（天津商業(yè)大學(xué)，天津市制冷技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，冷凍冷藏技術(shù)教育部工程研究中心，天津 300134）

0 引言

熱泵系統(tǒng)的基本原理為逆向卡諾循環(huán)，熱泵循環(huán)將低溫?zé)嵩吹臒崃炕厥罩粮邷責(zé)嵩?，符合世界各?guó)的能源保護(hù)政策和節(jié)能減排的措施［1］，國(guó)家政策的支持以及熱泵的科學(xué)性都證明了熱泵發(fā)展的巨大潛力和獨(dú)特優(yōu)勢(shì)［2-4］。傳統(tǒng)的熱泵在蒸發(fā)溫度較低的工況下，制熱系數(shù)COP較低［5-8］。

相關(guān)學(xué)者對(duì)復(fù)疊式熱泵進(jìn)行了基本研究，有關(guān)研究表明R410工質(zhì)做為復(fù)疊式熱泵的低溫制冷劑可優(yōu)化成本、提高穩(wěn)定性和效率；楊玉忠［9］研究發(fā)現(xiàn)冷凝蒸發(fā)器換熱溫差越小，低溫級(jí)冷凝器釋放的熱量與高溫級(jí)吸收的熱量相等時(shí)，復(fù)疊式熱泵系統(tǒng)性能就越高。喬亦圓等［10］提出了級(jí)間容量比的概念，模擬了中間溫度和級(jí)間容量比對(duì)系統(tǒng)性能的影響。董伯雄［11］實(shí)驗(yàn)研究了發(fā)現(xiàn)低溫級(jí)冷凝過冷度越大系統(tǒng)COP越大。鄭標(biāo)帝［12］實(shí)驗(yàn)研究了級(jí)間匹配對(duì)系統(tǒng)性能的影響，系統(tǒng)COP隨著級(jí)間容量比的增加存在一個(gè)最大值。目前國(guó)內(nèi)為學(xué)者對(duì)復(fù)疊式熱泵系統(tǒng)的研究主要研究方向在于蒸發(fā)溫度、冷凝溫度。換熱溫差、壓縮機(jī)吸氣過熱度和過冷度對(duì)性能的影響，較少的人關(guān)注壓縮機(jī)頻率對(duì)熱泵系統(tǒng)所帶來影響。趙力等［13］研究了壓縮機(jī)頻率對(duì)單級(jí)壓縮式熱泵系統(tǒng)性能的影響，研究發(fā)現(xiàn)壓縮機(jī)頻率為50 Hz時(shí)，系統(tǒng)性能較穩(wěn)定，在不同工況下均存在一個(gè)最高的COP值。Kim等［14-15］研究了最佳R134A/R410A復(fù)疊式熱泵系統(tǒng)性能，研究發(fā)現(xiàn)隨著R410A壓縮機(jī)頻率的增加，制熱量增加，增強(qiáng)程度大于R134A壓縮機(jī)頻率。趙瑞昌等［16-17］發(fā)現(xiàn)在相同工況下，對(duì)于單工質(zhì)復(fù)疊式制冷系統(tǒng)改變高溫級(jí)壓縮機(jī)頻率對(duì)制冷系統(tǒng)的COP影響較大，對(duì)于復(fù)疊式熱泵系統(tǒng)改變低溫級(jí)壓縮機(jī)頻率對(duì)于系統(tǒng)的COP的影響要大，并未涉及到復(fù)疊溫差和COP增長(zhǎng)速度等問題的研究，復(fù)疊溫差通常指低溫級(jí)冷凝溫度和高溫級(jí)蒸發(fā)溫度之差。因此對(duì)高、低溫級(jí)壓縮機(jī)頻率進(jìn)行試驗(yàn)研究是十分必要的。

1 R410A/R410A復(fù)疊式熱泵系統(tǒng)

1.1 試驗(yàn)原理

復(fù)疊式熱泵循環(huán)原理如圖1所示，復(fù)疊式熱泵循環(huán)的高、低溫級(jí)均采用R410A制冷劑，主要設(shè)備包括壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)器、冷凝蒸發(fā)器、電磁閥、電子膨脹閥、干燥過濾器、變頻器、水箱等，試驗(yàn)設(shè)備選型及參數(shù)見表1。冷凝器選用水冷套管式冷凝器，外接水循環(huán)系統(tǒng)與制冷劑逆流換熱，水循環(huán)系統(tǒng)主要通過改變冷凝器進(jìn)出口溫度和進(jìn)出口水流量控制熱泵系統(tǒng)的冷凝溫度。蒸發(fā)器銅管位于冷凍水箱內(nèi)，水箱內(nèi)選用65%的乙二醇水溶液（濃度65%時(shí)，冰點(diǎn)可達(dá)-70 ℃）做載冷劑，水箱體積0.288 m3，乙二醇體積0.26 m3，載冷量13.5 kW，頂端裝有攪拌電動(dòng)機(jī)用來維持水箱內(nèi)溫度均勻，水箱內(nèi)附有電加熱結(jié)合控溫器采用熱平衡法實(shí)現(xiàn)控制蒸發(fā)器工況和制冷量。壓縮機(jī)頻率通過Qma變頻器調(diào)節(jié)，電子膨脹閥驅(qū)動(dòng)器通過感知壓縮機(jī)過熱度自動(dòng)調(diào)節(jié)其開度。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由壓力傳感器、PT100、PD194E-9S4G多功能電力儀表分別采集壓力、溫度、電能值；數(shù)據(jù)采集傳感器的標(biāo)定范圍和精度見表2。

圖1 復(fù)疊式熱泵系統(tǒng)原理Fig.1 Schematic diagram of cascade heat pump system

表1 系統(tǒng)設(shè)備選型及參數(shù)Tab.1 Type selection and parameters of system equipment

表2 測(cè)量?jī)x器參數(shù)Tab.2 Parameters of measuring instrument

1.2 試驗(yàn)誤差處理

蒸發(fā)器為自制蒸發(fā)器，在對(duì)冷凍水箱增加保溫層后仍會(huì)產(chǎn)生一定的冷量泄漏，此外冷凍水箱頂部的攪拌電機(jī)也會(huì)對(duì)乙二醇做功影響試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。制冷量、電加熱量、漏冷量、攪拌功與制冷量的關(guān)系根據(jù)能量守恒定律去計(jì)算，其中電加熱分別可由電加熱功率和攪拌電機(jī)功率確定。

式中 Q0——系統(tǒng)制冷量，kW；

Q1——電加熱量，kW；

Q2——漏冷量，kW；

W——攪拌功，kW；

K——泄漏系數(shù)，W/℃；

Q——總負(fù)荷，W；

Δt——載冷劑與環(huán)境的換熱溫差，℃。

式中 COP'——試驗(yàn)測(cè)得制冷系數(shù)；

COP''——實(shí)際測(cè)得制冷系數(shù)；

COP——實(shí)際制熱系數(shù)。

1.3 試驗(yàn)測(cè)試

通過調(diào)節(jié)電子膨脹閥開度迅速降溫，調(diào)節(jié)循環(huán)水的流量使冷凝溫度維持在50 ℃，通過調(diào)節(jié)電加熱器的功率，使得制冷系統(tǒng)的蒸發(fā)壓力以及載冷劑的溫度在蒸發(fā)溫度-38 ℃工況下保持穩(wěn)定30 min，視為系統(tǒng)在該工況下達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài)，記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

試驗(yàn)測(cè)試時(shí)固定高溫級(jí)頻率50 Hz，低溫級(jí)頻率在50～80 Hz范圍內(nèi)變化，頻率每增加5 Hz記錄一次數(shù)據(jù)；固定低溫級(jí)頻率50 Hz，高溫級(jí)頻率在50～80 Hz范圍內(nèi)變化，頻率每增加5 Hz記錄一次數(shù)據(jù)。將蒸發(fā)溫度分別設(shè)定為-36，-34，-32 ℃，重復(fù)-38 ℃下試驗(yàn)步驟，記錄相關(guān)數(shù)據(jù)，試驗(yàn)工況和壓縮級(jí)頻率變化情況及制冷劑的物性參數(shù)分別見表3，4。

表3 試驗(yàn)工況Tab.3 Test conditions

表4 R410A的主要物性參數(shù)Tab.4 The main physical parameters of R410A

2 結(jié)果分析

2.1 壓縮機(jī)頻率對(duì)系統(tǒng)性能的影響

為了研究低溫環(huán)境下低溫級(jí)壓縮機(jī)頻率改變對(duì)熱泵系統(tǒng)性能的影響，在蒸發(fā)溫度-38 ℃，冷凝溫度50 ℃工況下進(jìn)行試驗(yàn)。

圖2示出了復(fù)疊溫差隨壓縮機(jī)頻率的變化關(guān)系，低溫級(jí)壓縮機(jī)頻率改變時(shí)，復(fù)疊溫差最小為4.33 ℃，最大為4.79 ℃；高溫級(jí)壓縮機(jī)頻率改變時(shí)，復(fù)疊溫差最小為5.03 ℃，最大為5.45 ℃；在低溫級(jí)或高溫級(jí)壓縮機(jī)頻率為65 Hz時(shí)，復(fù)疊式溫差均取得最小值，但高溫級(jí)壓縮機(jī)頻率改變時(shí)的最小復(fù)疊溫差仍大于低溫級(jí)壓縮機(jī)頻率改變時(shí)的最大復(fù)疊溫差。

圖3示出了高溫級(jí)和低溫級(jí)壓縮比隨低溫級(jí)頻率的變化關(guān)系。低溫級(jí)循環(huán)的壓縮比隨著低溫級(jí)壓縮機(jī)頻率的增加而增加，隨著高溫級(jí)頻率的增加而降低；高溫級(jí)循環(huán)的壓縮比隨著低溫級(jí)壓縮機(jī)頻率的增加而降低，隨著高溫級(jí)壓縮機(jī)頻率的增加而增大。低溫級(jí)壓縮機(jī)頻率由50 Hz增大至80 Hz時(shí)，低溫級(jí)壓縮比增大5.53%，高溫級(jí)壓縮比減少5.68%；高溫級(jí)壓縮機(jī)頻率由50 Hz增大至80 Hz時(shí)，低溫級(jí)壓縮比減小1.98%，高低溫級(jí)壓縮比曲線間距在數(shù)值上由0.49逐漸增大至0.96。高溫級(jí)壓縮比增大3.27%，高低溫級(jí)壓縮比曲線間距在數(shù)值上由0.66逐漸減小至0.44。

圖2 壓縮機(jī)頻率與復(fù)疊式溫差的關(guān)系Fig.2 The relationship between compressor frequency and cascade temperature difference

圖3 壓縮比與壓縮機(jī)頻率的關(guān)系Fig.3 The relationship between compression ratio and compressor frequency

圖4示出了增加低溫級(jí)頻率或高溫級(jí)頻率造成復(fù)疊式熱泵COP值的變化情況，增大高溫級(jí)或低溫級(jí)壓縮機(jī)頻率時(shí)，制熱系數(shù)COP均先增大后減小，系統(tǒng)存在使COP達(dá)到最高的一個(gè)最佳壓縮機(jī)頻率。

在本試驗(yàn)工況下，改變低溫級(jí)的最佳COP和改變高溫級(jí)的最佳COP在75 Hz時(shí)達(dá)到頂峰，最高值為1.96和1.90，從整個(gè)COP的曲線來看，在任意一個(gè)頻率下，低溫級(jí)頻率改變時(shí)COP在數(shù)值上總是大于高溫級(jí)頻率改變時(shí)，在達(dá)到最佳COP之前，低溫級(jí)頻率增加時(shí)，COP的增長(zhǎng)速度較快，低溫級(jí)頻率所帶來的COP的升高數(shù)值上明顯大于改變高溫級(jí)壓縮機(jī)頻率，如高溫級(jí)或低溫級(jí)頻率從55 Hz增加到60 Hz時(shí)，改變低溫級(jí)壓縮機(jī)頻率時(shí)帶來的熱泵系統(tǒng)COP增加5%，而改變高溫級(jí)壓縮機(jī)頻率時(shí)帶來的熱泵系統(tǒng)COP僅增加1%。

圖4 COP與壓縮機(jī)頻率的關(guān)系Fig.4 The relationship between COP and compressor frequency

2.2 低溫級(jí)壓縮機(jī)頻率對(duì)系統(tǒng)性能的影響

為了更好通過改變低溫級(jí)壓縮機(jī)頻提高復(fù)疊式熱泵系統(tǒng)的各項(xiàng)性能，在冷凝溫度為50 ℃，蒸發(fā)溫度分別為 -38，-36，-34，-32 ℃的工況下進(jìn)行試驗(yàn)。

在不同工況下改變低溫級(jí)壓縮機(jī)頻率下運(yùn)行系統(tǒng)，得到不同溫度下壓縮比隨低溫級(jí)壓縮機(jī)的變化關(guān)系如圖5，6所示。

圖5 低溫級(jí)壓縮比與低溫級(jí)頻率的關(guān)系Fig.5 The relationship between the compression ratio of the cryogenic stage and the frequency of the cryogenic stage

圖6 高溫級(jí)壓縮比與低溫級(jí)頻率的關(guān)系Fig.6 Relationship between compression ratio of high temperature stage and frequency of low temperature stage

在不同工況下，低溫級(jí)壓縮機(jī)頻率由50 Hz增加至80 Hz時(shí)，大量數(shù)據(jù)表明壓縮比隨低溫級(jí)頻率關(guān)系與圖3結(jié)論一致。這是因?yàn)檎舭l(fā)溫度降低，吸氣比體積增大，吸氣量增大，制冷劑流量減少，冷凝蒸發(fā)器負(fù)荷減少，高溫級(jí)循環(huán)需要降低蒸發(fā)溫度（壓力）減少制冷量，高溫級(jí)冷凝溫度保持穩(wěn)定，低溫級(jí)循環(huán)制冷劑流量的減少造成低溫級(jí)循環(huán)冷凝壓力的下降遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于熱泵系統(tǒng)蒸發(fā)溫度降低造成的低溫級(jí)循環(huán)蒸發(fā)壓力下降，故高、低溫級(jí)壓縮機(jī)頻率一定時(shí)，隨著蒸發(fā)溫度的降低，高、低溫的壓縮機(jī)的壓縮比均逐漸增大。低溫級(jí)壓縮機(jī)頻率固定不變時(shí)，高、低溫級(jí)壓縮比均隨著蒸發(fā)溫度的升高而降低。在任何工況和頻率下，低溫級(jí)循環(huán)壓縮比的均大于高溫級(jí)循環(huán)的壓縮比，如蒸發(fā)溫度為-32 ℃、70 Hz下，高溫級(jí)壓縮比為3.70，低溫級(jí)壓縮比為4.59。

圖7，8示出了排氣溫度與低溫級(jí)壓縮機(jī)頻率的關(guān)系，高、低溫級(jí)的排氣溫度均隨著壓縮機(jī)頻率的增大處于穩(wěn)定狀態(tài)，高溫級(jí)排氣溫度波動(dòng)最小值為3.11 ℃，最大值為4.16 ℃；低溫級(jí)排氣溫度波動(dòng)最小值為1.1 ℃，最大值為1.4 ℃；高、低溫級(jí)壓縮機(jī)的排氣溫度的波動(dòng)值隨蒸發(fā)溫度的改變低呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)；在同一蒸發(fā)溫度下，增大低溫級(jí)壓縮機(jī)頻率，高溫級(jí)壓縮機(jī)的排氣溫度的波動(dòng)值大于低溫級(jí)壓縮機(jī)排氣溫度的波動(dòng)值；低溫級(jí)排氣溫度隨著蒸發(fā)溫度而升高，高溫級(jí)排氣溫度隨蒸發(fā)溫度的升高逐漸降低。這是因?yàn)殡S著蒸發(fā)溫度（壓力）的升高，吸氣比體積減小，制冷劑流量增加，冷凝換熱器負(fù)荷增大，中間溫度升高，低溫級(jí)壓縮機(jī)排氣溫度（壓力）升高，高溫級(jí)冷凝壓力保持穩(wěn)定，但壓縮比減小，故高溫級(jí)排氣溫度降低。

圖7 低溫級(jí)排氣溫度與低溫級(jí)頻率的關(guān)系Fig.7 The relationship between exhaust temperature of lowtemperature stage and frequency of low-temperature stage

圖8 高溫級(jí)排氣溫度與低溫級(jí)頻率的關(guān)系Fig.8 Relationship between exhaust temperature of high temperature stage and frequency of low temperature stage

在不同工況下改變高溫級(jí)或低溫級(jí)壓縮機(jī)頻率時(shí)COP的變化情況如圖9，10所示。在不同工況下，低溫級(jí)或高溫級(jí)壓縮機(jī)頻率增大時(shí)，COP曲線的走勢(shì)均先增大后減小；隨著蒸發(fā)溫度由-38 ℃增至-32 ℃，低溫級(jí)壓縮機(jī)頻率改變時(shí)，COP波動(dòng)值逐漸降低，最大和最小波動(dòng)值分別為0.34和0.22；在不同工況下，對(duì)比高溫級(jí)和低溫級(jí)壓縮機(jī)頻率改變時(shí)，高溫級(jí)的最佳頻率53 Hz，低溫級(jí)壓縮機(jī)的最佳頻率隨蒸發(fā)工況的降低由75 Hz降至65 Hz；高、低溫級(jí)壓縮機(jī)頻率改變時(shí)COP峰值隨著蒸發(fā)工況的升高先增大后減??；在蒸發(fā)工況-36 ℃時(shí)，低溫級(jí)壓縮機(jī)頻率70 Hz時(shí)COP取的最大值2.11，在蒸發(fā)工況-32 ℃時(shí)、低溫級(jí)壓縮機(jī)頻率65 Hz時(shí)COP取的最大值2.23，壓縮機(jī)頻率是調(diào)節(jié)熱泵系統(tǒng)的內(nèi)部因素，壓縮機(jī)頻率改變只能使系統(tǒng)在該工況下達(dá)到最佳運(yùn)行狀態(tài)，決定系統(tǒng)最高COP的仍是熱泵系統(tǒng)所處工況。

圖9 COP與低溫級(jí)頻率的關(guān)系Fig.9 The relationship between COP and frequency of low temperature stage

圖10 COP與高溫級(jí)頻率的關(guān)系Fig.10 The relationship between COP and frequency of high-temperature stage

3 結(jié)論

（1）壓縮機(jī)頻率為65 Hz時(shí)，復(fù)疊溫差均取得最小值，但高溫級(jí)壓縮機(jī)頻率改變時(shí)的最小復(fù)疊溫差仍大于低溫級(jí)壓縮機(jī)頻率改變時(shí)的最大復(fù)疊溫差；低溫級(jí)頻率增加時(shí)，COP的增長(zhǎng)速度較快，低溫級(jí)頻率所帶來的COP的升高數(shù)值上明顯大于改變高溫級(jí)壓縮機(jī)頻率。

（2）高、低溫級(jí)壓縮機(jī)均存在使熱泵系統(tǒng)COP最高的最佳頻率，最佳高溫級(jí)壓縮機(jī)頻率穩(wěn)定在53 Hz，最佳低溫級(jí)壓縮機(jī)頻率隨環(huán)境溫度的降低逐漸降低，可通過調(diào)節(jié)壓縮機(jī)頻率使復(fù)疊式熱泵系統(tǒng)COP達(dá)到最佳值。