羅 威, 江 斌, 潘 浩, 湯曉亮, 熊 丹

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院,安徽 合肥 230009; 2.江蘇蘇凈集團(tuán)有限公司,江蘇 蘇州 215008)

在我國(guó)高緯度與部分高海拔的北方地區(qū),冬季采暖成為人們考慮的首要問(wèn)題之一。隨著科技進(jìn)步與社會(huì)發(fā)展,采暖方式正由傳統(tǒng)低效的燃煤供暖轉(zhuǎn)變?yōu)闊岜霉┡Ｄ壳?由于臭氧層破壞、溫室氣體激增、各類能源損耗等環(huán)境問(wèn)題日益嚴(yán)重,節(jié)能減排成為當(dāng)下各行各業(yè)的工作目標(biāo)。因此,提高循環(huán)性能系數(shù)、優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、使用環(huán)保工質(zhì)、采用更高效的控制方案等均是熱泵設(shè)備生產(chǎn)的研究方向。由于北方地區(qū)冬季環(huán)境溫度低,普通單級(jí)熱泵循環(huán)因其壓縮比的限制而無(wú)法可靠運(yùn)行,而采用雙級(jí)壓縮循環(huán)時(shí),在相同工況下性能系數(shù)低于復(fù)疊式系統(tǒng)[1-2]。因此,復(fù)疊式熱泵系統(tǒng)以其在低環(huán)境溫度下可制出高溫?zé)崴奶攸c(diǎn)而適用于我國(guó)寒冷地區(qū)供暖。自然工質(zhì)CO2作為一種環(huán)?？煽康墓べ|(zhì),以其價(jià)格低、易制取、臭氧消耗潛能值ODP=0、全球變暖潛能值GWP=1的特點(diǎn)而成為目前主推的循環(huán)工質(zhì)。同時(shí),CO2在低溫時(shí)具有優(yōu)于其他常見工質(zhì)的熱力學(xué)性能與流動(dòng)性能,非常適用于復(fù)疊式熱泵的低溫級(jí)循環(huán)[3]。

目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)以CO2為工質(zhì)的復(fù)疊式系統(tǒng)進(jìn)行了大量的理論與實(shí)驗(yàn)研究[4-9]。文獻(xiàn)[10]對(duì)以CO2為低溫級(jí)循環(huán)工質(zhì)的復(fù)疊式制冷循環(huán)進(jìn)行熱力學(xué)分析,得到中間換熱溫差、冷凝溫度和等熵效率等參數(shù)在不同工況下對(duì)系統(tǒng)能效比(coefficient of performance,COP)的影響;文獻(xiàn)[11]通過(guò)NH3/CO2與R13/R22、NH3/NH3復(fù)疊式制冷循環(huán)的對(duì)比,得到最佳中間溫度與制冷劑質(zhì)量流量比的關(guān)系;文獻(xiàn)[12-13]通過(guò)對(duì)R404A/CO2復(fù)疊式制冷系統(tǒng)和熵的分析,得到中間溫度、低溫蒸發(fā)溫度、高溫冷凝溫度等參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響;文獻(xiàn)[14]通過(guò)對(duì)CO2/R290復(fù)疊式制冷熱泵系統(tǒng)的熱力學(xué)計(jì)算,得到中間溫度對(duì)系統(tǒng)性能的影響;文獻(xiàn)[15]通過(guò)EES模擬計(jì)算R134a/CO2復(fù)疊式制冷系統(tǒng)各參數(shù)間關(guān)系,得到系統(tǒng)COP與冷凝溫度、蒸發(fā)溫度、中間換熱溫差等參數(shù)的關(guān)系，并提出提高系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的方案。

本文對(duì)某商用R134a/CO2復(fù)疊式熱泵機(jī)組進(jìn)行熱力學(xué)分析,并探究不同狀態(tài)參數(shù)間的相互關(guān)系與影響,尋求在所需工況下系統(tǒng)性能的理論最優(yōu)參數(shù)模式。

1 系統(tǒng)循環(huán)原理與數(shù)學(xué)模型

1.1 熱泵系統(tǒng)循環(huán)原理

R134a/CO2復(fù)疊式熱泵循環(huán)由高、低溫2個(gè)單級(jí)循環(huán)通過(guò)蒸發(fā)冷凝器連接而成,如圖1所示。

1.低溫級(jí)壓縮機(jī) 2.高溫級(jí)壓縮機(jī) 3.高溫級(jí)節(jié)流裝置 4.低溫級(jí)節(jié)流裝置

圖1中,高溫級(jí)循環(huán)工質(zhì)為R134a,由高溫級(jí)冷凝器、節(jié)流裝置、壓縮機(jī)組成;低溫級(jí)循環(huán)工質(zhì)為CO2,由低溫級(jí)蒸發(fā)器、節(jié)流裝置、壓縮機(jī)組成。循環(huán)通過(guò)低溫級(jí)蒸發(fā)器將從環(huán)境吸收的能量經(jīng)低溫級(jí)壓縮機(jī)壓縮傳遞給蒸發(fā)冷凝器,高溫級(jí)循環(huán)在蒸發(fā)冷凝器中吸收熱量,由高溫級(jí)壓縮機(jī)壓縮后通過(guò)高溫級(jí)冷凝器將熱量傳遞給外部供水,制得所需的高溫?zé)崴?/p>

1.2 數(shù)學(xué)模型

R134a/CO2復(fù)疊式熱泵循環(huán)理論T-S圖如圖2所示。圖中數(shù)字1～8代表循環(huán)中各主要狀態(tài)點(diǎn),其中1、2、3、4為低溫級(jí)CO2循環(huán),5、6、7、8為高溫級(jí)R134a循環(huán),并假設(shè):① 高、低溫級(jí)循環(huán)壓縮均為等熵過(guò)程;② 各換熱器換熱過(guò)程均為等溫?fù)Q熱;③ 高、低溫級(jí)節(jié)流機(jī)構(gòu)均為等焓節(jié)流;④ 制冷劑在循環(huán)中既無(wú)壓力損失,也無(wú)熱量損失。

圖2 R134a/CO2復(fù)疊式熱泵理論循環(huán)T-S圖

循環(huán)放熱量Qh為:

Qh=mh(h6-h7)

(1)

高溫級(jí)壓縮機(jī)耗功Wh為:

Wh=mh(h6-h5)

(2)

低溫級(jí)壓縮機(jī)耗功Wl為:

Wl=ml(h2-h1)

(3)

復(fù)疊式熱泵循環(huán)能效比COP為:

(4)

根據(jù)蒸發(fā)冷凝器中高、低溫級(jí)換熱平衡,即

mh(h5-h8)=ml(h2-h3)

(5)

將(5)式代入(4)式可得:

(6)

高、低溫級(jí)質(zhì)量流量比k為:

k=mh/ml

(7)

其中,mh為高溫級(jí)質(zhì)量流量;ml為低溫級(jí)質(zhì)量流量;h1～h8為循環(huán)各狀態(tài)點(diǎn)焓值。

2 計(jì)算結(jié)果及分析

根據(jù)商業(yè)設(shè)計(jì)要求,該復(fù)疊式熱泵名義工況見表1所列。

表1 R134a/CO2復(fù)疊式熱泵設(shè)計(jì)參數(shù)

在已有數(shù)學(xué)模型與假設(shè)的基礎(chǔ)上對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行熱力學(xué)計(jì)算,得出各主要參數(shù)間關(guān)系與可提高系統(tǒng)性能的方案。

系統(tǒng)性能系數(shù)COP與低溫蒸發(fā)溫度Tel、低溫冷凝溫度Tkl的關(guān)系如圖3所示。當(dāng)Tel為-32 ℃時(shí),隨著Tkl增大,COP呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì),在Tkl為28 ℃時(shí)達(dá)到最大值2.51。同理,當(dāng)Tel為-28、-24 ℃時(shí),COP具有相同的變化趨勢(shì),并分別在Tkl為20、24 ℃時(shí)達(dá)到最大值2.75、2.86;當(dāng)Tel增大到-20、-16 ℃時(shí),COP單調(diào)增加,而觀察曲線可知其斜率均隨著Tkl的增大而減小。由此可得,COP隨Tkl的變化趨勢(shì)在一定范圍內(nèi)具有一致性。

圖3 COP與低溫冷凝溫度Tkl、低溫蒸發(fā)溫度Tel的關(guān)系

當(dāng)高溫冷凝溫度Tkh不變,低溫蒸發(fā)溫度Tel從-20 ℃升高到-16 ℃時(shí),系統(tǒng)性能系數(shù)COP呈現(xiàn)出單調(diào)增大的趨勢(shì),如圖4所示。同時(shí),當(dāng)Tel不變,Tkh由57 ℃升高到61 ℃時(shí),COP呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢(shì)。

圖4 COP與高溫冷凝溫度Tkh、低溫蒸發(fā)溫度Tel的關(guān)系

系統(tǒng)性能系數(shù)COP與中間換熱溫差Δt、低溫冷凝溫度Tkl、低溫蒸發(fā)溫度Tel關(guān)系如圖5、圖6所示。在一定的中間換熱溫差下,系統(tǒng)COP隨Tel的升高而增大,而當(dāng)Tkl由0 ℃增大到30 ℃時(shí),COP變化趨勢(shì)與圖3的分析類似,即當(dāng)Δt為6、7 ℃時(shí),COP分別在Tkl為20、25 ℃時(shí)達(dá)到最大值2.50、2.62。同時(shí),當(dāng)Δt由3 ℃增大到7 ℃時(shí),COP呈現(xiàn)出降低的趨勢(shì)。

圖5 COP與中間換熱溫差Δt、低溫蒸發(fā)溫度Tel關(guān)系

圖6 COP與中間換熱溫差Δt、低溫冷凝溫度Tkl的關(guān)系

在合理的低溫蒸發(fā)溫度變化范圍內(nèi),隨著Tel由-20 ℃增大到-16 ℃,高、低溫級(jí)循環(huán)質(zhì)量流量比k均呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢(shì),如圖7、圖8所示。同時(shí),當(dāng)Tel不變,隨著Tkh由57 ℃升高到61 ℃,或Δt由3 ℃增大到6 ℃時(shí),高、低溫級(jí)質(zhì)量流量比k均減小。

圖7 質(zhì)量流量比k與Tkh、Tel的關(guān)系

圖8 質(zhì)量流量比k與Δt、Tel的關(guān)系

綜合以上理論分析結(jié)果可知,通過(guò)降低高溫冷凝溫度Tkh或增加低溫蒸發(fā)溫度Tel來(lái)提高相應(yīng)單級(jí)循環(huán)的性能系數(shù)均可提高系統(tǒng)COP,而無(wú)論如何改變中間溫度,2個(gè)單級(jí)熱泵循環(huán)的性能系數(shù)必然呈現(xiàn)出相反的變化趨勢(shì),因此存在使得系統(tǒng)COP最大的最佳中間溫度Tkl;同時(shí),在設(shè)計(jì)中間換熱器時(shí),應(yīng)保證有合適的中間換熱溫差,既能保證一定的換熱效率,也能盡可能地提高系統(tǒng)性能系數(shù)COP。當(dāng)?shù)蜏卣舭l(fā)溫度Tel增大時(shí),低溫級(jí)熱泵循環(huán)放熱量減小,因此欲維持中間換熱器的換熱平衡,必須增加低溫級(jí)循環(huán)質(zhì)量流量,即造成制冷劑成本的增加,降低了設(shè)備經(jīng)濟(jì)性。

3 結(jié) 論

本文通過(guò)對(duì)R134a/CO2復(fù)疊式熱泵系統(tǒng)理想循環(huán)的熱力學(xué)計(jì)算與分析,得到了循環(huán)中主要狀態(tài)參數(shù)間的關(guān)系及其對(duì)系統(tǒng)性能的影響。

實(shí)際生產(chǎn)中,在滿足R134a/CO2復(fù)疊式熱泵負(fù)荷設(shè)計(jì)要求的前提下,應(yīng)盡可能提高系統(tǒng)性能系數(shù)與設(shè)備經(jīng)濟(jì)性。因此,在合理的變化范圍內(nèi),降低高溫冷凝溫度Tkh、升高低溫蒸發(fā)溫度Tel,適當(dāng)減小中間換熱溫差,提高中間換熱器換熱效率,并在合適的中間溫度Tkl變化范圍內(nèi)實(shí)驗(yàn)尋求最佳中間溫度點(diǎn)Tkopt,是此類復(fù)疊式熱泵設(shè)計(jì)生產(chǎn)的關(guān)鍵。