫度，℃

T3——高壓級壓縮機吸氣法度，℃

Ti——對應壓力下的飽和溫度，℃

ΔTs——過熱度，℃。

理論中間壓力pm為:

pm=(pkpo)1/2

(2)

式中pm——理論中間壓力，Papk——冷凝壓力，Papo——蒸發(fā)壓力，Pa

2.1 高壓級壓縮機理論排氣溫度

高壓級壓縮機理論排氣溫度T4為:

(3)

式中 T4——高壓級壓縮機排氣溫度，℃ Pk——冷凝壓力，PaPm——中間壓力，Pa

2.2 高、低壓級制冷劑的流量

高壓級制冷劑的流量為:

(4)

其中

×10-3(T4-Tk)+ 1.6886×10-6(T4-Tk)2

+ 9.2642×10-6(T4-Tk)Tk-7.698×10-8

h6=20000+1335.29(Tk-ΔT)

×10-3(Tk-ΔT)3

式中QH——熱泵機組設計的熱量，kW，設為8kW

ΔT——冷凝器出口處過冷度，℃

hi——工質(zhì)的比焓，kJ/kg，其下標i表示循環(huán)中各部件進、出的狀態(tài)點

由中間冷卻器熱平衡式為:

(qH-qL)h5+qL(h5-h6)=(qH-qL)h9

(5)

低壓級制冷劑的流量為:

(6)

其中

2.3 熱泵系統(tǒng)的制熱系數(shù)COP

理論熱泵循環(huán)的制熱系數(shù)為:

(7)

實際熱泵循環(huán)的制熱系數(shù)為:

(8)

式中ηH——高壓壓縮機的絕熱效率ηL——低壓壓縮機的絕熱效率，一般取0.65～0.85，本文取0.8

3 低溫環(huán)境下空氣源熱泵系統(tǒng)性能分析

利用壓焓圖，根據(jù)中間壓力值查出中間溫度，討論冷凝溫度(35 ℃ ～ 55 ℃，以5 ℃為變化單位)、蒸發(fā)溫度(-10 ℃ ～ -50 ℃，以10 ℃為變化單位)、節(jié)流前工質(zhì)過冷度和蒸發(fā)器出口過熱度(0 ℃～10 ℃，以2 ℃為變化單位)等運行參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響。分析過程中，假定中間冷卻器的溫差為5 ℃，過熱度為0 ℃。編制Matlab程序計算，分析了運行參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響，并用Origin軟件對計算結(jié)果進行了分析處理。

3.1 不同組合的運行參數(shù)對系統(tǒng)高壓級壓縮機排氣溫度的影響

圖3為過熱度對高壓級壓縮機排氣溫度的影響。在同一冷凝溫度下，高壓級壓縮機的排氣溫度隨蒸發(fā)器出口處的過熱度增加而增大，伴隨蒸發(fā)溫度的降低而升高，且升高的幅度逐漸增大。例如：當冷凝溫度為35 ℃(50 ℃)，蒸發(fā)溫度分別由-30 ℃降低到-40 ℃和-40 ℃降低到-50 ℃時，系統(tǒng)排氣溫度升高了5.5 ℃和6.5(4.6 ℃和5.4 ℃)；當冷凝溫度為35 ℃(50 ℃)，蒸發(fā)器出口過熱度每增加2 ℃，系統(tǒng)中高壓級排氣溫度增加1.7 ℃(1.4 ℃)左右。

圖3 過熱度和蒸發(fā)溫度對高壓級壓縮機排氣溫度的影響

3.2 不同組合的運行參數(shù)對系統(tǒng)制冷劑流量的影響

3.2.1 同一蒸發(fā)溫度下運行參數(shù)對系統(tǒng)制冷劑流量的影響

圖4為同一蒸發(fā)溫度下過冷度和冷凝溫度對制冷劑流量的影響。

圖4 過冷度和冷凝溫度對制冷劑流量的影響

熱泵系統(tǒng)中低壓級制冷劑流量，隨冷凝溫度的升高而降低，隨冷凝器出口過冷度的增加而增加，但增加幅度較??；高壓級制冷劑流量隨冷凝溫度的升高而升高，隨冷凝器出口過冷度的提高而下降，其隨冷凝溫度的增加下降幅度逐漸增大。例如：當蒸發(fā)溫度為-40 ℃，過冷度和過熱度為0 ℃，冷凝溫度由35 ℃上升到55 ℃時，低壓級制冷劑流量降低了7%，高壓級制冷劑流量提高了10.6%；當過冷度由0 ℃增加10 ℃，冷凝溫度為35 ℃變?yōu)?5 ℃時，高壓級制冷量降低幅度由7.5%變?yōu)?.9%，低壓級制冷劑流量升高幅度有1.6%變?yōu)?.9%。圖5為同一蒸發(fā)溫度下過熱度和冷凝溫度對制冷劑流量的影響。高、低壓級制冷劑的流量都隨蒸發(fā)器出口過熱度的增加而降低，降低幅度很小，伴隨冷凝溫度的增加降低幅度基本不變。

圖5 過熱度和冷凝溫度對制冷劑流量的影響

3.2.2 同一冷凝溫度下運行參數(shù)對系統(tǒng)制冷劑流量的影響

圖6為同一冷凝溫度下過冷度和蒸發(fā)溫度對制冷劑流量的影響。

圖6 過冷度和蒸發(fā)溫度對制冷劑流量的影響

熱泵系統(tǒng)中高、低壓級制冷濟流量隨著蒸發(fā)溫度的升高逐漸增大，且低壓級制冷劑流量的增加幅度較大，伴隨過冷度的增加而增加，但增加幅度較?。桓邏杭壷评鋭┝髁侩S過冷度的增加而降低，隨著蒸發(fā)溫度的升高降低幅度增大。圖7為同一冷凝溫度下過熱度和蒸發(fā)溫度對制冷劑流量的影響。

圖7 過熱度和蒸發(fā)溫度對制冷劑流量的影響

從圖7可見，高、低壓級制冷劑流量都隨蒸發(fā)器出口過熱度的增加而逐漸減少，且降低幅度隨蒸發(fā)溫度的升高而逐漸增加；但高壓級制冷劑流量升高的幅度降低。

3.3 不同組合的運行參數(shù)對系統(tǒng)COP的影響

圖8為過冷度和蒸發(fā)溫度對系統(tǒng)COP的影響。當冷凝溫度一定時，熱泵系統(tǒng)的COP隨蒸發(fā)溫度的下降而逐漸降低，且下降的幅度由大變??；隨著冷凝溫度的降低，熱泵系統(tǒng)的COP受蒸發(fā)溫度變化的影響也越來越顯著；當提高冷凝器出口處的過冷度，熱泵系統(tǒng)的COP有所增加，但增加幅度很小。例如：當蒸發(fā)溫度為-10 ℃(-50 ℃)，蒸發(fā)器出口過熱度為0 ℃時，冷凝溫度由35 ℃升高到55 ℃時，系統(tǒng)COP降低了1.48(0.44)。當冷凝溫度為35 ℃(55 ℃)，蒸發(fā)溫度由-10 ℃降低到-20 ℃時，系統(tǒng)COP降低了0.98 (0.53)；蒸發(fā)溫度由-40 ℃降低到-50 ℃時，系統(tǒng)COP降低了0.37 (0.24)。 當蒸發(fā)溫度為-10 ℃(-50 ℃)，伴隨過冷度由0 ℃增加到10 ℃時，系統(tǒng)COP提高了0.15(0.1)。

圖8 過冷度和蒸發(fā)溫度對系統(tǒng)COP的影響

圖9為過熱度和蒸發(fā)溫度對系統(tǒng)COP的影響。熱泵系統(tǒng)COP不受蒸發(fā)器出口處的過熱度變化的影響。

圖9 過熱度和蒸發(fā)溫度對系統(tǒng)COP的影響

4 結(jié)論

(1)兩級壓縮一次節(jié)流中間不完全冷卻空氣源熱泵系統(tǒng)的COP受蒸發(fā)溫度影響最大，受冷凝器出口過冷度影響較小，但不受蒸發(fā)器出口處過熱度的影響。

(2)在實際設計兩級壓縮一次節(jié)流中間不完全冷卻空氣源熱泵系統(tǒng)時，限于供暖和供熱水情況下應盡可能降低冷凝溫度，提高制熱效率，在避免壓縮機出現(xiàn)液擊現(xiàn)象的情況下，應降低吸氣過熱度，降低高壓級排氣溫度，防止壓縮機體內(nèi)溫度過高而導致潤滑油炭化，縮短壓縮機的使用壽命。

(3)在冷凝溫度和和蒸發(fā)溫度較高的情況下，可適當增加冷凝器出口過冷度，以減少高壓級制冷劑流量，可以降低高壓級壓縮機的耗功，增加熱泵系統(tǒng)的單位制熱量，以及提高系統(tǒng)的COP。

[1] 柴沁虎，馬國遠.空氣源熱泵低溫適應性研究的現(xiàn)狀及進展[J].能源工程,2002(5):25-31.

[2] 馬最良，楊自強，姚楊，等.空氣源熱泵冷熱水機組在寒冷地區(qū)應用的分析[J].暖通空調(diào),2001,31(3):28-31.

[3] 王灃浩，王志華，鄭煜鑫，等.低溫環(huán)境下空氣源熱泵的研究現(xiàn)狀及展望[J].制冷學報,2013(5):47-54.

[4] 王偉，金蘇敏，陳建中.用于低溫環(huán)境下的雙級壓縮風冷熱泵熱水器[J].流體機械,2005,33(9):62-66.

[5] 武文彬，王偉，金蘇敏，等.兩級壓縮空氣源熱泵熱水器實驗研究[J].制冷學報,2009(1):35-38.

[6] 田長青，石文星，王森，等.用于寒冷地區(qū)雙級壓縮變頻空氣源熱泵的研究[J].太陽能學報,2004,25(3):388-393.

[7] 劉雄，姜喬喬，郭浩波.CO2雙級壓縮制冷熱泵循環(huán)性能研究[J].流體機械,2011,39(8):69-73.

[8] Xu Shuxue,Ma Guoyuan .Experimental study on two-stage compression refrigeration/heat pump system with dual-cylinder rolling piston compressor[J].Applied Thermal Engineering,2014,62(2):803-808.

[9] 劉思煦，黃躍武，陳鵬.兩級壓縮空氣源熱泵系統(tǒng)的多目標優(yōu)化分析[J].建筑熱能通風空調(diào),2015,34(1):58-61.

[10] 鄭賢德.制冷原理與裝置[M].北京: 機械工業(yè)出版社,2008：72-82.

[11] 張早校，馮宵，郁永章，等.制冷與熱泵[M].北京:化學工業(yè)出版社,1999：10-16.

[12] Cleland A C.Polynomial curve-fits for refrigerant thermodynamic properties:extension to include R134a [J].International Journal of Refrigeration,1994,17(4): 245-249.

[13] 趙景玉，黃英，趙石軍，等.大型管殼式換熱器的設計與制造[J].壓力容器，2015，32(3):36-44.

[14] 張春路,于兵,馮寅山,等.碳氫制冷劑熱力性質(zhì)的快速計算[J].流體機械,1997,25(11):57-60.

Influence of Operating Parameters on Performance of Two-stage Compression Air Source Heat Pump System at Low Temperature

CHEN Fu-jiang1，ZHANG Yun1，JIANG Qin-qing2，HUANG Dan-dan2，WU Qin-yu2

(1.Changzhou University，Changzhou 213016，China；2.Jiangxi Research Institute of Building Sciences,Nanchang 330077，China)

Based on the pressure enthalpy diagram of R134a and the Cleland calculation model, the effect of operating parameters on the performance of two-stage-primary-throttle-incomplete-cooling-air source heat pump system in low temperature environment is analyzed.The results show that both condensing temperature and evaporating temperature are the main factors influencing the system COP,among them,the evaporation temperature has great impact.Also,the sub-cooling degree at the condenser outlet slightly impacts both theCOPand the refrigerant flow rate at low pressure level,and the refrigerant flow rate at high pressure level decreases with the growth of the sub-cooling degree,and the decay rate increases gradually with the increasing evaporation and condensation temperatures.Furthermore,theCOPseldom varies with the super-heat degree at the outlet of evaporator,and the condenser exhaust temperature at high pressure level increases with the rising super-heat degree at the outlet of evaporator.Furthermore,the refrigerant flow rate at low and high pressure level both reduces with the increasing super-heat degree at the outlet of evaporator,meanwhile,the gradient decreases with the reducing evaporation temperature,yet they are not influenced by the condensation temperature.

air-source heat pump;two-stage compression;super-heat degree;sub-cooling degree;COP

1005-0329(2017)03-0056-05

2016-07-22

2016-09-08

國家自然科學基金資助項目(51308077)；江蘇省高校自然科學基金資助項目(13KJB560001)

TH45；TB651;TB61

A

10.3969/j.issn.1005-0329.2017.03.012