（制冷及低温工程专业论文）变浓度热泵系统的理论与实验研究.pdf

浙江大学博士学位论文摘要 变浓度热泵系统的理论与实验研究 张丽娜 ( 浙江大学制冷与低温研究所) 摘要 空气源热泵的广泛应用符合环保和节能的发展趋势，但是它在冬季使用中随 着环境温度的降低制热量不足，从而影响了室内的舒适性。容量调节是解决这一 问题的有效方式。容量调节相继经过了压缩机开停调节，多台压缩机联合运行调 节，压缩机转速调节和混合工质变容量调节等阶段。尽管采用变频压缩机可以进 行一定范围的系统制热量调节，但仍不能克服因吸气压力过低所带来的压缩比太 高、制热量下降等诸多的问题。利用混合工质特性可以实现纯工质无法达到的改 变热泵制热( 冷) 量的可能性，采用常规定转速压缩机的混合工质变浓度容量调 节方式成为一个有意义的研究热点。 本课题提出了一种新型变浓度容量调节热泵系统，自行设计、搭建了实验装 置。精馏装置安装在冷凝器与压缩机出口的节点和节流阀进口之间，精馏过程所 需的上升气体直接由压缩机出口气体充当，无需任何的换热设备。系统储存低沸 点工质，使润滑油可以随高沸点工质回到系统循环，从而解决了回油问题。储存 低沸点工质的储液罐设在高压侧，无需特别的保温。 对新型装置进行了理论建模与仿真计算，得到了系统制热量、c o p 、压缩机 耗功及排温等重要性能参数随蒸发器进口温度和高压组分浓度的变化关系。对混 合工质用于新型实验装置进行了预测，得出了实验中应注意的问题。 以新型实验装置为基础，研究了r 3 2 r 1 3 4 a 的变浓度循环性能，分析了变浓 度过程中制热量、c o p 和功率等随蒸发器进口温度的变化关系，得出了 r 3 2 r 1 3 4 a 的容量调节范围和适用的温度范围；并与模拟结果进行了对比分析， 得出系统性能变化趋势的原因。 通过新型变浓度容量调节热泵系统实验台，研究了该系统以r 4 0 7 c 为工质 变浓度容量调节的实际运行效果，分析出混合工质浓度改变对系统性能的影响， 并通过i b 2 ，r 1 3 4 a 和r 4 0 7 c 变浓度结果的比较，得出了r 3 2 r 1 3 4 a 的变浓度范 围大于r 4 0 7 c ，而r 4 0 7 c 的排气温度和压比均大大小于r 3 2 r 1 3 4 a 。为r 4 0 7 c 浙江大学博士学位论文 摘要 用于混合工质变浓度调节中提供了重要的实验基础。 实验结果验证了该新型变浓度容量调节系统的可行性，同时分析了系统设计 及运行中存在的问题，为系统以后进一步的改进指明了方向。 最后，在总结理论和实验研究结果的基础上，对今后进一步研究工作提出了 一些意见与建议。 关键词：空气源热泵；混合工质；变浓度；容量调节；系统性能 浙江大学博士学位论文a b s t r a c t t h e o r e t i c a la n d e x p e r i m e n t a ls t u d yo nv a r y i n g c o m p o s i t i o nh e a tp u m ps y s t e m z h a n gl i n a ( i n s t i t u t eo f r e f r i g e r a t i o na n dc r y o g e n i c s ，z h e j i a n gu n i v e r s i t y ) d i r e c t e db yc h e ng u a n g m i n g a b s t r a c t t h ew i d e s p r e a da p p l i c a t i o no fa i r s o u r c eh e a tp u m ps y s t e m sc o n f o r m st ot h e e n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o na n de n e r g y - s a v i n gd e v e l o p m e n tf i e n d h o w e v e r , i ti s d i f f i c u l tt op r o v i d ee n o u 曲h e a ti nw i n t e rb e c a u s eo ft h eu l t r al o ws u c t i o np r e s s u r e u n d e rl o wa m b i e n tt e m p e r a t u r e s t h u st h ei n d o o rc o m f o r tc a nn o tb ek e p t t h e c a p a e i t yc o n t r o li sa ne f f e c t i v ew a yt os o l v et h i sp r o b l e m t h ec a p a c i t yc o n t r o lp a s s e d t h r o u g hs e v e r a ls t a g e s ，s u c ha so n - o f f o f t h ec o m p r e s s o r ，j o i n t - o p e r a t i o nr e g u l a t i o no f t h em u l t i c o m p r e s s o r ，s p e e dr e g u l a t i o no ft h ec o m p r e s s o ra n dm i x e dq u a l i t a t i v e c a p a c i t ya d j u s t m e n to fr e f r i g e r a n tm i x t u r e s t h o u g ht h ea d o p t i o no ft h ei n v e r t e r c o m p r e s s o rm a k e si tp o s s i b l et or e g u l a t et h eh e a t i n gc a p a c i t yo ft h eh e a tp u m pt o s o m ee x t e n t ，i ts t i l lc a nn o ts o l v et h o s ep r o b l e m sd u et ou l t r al o ws u c t i o np r e s s u r e ， s u c ha s1 1 i 曲c o m p r e s s i o nr a t i oa n dt h ed e c r e a s eo f h e a t i n g e a p a e i t y t h es o l u t i o nm a y b ea c h i e v e db yu s i n gr e 衔g e r a n tm i x t u r e s ，f o rp u r er e f r i g e r a n ti sd i f f i c u l tt om e e tt h e n e e d so fc h a n g i n gh e a t i n go rc o o l i n gc a p a c i t yo fah e a tp u m p i nt h i st h e s i s ，an e w c a p a c i t y - c o n t r o l l e dh e a tp u m ps y s t e mu s i n gr e 衔g e r 卸tm i x t u r e sa n dan o r m a l c o n s t a n t s p e e dc o m p r e s s o rw a sp u tf o r w a r d a ne x p e r i m e n ta p p a r a t u sf o rt h i sh e a tp u m ps y s t e mw a sd e s i g n e da n ds e tu p t h e d i s t i l l a t i o nd e v i c ew a si n s t a l l e db e t w e e nt h ec o n d e a s e l a n dc o m p r e s s o re x i t sa n d t h r o t t l ev a l v ee n t r a u c e t h ed i s c h a r g e dg a sf r o mt h ec o m p r e s s o rd i r e c t l yw o i k sa st h e h e a ts o u r c et h a tt h ed i s t i l l a t i o np r o c e s sn e e d sw i t h o u ta n ya d d i t i o n a le n e r g yi n p u t t h es y s t e ms t o r e sm o s to ft h el o wb o i l i n gp o i n tw o r k i n gf l u i ds ot h a tl u b r i c a n t sc a n r e t u r f lt ot h ec y c l es y s t e mt o g e t h e rw i t ht h eh i 曲b o i l i n gp o i n tw o r k i n gf l u i d i nt h i s w a y t h ep r o b l e mo f o i lr e t u r nc a l lb es o l v e d n el i q u i ds t o r a g et a n kw i t hl o wb o i l i n g p o i n tw o r k i n gf l u i dl o c a t e di nt h eh i g hp r e s s u r es e c t i o no ft h es y s t e m ，a n dn os p e c i a l i n s u l a t i o ni sn e e d e d b yc o n d u c t i n gt h et h e o r e t i c a lm o d e la n ds i m u l a t i n gt h en e ws y s t e m ，t h er e l a t i o n s o fs o m ei m p o r t a n tp e r f o r m a n c ep a r a m e t e r sc h a n g i n gw i t ht h ei n l e tt e m p e r a t u r ea n d t h el o wb o i l i n gp o i n tc o m p o n e n t sc o n c e n t r a t i o no ft h ee v a p o r a t o rc a nb eo b t a i n e d ， i i i 浙江大学博士学位论文 a b s t r a c r s u c ha sh e a t i n gc a p a c i t y ，c o p ，p o w e rc o n s u m p t i o no fc o m p r e s s o r ，e t c t h ep r o b l e m s w h i c hs h o u l db ep a i da t t e n t i o nt ow e r eo b t a i n e db yp r e d i c t i n gt h ep e r f o r m a n c eo f n e w s y s t e mw i t hr e f r i g e r a n tm i x t u r e s t h es y s t e mw a su s e dt o s t u d yt h ec h a n g e so fc y c l ep e r f o r m a n c ew i t h c o n c e n t r a t i o no fr 3 2 r 1 3 4 & a n a l y s i so ft h ec o pc h a n g e so ft h es y s t e mw i t h c o n c e n t r a t i o na n dt h ei n l e tt e m p e r a t u r eo ft h ee v a p o r a t o rw e r eg i v e n t h ec a p a c i t y a d j u s t m e n ta n dt h et e m p e r a t u r ec h a n g i n gr a n g eo fr 3 2 r 1 3 4 aw e r eo b t a i n e d 1 1 1 e r e a s o n so ft h e c h a n g i n gt r e n do ft h es y s t e mp e r f o r m a n c e sw e r ea n a l y s e db y c o m p a r i n g w i t ht h es i m u l a t i o nr e s u l t s r 4 0 7 ci s o p e r a t e do nt h en e wh e a tp u m ps y s t e m ，a n dt h ee f f e c t so nt h e p e r f o r m a n c eo ft h es y s t e md u et od i f f e r e n tr e f r i g e r a n tm i x t u r ec o n c e n t r a t i o n sa l e a n a l y z e d t h ep e r f o r m a n c e su s i n gr 4 0 7 ca r ec o m p a r e dw i t hr 3 2 r 1 3 4 a t h er a n g e o f t h ev a r i a b l ec o n c e n t r a t i o no f r 3 2 r 1 3 4 ai sg r e a t e rt h a nt h a to f r 4 0 7 c i tp r o v i d e d a ni m p o r t a n te x p e r i m e n t a lb a s i sf o rt h eu s eo fr 4 0 7 ci nt h ev a r y i n gc o m p o s i t i o n c a p a c i t y - c o n t r o l l e dh e a tp u m ps y s t e m t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sc o n f i r m e dt h a tt h en e wc a p a c i t y c o n t r o l l e ds y s t e mi s f e a s i b l e i na d d i t i o n t h ed i r e c t i o nl oi m p r o v et h es y s t e mi sp o i n t e do u tt h r o u g ht h e a n a l y s i so f t h es y s t e md e s i g na n do p e r a t i o n f i n a l l y , s o m ea d v i c ea r ep u tf o r w a r df o rf u r t h e rr e s e a r c h k e y w o r d s ：a i rs o u r c eh e a tp u m p ；r e f i i g e r a n tm i x t u r e ；v a r i a b l ec o n c e n t r a t i o n ； c a p a c i t yc o n t r o l ；s y s t e mp e r f o r m a n c e s 浙江大学博士学位论文主要符号表 6 , t r 功 主要符号表 拉丁字母 面积 口 相对余隙容积c 性能系数d o ，盔 d e a n 数 厂 质量流量日 对流换热系数 g 格拉晓夫数k 长度m 多变指数；质流率 转数 n u 压力丹 换热量 r e 活塞行程 f 汽缸数v 工质浓度 工 压力损失舐 管壁热阻，潜热 希腊字母 对流换热系数 r l 厚度 容积系数 乃 温度系数如 压缩机的指示效率 鲰 动力粘度 v 比容 系数 比热 外径，内径 摩擦系数 焓 重力加速度 传热系数 制冷剂贮存量 功率 努谢尔数 普朗特数 雷诺数 温度 比容 工质干度 对数换热温差 效率 输气系数，导热系数 压力系数 泄漏系数 螺旋管换热强化系 数 下标 c 冷凝器 v a c 仪 仇 g o 三 m 胛 p q s z w 印 r 浙江大学博士学位论文 主要符号表 盘管 临界状态 进口；内径： 最小 出口值 制冷剂侧 过热区 理论 压缩机 蒸发器 平均值 液相 外径 吸气 过冷区 水侧 一 。 m 。咖 言 辩 r 入输 鲫 口 口 - 蓄 o ， 出 m 学号! q 4 q 8 q 3 4 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，除了文中特另u 加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝垄盘堂或其他教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：5 母雨娴 签字日期：丑7 年f 2 月艿日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解堑姿盘鲎有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权逝姿盘茔可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：孤面词7 导师签名：彳鱼乏，以 签字日期： 砷年f j 月f 5 日 签字日期：2 1 年位月，厂日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话 邮编 浙江大学博士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景 1 1 1 空气源热泵的优缺点 1 绪论 热泵是一种利用高位能使热量从低温热源流向高位热源的装置。热泵虽然消 耗了一定的高位能，但它所供给的热量却是所消耗的高位能和吸取的低位能之和。 故用热泵可以节约高位能，特别是在夏季供冷冬季供暖的场所，尤其显得经济。 当今环境污染和能源紧张问题正成为世界各国共同面临的两大难题。而热泵可以 充分利用环境中的低位能和工厂中的余热和废热，故其能很好的解决能源紧张问 题【l 】o 8 0 年代初期，国产中型空气源热泵首先在上海获得应用。随着改革开放和大 规模的基本建设的发展，空调装置越加普及。在某些大城市和特殊地区，环保当 局限制使用锅炉供暖，空气源热泵得到广泛应用1 2 , 3 a , 5 】。如在我国华北地区为了调 整能源结构，减少燃煤造成的污染，同时解决电力供大于需的矛盾，热泵成了电 供暖的最好方式【”。 空气源热泵系统在运行性能上存在着两方面的局限【7 】： ( 1 ) 随着空气温度的降低，蒸发温度下降，热泵温差增大，热泵的效率降低。 单级蒸汽压缩式热泵虽然在空气温度低到1 5 2 0 时仍可运行，但此时制热系 数将有很大的降低，其供热量可能仅为正常运行时的5 0 以下。 ( 2 ) 随着环境空气温度的变化，热泵的供热量往往与建筑物的供热负荷相矛 盾，即大多数时间内均存在供需的不平衡现象。 图1 1 是空气源热泵的供暖特性曲线，图中g l 曲线表示热泵装置的供热能 力( 不同容量热泵曲线不同) ，q l 曲线表示建筑物的耗热量特性。两线呈相反 的变化趋势，交点0 称为热泵装置的平衡点，相对应的横轴温度是平衡点温度乃。 当环境处于该温度时，建筑物的耗热量( 需求) 与热泵能力( 供给) 相平衡，当 l 高于而时，热泵供热有余：当瓦低于而时，则热泵供热不足。对于使用纯质的 热泵来说，某一热泵系统在不同温度下有唯一的平衡点温度，不能满足不同环境 温度下的容量需要。 为了解决热泵供热和建筑物消耗量之间的矛盾，可以通过容量调节使热泵系统 随着外界负荷的改变而相应改变热泵的输出容量，即使用中满足热泵在平衡点附近 工作，既可以满足舒适性要求又符合节能的需要。 浙江大学博士学位论文 第一章绪论 图i 1 热泵供暖系统特性曲线 1 1 2 容量调节用于热泵系统概述 早在上个世纪六十年代，就有人提出了将容量调节的方法用于热泵系统中舯， 之后许多学者就此进行了研究，取得了一定成果 9 , 1 0 1 。在七十年代引起了许多研究 者的关注和研究，并作为热泵的一种节能技术广泛开发和应用。所谓的“容量调 节”就是通过一系列技术手段来改进逆循环系统的性能，使之能够在更大的负荷 变化范围内满足用户的需求，使得循环系统具有更广泛的适应性。 由公式可知，系统的实际制冷量可有以下几种表达方式： 一、制冷量为压缩机输气量的关系式 q o2g ”g v2 ；t q v n g r 0 - 1 ) 其中，q 。一压缩机实际输气量( m 3 s ) ： a 一输气系数； g 。一单位容积制冷量( w m 3 ) ； 对于活塞式压缩机，有： q 叫= 寻d 2 n s z 6 0 ( 1 2 ) 叶 式中，q ，n 一压缩机理论输气量( m 3 s ) ： d 一气缸直径( m ) ； s一活塞行程( m ) ； z 一汽缸数： n 一转数( r m i n ) 。 n ：6 0 f ( l - s ) ( 1 ，3 ) p 浙江大学博士学位论文第一章绪论 式( 1 3 ) 中，厂一交流电输入频率； j 一电动机转差率； p 一电动机极对数。 f l q ( 1 1 ) 式知，调节压缩机的输气量可以起到容量调节的作用。压缩机能量调 节是指改变压缩机的制冷能力，使之与变动的负荷相适应的一类调节。 ( 1 ) 压缩机间歇运行调节 在小型制冷机中，经常采用使压缩机日j 歇运行的方法来实现调节室温的目的。 当室温降到规定温度的下限时，通过温度继电器或低压压力继电器，使压缩机停 止运行，室内温度开始回升，当温度升高到超过规定温度的上限值时，上述控制 器件又将压缩机的电路接通，压缩机重新启动运行。这样，使压缩机在一个开、 停周期内的平均输气量( 制冷量) ，和室内的负荷相适应【1 1 】。由于这种空调器一般根 据峰值负荷设计系统容量，但事实上系统却常常工作在部分负荷状态下，因而需 要依靠开停控制进行容量调节。这种间歇调节的能量消耗大于连续运行系统。因 为大多数中小型空调器采用毛细管作为节流装置，当关机以后，毛细管仍然可以 流通，由于压差作用，冷凝器中的液体便流向蒸发器，直到压力平衡为止。这样 在启动阶段一方面要重新建立运行冷凝压力，另一方面要克服换热热阻，需要数 分钟的时间才能达到稳态制冷量，但系统的耗功却比稳态时大。这种与外界负荷 不匹配的变工况调节方式，使系统的部分负荷性能低下，另外，电机在启动过程 中，由于大电流克服静力矩的原因，共同造成了空调的开停损失。因而这种调节 方式虽然简单易行，却容易产生较大启停损失和偏离工况损失，还有一种由开停 损失带来的停机潜热损失，它产生的原因在于蒸发器运行中在产生结露时会由于 停机时风机的继续运转使得水汽又被蒸发而造成的【1 2 1 ，不利于节能。 ( 2 ) 压缩机变速调节 变速热泵是通过微处理器来连续监控和精确调节压缩机的转速，使压缩机容 易起动，起动后能快速到达设定的温度，并使压缩机始终以最合适的转速，适应 外界冷热负荷的需要连续运行【7 , 1 3 】。 根据( 1 3 ) 式可知，制冷系统的制冷量与实际输气量成正比，而压缩机的输气 量与其转速成正比，即转速越高，制冷量越大。因此，改变压缩机的制冷量只要 改变压缩机的转速，就可以实现压缩机的容量调节。根据压缩机外部动力装置的 不同，转速调节可分为原动机直接驱动的变速调节、变速电动机的变速调节和采 用调速装置的变速调节 4 a 5 】。 变频空调也是变速调节的一种，最初由日本东芝公司创立，我国的研究始于 2 0 世纪9 0 年代中期。变频空调是相对普通空调来讲的，普通空调的压缩电机采用 交流异步电机，转速不变，5 0 h z 时转速约为2 8 8 0 r m i n 。而变频空调是先把2 2 0 v 、 5 0 h z 的单相交流电转变成为三相变频交流电( 2 5 1 1 8 h z ，5 6 - - 1 6 0 ) ，供给压缩机， 3 浙江大学博士学位论文 第一章绪论 通过频率变化来调节压缩机转速，使制冷量连续变化，适应空调负荷的需要【1 “。 变频空调与普通空调的区别是多了一个变频器，可是变频调节给压缩机带来了一 些问题：运动部件的磨损增加；气体流经排气阀的流动损失增加，并导致排气阀 片产生延迟关闭，阀片寿命降低；润滑油的循环率降低，也就降低了换热器性能， 增加了管路的压力损失；各种杂质会随润滑油进入运动部件间隙中；噪声增加； 低速运转时导致泄漏量增加m j 。 ( 3 ) 压缩机容积量调节 压缩机容积量调节就是调节压缩机的气缸容积大小。活塞式压缩机的容积量 调节是通过气缸卸载及控制压缩机运行台数来实现的【l ”。由( 1 - 2 ) 式知，压缩机的 输气量与汽缸数成正比，因而可以通过此种方式进行容量调节。此种调节方式一 般只用于中、大型制冷装置中。这些制冷装置的主机往往配置一台带有能量调节 机构的压缩机或者是多台压缩机( 每台压缩机或有能量调节机构或无能量调节机 构) ，用压缩机气缸卸载或控制压缩机运行台数或二者相结合的办法来实现位式能 量调节【1 8 ，1 9 , 2 0 。 活塞式压缩机的工作原理是调节机构将压缩机的吸气阀片强制顶离阀座，使 吸气阀始终处于开启状态，让气缸无法实现对吸入蒸气的压缩。这样，尽管压缩 机仍然运转着，但吸气阀片被顶开的气缸没有输气，从而达到改变压缩机输气量 的作用。这种调节方式基本上可以满足实际生产中的调节要求。但是从节能的角 度看，这种调节方式显然不理想。因为顶开吸气阀片的气缸虽然不输气，但活塞 连杆仍在运动，存在机械摩擦损失；气体没有被压缩，且随着活塞往复运动，不 断地流入流出气缸也存在流阻的损失。尤其当负荷很小时，这些损失所占的比例 将增大。 螺杆式压缩机的容积量调节是通过滑阀的调节来实现的。 ( 4 ) 压缩机进排气侧流量旁通调节 这种装置的调节原理是：若负荷下降时，吸气压力将降低。当低于能量调节 阀的给定压力时，阀自动打开，使部分高压冷剂气体不经过排气阀直接旁通到吸 气管2 ”。同时，在储液器的出口和压缩机吸气管之间装上注液阀，来避免排气温 度过高，在排气温度超过压缩机承受的限度时，注入一定量液态制冷剂，将排气 温度控制在允许的范围内。这种通过中间进液的方法来降低排气温度的方法已在 很多场合得以应用【2 2 , 2 3 】。通过以上方式，既能防止压缩机吸气压力降低到零，又 能防止压缩机制冷量下降( 2 4 1 。但从节能的角度来说，压缩机对旁通的制冷剂做了 功却没有产生有效冷量，显然是不经济的。除了小型制冷装置外，一股不宜采用 这种调节方法。 二、制冷量为制冷剂循环量和单位制冷量的关系式 q o = 牙。q o 4 ( 1 4 ) 浙江大学博士学位论文第一章绪论 其中，q 。= ! 二生二为制冷剂循环量； v v 压缩机吸气比容； 吼一单位制冷量。 ( 1 ) 压缩机吸气压力控制调节 吸气压力调节制冷量的原理主要是通过改变吸气压力进而改变压缩机实际吸 入的制冷剂质量流量，从而改变系统的制冷量【25 1 。一种最直接的方式就是在压缩 机的吸气管上安装调节阀，通过节流阀的节流作用，改变吸气压力和吸气密度， 显而易见，这种能量调节方式虽然简单，但是会使循环的经济性变差，故只能用 作小范围的容量调节。 另一种方式是利用压缩机本身结构的改造来实现对吸气压力的控制。例如涡 旋压缩机就是利用其上的一喷注孔进行液体喷注或气体喷注，造成一中间压力， 从而达到改变吸气压力，改善循环性能的目的f 2 们。 ( 2 ) 制冷剂流量调节 由( 1 4 ) 式知，调节制冷剂流量可以达到容量调节的目的。制冷剂流量调节是 通过控制进入蒸发器的制冷剂液体流量，使其与蒸发器的负荷相匹配，即按照蒸 发器中实际可能汽化的液体量调节进入蒸发器的液量，习惯上又叫蒸发器供液量 调节。其主要采用节流机构来实现调节，常见的节流机构主要有毛细管、热力膨 胀阀、电子膨胀阀及浮球阀等。 三、制冷量用换热量表示的关系式 q = k f a l( 1 5 ) 式( 1 5 ) 中，q 一换热器单位时间换热量，w ； k 一换热器的换热系数，w ( m 2 k ) ； ，一换热器的换热面积，m 2 ； 乙一换热器平均换热温差，k 。 由( 1 5 ) 式知，系统的容量可以通过换热器的热量来计算，所以调节换热器的 换热量可以达到容量调节的目的。热交换器能力调节主要是通过控制蒸发器、冷 凝器的外部换热流体的温度和流量来实现系统容量的变化，其表现为对冷凝压力 和蒸发压力调节。常用的调节手段主要有使用变速风机，阻风阀和水量调节阀等。 1 1 3 混合工质变浓度调节机理 1 2 3 1 基本压焓图 压焓图的结构如图1 2 所示，以绝对压力p 为纵坐标( 为了缩小图的尺寸，提 高低压区域的精度，通常取对数坐标) ，以比焓 为横坐标。图中的v 为等容线， 5 浙江大学博士学位论文第一章绪论 其中向上方平移时，减小，向下方平移时，v 增大。 p h 。 f | f 图1 2 基本p - h 图 h 1 2 3 2 热泵失效的原因分析 对于使用纯质的热泵系统，随着环境温度的降低，系统的蒸发温度降低，吸 气压力也随之下降，当环境温度降到一定程度时，压缩机吸气不足而停机。 1 2 3 3 变浓度调节机理分析 混合工质具有与纯质不同的性质，在相同温度下，高沸点工质r 3 2 的压力大 于低沸点工质r 1 3 4 a 的压力，混合工质r 3 2 r 1 3 4 a 随着高沸点组分的增加压力增 大，同时由图1 2 可知，吸气比容随着压力的增加而减小【2 7 1 。 由制冷量公式，2 “q o 其中，q 。= 坐为制冷剂循环量： v q 一压缩机理论输气量； v 一压缩机吸气比容； 五一输气系数； q 。一单位制冷量。 吸气比容减小，可得制冷剂循环量增大，所以制冷量q o 增大。 改变非共沸混合工质的浓度，即可改变压缩机吸气比容，进而改变制冷剂循 环量，实现热泵系统的容量调节。 1 2 混合工质变浓度调节的发展现状 近二十年来，随着混合工质在制冷系统中的应用日益广泛，又为我们提供了 一种新的容量调节方式即通过控制压缩机的吸气压力来调节混合工质的浓度 配比，充分利用非共沸混合工质本身的特性来达到改变系统容量的目的【2 8 2 9 j 0 1 。该 方式中压缩机为定转速和定容积的压缩机，循环工质采用混合工质。混合工质的 6 浙江大学博士学位论文第一章绪论 单位容积制冷量随组成变化的特性，是混合工质节能的一个优势，同时也是容量调 节中最有效的方式之一【3 l , , 3 2 , 3 3 j 4 j 5 j 6 1 。研究表明【3 7 】，变浓度容量调节与变频调速方 式相比，认为变浓度容量调节比速度调节有更好的节能效果。 1 2 1 非共沸混合工质的特点 混合工质指由两种或两种以上性质相似的完全互溶的纯工质混合而成的制冷 剂。根据混合物是否存在共沸点而分别称为共沸混合工质和非共沸混合工质：共 沸混合物是具有较大偏差的非理想溶液，在共沸点其气相和液相具有相同的组分， 在共沸组分下，溶液的性质象纯工质一样，其蒸发，冷凝工程是等温等压过程。 非共沸混合物是指在整个组成浓度不存在共沸点的、并具有相变温差特性的混合 物，其中包括近共沸混合物和共沸混合物，二者没有明显的分界点【3 8 】。经验证明 形成非共沸混合工质的两组分若有较大的沸点差，就能形成有较大差距的泡点线 和露点线。利用混合工质可以改善工质的热物理性质，因为混合工质具有与其组 成纯质不同的性质并且也不是其组成成分的简单叠加。混合工质具有良好的循环 性能，利用混合工质的相变温差与变温热源相匹配可以起到节能的作用 3 9 , 4 0 , 4 ”。混 合工质还可以调节制冷空调系统的负荷，实现连续的容量调节1 4 2 1 。在混合工质中 增大低沸点组元的成分，可以提高混合工质的容积制冷量。随着臭氧层的破坏和 温室效应的日益严重，寻找新的替代工质的工作迫在眉睫，而纯工质的理想替代 物是非常有限的，可以通过几种低环害制冷工质组成的许多新型混合工质，解决 工质的替代问题。 1 2 2 用于变浓度调节系统中的混合工质 作为变浓度系统中应用的混合工质，除了遵循一般替代原则，还要注意工质 对的分馏特性，希望在浓度变化范围内有一定的相对挥发度1 4 3 l 。c o p p e r 提出了使 用混合工质r 1 3 8 1 1 5 2 a 变浓度实验，使其质量浓度从5 0 ：5 0 ( 州_ ) 变化到7 0 ； 3 0 ( 州) ，混合工质的性能参数与r 2 2 一致，利用它可以实现容量调节m 】。k l u s e 等人用混合工质对r 1 2 r 1 1 4 和r 2 2 r 1 1 4 在热泵系统中进行实验研究，结果表明， 这些工质具有容量控制调节，扩大使用范围的作用【4 鲥。j o c a b s 等人用r 1 2 r 1 1 4 作为工质进行了实验研究，发现在r 1 2 浓度为6 0 时系统c o p 由最大值，c o p 比纯质r 1 2 提高了1 6 1 4 6 。研究表明，变浓度装置中使用混合工质可以在蒸发和 冷凝过程中减少制冷剂及二次流体之间的对数平均温差，进而提高系统c o p 4 ”。 天津大学的杨昭使用工质r 2 2 r 1 4 2 b ，r 3 2 r 1 2 4 的容量调节范围分别为5 7 3 9 1 8 及7 1 5 - 1 0 1 ，在部分负荷区，r 2 2 瓜1 4 2 b 有着理想的变浓度容量调节效果，且能 明显提高系统的稳态性能系数1 4 引。前者主要起减容作用，随着浓度变化相对挥发 浙江大学博士学位论文第一章绪论 度变化比较平稳；后者可以实现增容，但相对挥发度变化在高压分离时随浓度变 化较大；两工质都包含h c f c 工质。韩国的k i m 使用混合工质r 3 2 瓜1 3 4 a 进行变 容量研究，当初始充灌浓度分别为5 0 5 0 ( 质量浓度) 时，可变浓度范围从3 9 6 1 到7 4 2 6 1 4 9 l 。浙江大学的陈斌博士通过从环保性，工质的分馏特性等几方面考虑 筛选出混合工质r 3 2 r 1 3 4 a ，并在自行搭建的实验台上进行验证，结果表明由于 r 3 2 的存在，排气温度很高【4 ”。 1 2 - 3 混合工质变浓度调节方法研究进展 1 3 3 1 变浓度调节方法的进展 早在1 9 6 0 年s c h w i n d 在系统液体管路上加一个储液器可以改变系统浓度 别。 1 9 7 9 年i l 【i l h b 提出利用混合工质进行蒸气压缩制冷，并提出了改变混合工质浓 度的方法【4 5 l 。c o p p e r w d t 4 8 1 等人于当年在第十五次国际制冷会议上做了关于混合 工质制冷剂在空冷热泵中运用的会议报告，提出了一种采用单级气液分离器的混 合工质( r 1 3 b i 和r 1 5 2 a ) 空气源热泵系统。其基本原理是在制冷系统中增加了 吸气储液器，并在其中储有二元非共沸混合工质，当气液相平衡时，在气相中含 有较多的低沸点工质，因而使压缩机的吸气比容降低，系统的容量增加。但该系 统中工质浓度的改变受到气液组分差和储液器当中工质总量的限制而不能满足需 要，因而没能达到令人满意的实验结果。 1 9 8 1 年h k n l s e 对混合工质对r 1 2 瓜1 1 4 在热泵系统中的应用进行了实验研 究，并与纯工质r 1 2 、r 2 2 进行了性能比较。他采用的变浓度方法是把冷凝器分成 高温冷凝器和低温冷凝器，在两个冷凝器之间安装气液分离器，将高温冷凝器流 出物分离成气液两相，液相中富含低压组分被储存，气相中富含高压组分被送入 低温冷凝器并将其中的高压组分以气相的形式送入第二冷凝器进行冷凝和再循 环，以增加系统的容量【4 9 1 。 1 9 8 2 年c o p p e r w d 采用单级汽液分离器，以r 1 3 b i r 1 5 2 a 作为工质在环境 温度低于设计工况的条件下进行了变容量实验，通过测量了冷凝器的出口风温确 定系统容量的改变。实验表明：当混合工质r 1 3 8 1 r 1 5 2 a 的比例从7 0 3 0 改变 到8 3 d 1 7 时，冷凝器的出口风温提高。即证明采取提高系统中低沸点工质比例 的方法，确实可以提高系统的供热能力川。 1 9 8 5 年，b g r o m o l 和g o t b i e r 选用不同初始浓度的r 1 3 8 1 瓜1 5 2 a 、r 2 2 r 1 1 4 、 r 2 2 r 1 1 3 混合物进行了类似的变浓度实验研究，称为双集液器循环或三集液器循 环，其实质就是在冷凝器和蒸发器之间增加一个或着两个集液器。实验与计算机 模拟结果进行了比较，指出系统的性能系数主要取决于混合物种类的选择及混合 物的浓度，以c o p 为代价，标准温差越大，调节的范围就越大【5 ”。 b 浙江大学博士学位论文第一章绪论 1 9 8 8 年，日本的吉田雄二提出了一种采用精馏塔来改变混合工质浓度的容量 调节系统。该系统中初始充灌的工质为能提供最大负荷的8 0 r 2 2 + 2 0 r 1 3 b l ， 系统中精馏系统( 包括两个毛细管，一个精馏塔和一个冷却储液器) 放置在冷凝 器出口与蒸发器进口之间，精馏塔上部的冷却储液器中储有经分离得到的以 r 1 3 8 1 为主的液态工质，在塔底得到是以r 2 2 为主的液态工质。制冷系统循环工 质浓度的变化是通过调整电子膨胀阀的开度，从而使进入精馏系统的工质流量发 生变化来实现的。实验结论为：采用储存有低沸点工质的分离器单体在同等负荷、 压缩机输入功率、压力条件下，当室外温度降低时，可实现系统较高的c o p 值。 同时他还对分离器单体进行了优化设计，指出要实现分离器的最佳性能，存在一 个最佳的分离器压力、流入冷媒量和加热量【5 3 j 。 1 9 8 9 年y o s h i d a 提出了在冷凝器出口与蒸发器进口之间的旁通管路上安装填 料式精馏器来改变系统浓度，可是这种变浓度仅仅限于设计阶段【5 ”。 图1 3 文献5 5 的装置图 1 9 8 9 年g e r d s e y e r k d 和k l u s e h 提出另一种改变系统容量的方法，即通过制 冷剂的部分冷凝来实现【4 ”。同年，中国的游英、马一太在国际电气电子工程协会 上提出了一种可以连续进行变浓度容量调节的系统，该系统采用了两个储存有一 定量混合工质的储液器，并通过这两个储液器来调节混合工质中两种组分的比例， 以此来达到容量调节的目的p ”。 1 9 9 4 年游英等人又在该系统的基础上，对结构做了进一步的改进，提出了一 种新的变浓度调节结构【5 “。该装置有两个特点：一方面为了节能，储液罐中的热 源用系统中高压蒸汽代替外部加热源；另一方面采用气液分离装置改变系统浓度， 由于气液分离器的分离作用是很有限的，故效果不明显。 9 浙江大学博士学位论文 第一章绪论 图1 4 文献5 7 的装置图 压 绪 机 1 9 9 5 年天津大学的杨昭在综合前人成果的基础上，又对该系统做了四方面的 改进，提出了新的变浓度精馏系统，并对该系统进行了参数优化设计，在同工况 下系统浓度调节结果说明：该变浓度装置可以在运行中迸行一定范围内的浓度改 变和容量调节，且系统内工质基本稳定，可实现稳定运行。变工况稳态实验结果 表明：采用该变浓度装置来改变混合工质的浓度，可实现系统容量输出与负荷变化 较好的匹配p “。 1 9 9 7 年天津大学的蒯大秋将变浓度装置放置在冷凝器出口和蒸发器进口之 间，分离装置包括高压储液罐和再沸器，分别储存分离出的高低压沸点，应用此 装置做了稳定工况和变工况的实验。结论得出，r 2 2 r 1 4 2 b 的c o p 比r 2 2 高约 1 2 t 5 引。 1 9 9 9 年，弗兰克r 比安卡尔迪等人申请了一项专利，该种热泵系统，采用非 共沸混合工质，用精馏装置将高低压组分分离。精馏装置安置在蒸发器出口。将 高低压组分分离后，精馏装置上部的气体和下部的液体分别有管路通向放置在其 后的储液罐，低压组分被储存在这里，气体进入压缩机吸气口进入系统循环，使 系统容量升高。但文中没有给出该装置的实验性能结果1 5 9 】。 2 0 0 0 年，h e w i t t n j 提出一种使用混合工质的新型热泵系统循环i 叩】，其特点 是在蒸发器后放置一变浓度装置。与c o p e r w d 所提出的变浓度装置不同的是， 该装置采用精馏柱来改变混合工质的组分，避免了采用气液分离器所带来的组分 改变效果差的缺点，从而可在较大范围内提高压缩机的吸气比容，增加系统容量。 该变容量系统在精馏柱的顶部和底部各设有一储液罐，蒸发器出来的工质首先进 入精馏上部储液罐，经过气液分离作用，高压气体组分进入压缩机，低压组分以 液态形式存于储液罐底部，作为精馏的回流液：在精馏底部的储液罐中有- - # 1 - 部 热源加热装置，这个储液罐主要起贮存工质和提供精馏发生所需气态工质的作用。 1 0 浙江大学博士学位论文