(1 北京工業(yè)大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院 北京 100124； 2 北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院 北京 100124)

能源問題是各個國家關(guān)注的熱點(diǎn)，經(jīng)濟(jì)和社會的發(fā)展導(dǎo)致對能源的需求與日俱增。全球的學(xué)者努力研究新能源及如何節(jié)約能源。近年來，熱泵技術(shù)作為新能源技術(shù)的一種，在全球范圍內(nèi)備受關(guān)注。采用熱泵技術(shù)可以節(jié)約大量高品位能源，不同型式的熱泵廣泛應(yīng)用于工商業(yè)，尤其家用供暖設(shè)備。

應(yīng)用熱泵技術(shù)實(shí)現(xiàn)家庭供暖主要面臨兩個問題：1)低溫制熱時(shí)制熱量不足，穩(wěn)定性差；2)制熱COP有待提高。制熱COP的水平直接決定其是否能夠作為取代傳統(tǒng)燃煤或燃?xì)獾募夹g(shù)方案。熱泵在環(huán)境溫度較低時(shí)制熱性能差的主要原因是壓比過大導(dǎo)致排氣溫度高和壓縮機(jī)容積效率降低，排氣量不足[1-3]。針對這些問題，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了廣泛研究并提出相應(yīng)的改進(jìn)方法[4-7]。其中，較為有效的方法是對壓縮機(jī)中間腔內(nèi)補(bǔ)氣及單級變雙級壓縮中間腔內(nèi)補(bǔ)氣(或稱為帶經(jīng)濟(jì)器補(bǔ)氣熱泵系統(tǒng))[8]。從熱力學(xué)上講，采用自然冷源對熱泵系統(tǒng)供液管過冷是提高制熱性能的有效方法。過冷技術(shù)多應(yīng)用于中低溫領(lǐng)域的蒸氣壓縮制冷系統(tǒng)[9]。具體實(shí)現(xiàn)方法有：環(huán)境冷卻過冷、吸氣管道過冷及使用外部機(jī)械過冷[10-13]。

我國依據(jù)國情提出了采用R32的制冷劑替代方案[14-15]，但其缺點(diǎn)是排氣溫度過高[16]。本文針對以R32為工質(zhì)的熱泵系統(tǒng)，引入自然冷源主路過冷和輔助回路過冷提高其制熱性能，并搭建了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，從理論和實(shí)驗(yàn)的角度進(jìn)行研究。

1 工作原理

利用自然冷源過冷的熱泵系統(tǒng)工作原理如圖1所示。圖1(a)所示為主路過冷循環(huán)。方法是在冷凝器后增設(shè)過冷回路，從低溫端引入一部分冷源對液體進(jìn)行冷卻，使閥前液體獲得更大的過冷度，進(jìn)而提高制熱性能。圖1(b)所示為輔助回路過冷循環(huán)。方法是在閃發(fā)器出口到壓縮機(jī)的管路上增設(shè)過冷器，并引入低溫環(huán)境的冷量對補(bǔ)入壓縮機(jī)的氣體進(jìn)行過冷，進(jìn)而降低壓縮機(jī)排氣溫度，提高系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

圖1 自然冷源過冷循環(huán)原理圖和lg p-h圖Fig.1 The principle of natural cooling source sub-cooling cycle and lg p-h diagram

2 計(jì)算模型

計(jì)算過程條件：1) 系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)條件下運(yùn)行；2) 冷凝溫度為40 ℃，蒸發(fā)溫度范圍為-20～5 ℃；3) 過熱度為0～10 ℃；4) 指示效率為0.8；5) 壓縮機(jī)額定輸入功率為2 HP(1.4 kW)。

(1)主路過冷系統(tǒng)

排氣溫度：

T2′=f(pk,h2′)

(1)

式中：pk為冷凝壓力，MPa；h2′為2′點(diǎn)焓值，kJ/kg。

制熱量：

Qk=qmqk-sub

(2)

式中：qm為制冷劑循環(huán)的質(zhì)量流量，kg/s；qk-sub為冷凝器的單位熱負(fù)荷，kJ/kg。

壓縮機(jī)輸入功率：

P=qmWi/(ηmηmot)

(3)

式中：Wi為指示功率，kJ/kg；ηm、ηmot分別為機(jī)械效率和電機(jī)效率。

制熱COP：

(4)

單位質(zhì)量過冷量：

Qgl=h3-h4

(5)

式中：h3、h4分別為進(jìn)、出過冷器制冷劑焓值，kJ/kg。

過冷面積：

(6)

式中：K為傳熱系數(shù)，W/(m2·℃); Δt為對數(shù)平均溫差，℃。

(2)輔助回路過冷系統(tǒng)

排氣溫度：

T4=f(pk,h4)

(7)

制熱量：

Qk=qmqk-bq

(8)

式中：qk-bq為冷凝器熱負(fù)荷，kJ/kg。

壓縮機(jī)輸入功率：

(9)

制熱COP：

(10)

單位質(zhì)量過冷量：

Qgl=h7-h8

(11)

式中：h7、h8分別為進(jìn)、出過冷器的制冷劑焓值，kJ/kg。

過冷面積：

(12)

理論計(jì)算結(jié)果如圖2所示，工質(zhì)采用R32。工況選取：冷凝溫度為40 ℃，蒸發(fā)溫度為-15 ℃，補(bǔ)氣系統(tǒng)的中間壓力根據(jù)文獻(xiàn)[3]的推薦取1.6 MPa。

圖2(a)所示為排氣溫度隨過冷體積流量的變化。由圖2(a)可知，單級系統(tǒng)的排氣溫度最高，輔助回路過冷系統(tǒng)排氣溫度最低。主路過冷系統(tǒng)和輔助回路過冷系統(tǒng)的排氣溫度差別較大，過冷體積流量越大排氣溫度越低，過冷體積流量增加0.02 m3/h，主路過冷系統(tǒng)和輔助回路過冷系統(tǒng)的排氣溫度相應(yīng)降低8.3 ℃和9.3 ℃。

圖2 排氣溫度、制熱量、制熱COP隨過冷體積流量的變化(理論值)Fig.2 The variation of discharge temperature, heating capacity, heating COP with sub-cooling volume flow(Theoretical value)

圖2(b)所示為制熱量隨過冷體積流量的變化。由圖2(b)可知，單級系統(tǒng)的制熱量最大，輔助回路過冷系統(tǒng)的制熱量最小。過冷體積流量越大制熱量越低，過冷體積流量增加0.02 m3/h，主路過冷系統(tǒng)和輔助回路過冷系統(tǒng)的制熱量相應(yīng)降低2.9%和5%。

圖2(c)所示為制熱COP隨過冷體積流量的變化。由圖2(c)可知，單級系統(tǒng)和主路過冷系統(tǒng)的制熱COP差別較小，在過冷體積流量為0.005 m3/h時(shí)，單級系統(tǒng)、主路過冷系統(tǒng)和輔助回路過冷系統(tǒng)的制熱COP分別為2.41、2.42和3.52。主路過冷系統(tǒng)和輔助回路過冷系統(tǒng)的制熱COP差別顯著。過冷體積流量增加0.02 m3/h時(shí), 主路過冷系統(tǒng)的制熱COP增大0.57%，但輔助回路過冷系統(tǒng)的制熱COP降低2.66%。

3 實(shí)驗(yàn)研究

為進(jìn)一步研究單級過冷和輔助回路過冷系統(tǒng)的效果與區(qū)別，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)搭建了實(shí)驗(yàn)臺，如圖3所示。

1渦旋壓縮機(jī)；2油分離器；3冷凝器；4視液鏡；5干燥過濾器；6過冷器；7第一節(jié)流閥；7′第二節(jié)流閥；8閃發(fā)器；9蒸發(fā)器；10冷凍水箱；11、15電加熱器； 12冷凍水泵；13冷凍水流量計(jì)；14冷卻水箱；16冷卻水泵；17冷卻水流量計(jì)。圖3 實(shí)驗(yàn)裝置Fig.3 Experimental testing device

在圖5中，打開閥門V1、V4、V5，關(guān)閉閥門V2、V3、V6～V8，系統(tǒng)按單級模式運(yùn)行；打開閥門V1～V5，同時(shí)關(guān)閉閥門V6～V8，系統(tǒng)按主路過冷模式運(yùn)行；打開閥門V1、V4～V8，關(guān)閉閥門V2、V3，系統(tǒng)按輔助回路過冷模式運(yùn)行。需直接測量的參數(shù)有：吸氣溫度及壓力、排氣溫度及壓力、冷凝器進(jìn)、出口溫度及壓力，冷卻水進(jìn)、出口溫度、冷卻水流量、過冷溫度及壓力、壓縮機(jī)功率。需間接測量的量為：冷卻水進(jìn)出口溫差Δt、制熱量Q、制熱COP。

單級模式制熱量Q：

Q=cmΔt=cρvΔt

(13)

式中：c為水的比熱容，kJ/(kg·℃)；ρ為水的密度，kg/m3；v為水體積流量，m3/s；Δt為冷卻水進(jìn)出口溫差，℃。

制熱COP：

(14)

主路過冷模式：

(15)

式中：qmf為冷凝器制冷劑質(zhì)量流量，kg/s；m為冷卻水質(zhì)量流量，kg/s；；tlqs-in為冷凝器進(jìn)水溫度，℃；tlqs-out為冷凝器出水溫度，℃。

輔助回路過冷模式：

制熱量Q：

Q=qmf(h3-h5)

(16)

制熱COP：

(17)

式中：P為壓縮機(jī)輸入功率，kW。

測試工況如下：冷凝溫度tk=40 ℃，吸氣過熱度為5 ℃，蒸發(fā)溫度to= -20～5 ℃。壓縮機(jī)的輸入功率由高精度電參數(shù)綜合測量儀表直接測得。

4 結(jié)果與討論

圖4所示為排氣溫度、制冷量、制熱COP隨過冷體積流量變化的實(shí)驗(yàn)值。由圖4(a)可知，單級系統(tǒng)的排氣溫度最高，輔助回路過冷系統(tǒng)的排氣溫度最低，隨著過冷體積流量增加，主路過冷系統(tǒng)和輔助回路過冷系統(tǒng)的排氣溫度均降低。當(dāng)過冷體積流量增加0.02 m3/h時(shí)，主路過冷系統(tǒng)與輔助回路過冷系統(tǒng)的排氣溫度分別降低6.8 ℃和8.2 ℃。

圖4 排氣溫度、制熱量、制熱COP隨過冷體積流量的變化(實(shí)驗(yàn)值)Fig.4 The variation of discharge temperature, heating capacity, heating COP with sub-cooling volume flow(experimental value)

圖4(b)所示為制熱量隨過冷體積流量的變化。由圖4(b)可知，輔助回路過冷系統(tǒng)的制熱量最大，主路過冷系統(tǒng)最小。隨著過冷體積流量的增加，二者制熱量均降低。當(dāng)過冷體積流量增加0.02 m3/h時(shí)，主路過冷系統(tǒng)與輔助回路過冷系統(tǒng)的制熱量分別降低6.4%和10%。

圖4(c)所示為制熱COP隨過冷流量過冷體積流量的變化。由圖4(c)可知，輔助回路過冷系統(tǒng)的制熱COP最大，主路過冷系統(tǒng)最小。隨著過冷體積流量的增加，主路過冷系統(tǒng)和輔助回路過冷系統(tǒng)的制熱COP均降低。當(dāng)過冷體積流量增加0.02 m3/h時(shí)，主路過冷系統(tǒng)與輔助回路過冷系統(tǒng)的制熱COP分別降低2.5%和5%。

5 結(jié)論

本文提出主路過冷和輔助回路過冷兩種利用自然冷源過冷的循環(huán)原理，對其進(jìn)行理論分析并搭建了一體化實(shí)驗(yàn)臺，針對R32為工質(zhì)的蒸氣壓縮式熱泵進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，在冷凝溫度為40 ℃，蒸發(fā)溫度為-20～5 ℃，吸氣過熱度為5 ℃的條件下，得出如下結(jié)論：

1)自然冷源過冷可有效降低熱泵系統(tǒng)的排氣溫度，特別是低溫環(huán)境下運(yùn)行時(shí)排氣溫度高的R32系統(tǒng)效果顯著。

2)與單級系統(tǒng)相比，主路過冷系統(tǒng)和輔助回路過冷系統(tǒng)均能獲得較低的排氣溫度，但制熱量也相應(yīng)降低，輔助回路過冷系統(tǒng)的制熱性能更好。

3)相同過冷體積流量下，主路過冷系統(tǒng)的排氣溫度高于輔助回路過冷系統(tǒng)。輔助回路過冷系統(tǒng)的制熱COP略高于主路過冷系統(tǒng)。

4)主路過冷系統(tǒng)和輔助回路過冷系統(tǒng)排氣溫度、制熱量均隨過冷體積流量的增加而降低。