（制冷及低温工程专业论文）涡旋压缩机闪发器热泵系统的运行特性研究.pdf

摘要 摘要 立足我国当前经济、社会的发展背景，结合热泵技术在建筑采暖方面的重 要节能意义，通过总结分析空气源热泵的研究新进展及其在寒冷地区低温环境 下使用时遇到的问题，综合比较后得出，带闪发器的空气源热泵系统可以很好 地适应低温运行工况，具有很高的研究开发价值和，“阔的市场应用前景。本文 主要采用工程试验的方法考量研究样机的实际运行特性。 首先，结合实验需要，分析比较了热泵空调机的运行工况差异对压缩机和 换热器的不同要求，在此基础上，初步确定了机组的压缩机和换热器型式分别 采用带补气口的准二级涡旋压缩机和波纹翅片管式换热器。 其次，在涡旋压缩机制冷系统的基础上，根据目前市场上热泵空调机组的 节流结构简单通用的特点，采用毛细管作为机组的流量控制装置。建立了毛细 管流动的数学模型及其临界流状态参考模型，按照设计条件和要求，先从理论 上求取了毛细管的结构参数，并结合工程上的经验和半经验关联式进行了对比。 理论分析制冷剂充灌量与系统整机性能的关系和影响，并依照理论模型计算出 了与样机性能参数相匹配的制冷剂充灌量。在确定了系统的最佳充灌量和毛细 管结构尺寸后，针对低温工况初步设计出一台分体单元式的冷热两用热泵样机。 另外介绍了建筑环境的冷热舒适性标准以及与此相关的空调热冷比参数，为样 机试验验证和改进调整指明了方向。 再次，搭建了实验平台，介绍了试验机组的工作原理和样机实物以及样机 的测试系统，采用试验方法检验样机的参数运行状况，通过进一步调整制冷剂 量和毛细管使其与样机达到了整体上的最优化匹配。在运行参数达到样机正常 指标的基础上，通过理论计算与实验修正相结合方法，选择确定了制冷剂的充 灌量和毛细管的结构尺寸。 最后，对冬夏两个季节的现场测试数据进行整理，分别分析了样机的热泵 运行特性和空调运行特性。通过对实验数据进行计算分析，从制热冷量、输入 功率、能效比和压缩机排气温度等方面定量考核了毛细管与样机的良好匹配效 果，发现了样机性能参数的变化规律，揭示了其在实际工作过程中的运行特性， 并进一步对其进行了相关探讨和研究。 关键词涡旋压缩机；闪发器；毛细管；运行特性 a b s t r a c t a b s t r a c t b a s e do nn a t i o n a ld e v e l o p m e n to fe c o n o m i ca n ds o c i e t y , a n dc o n s i d e r i n gt h e i m p o r t a n te n e r g y - s a v i n gb e n e f i to fh e a tp u m pt e c h n o l o g yi nb u i l d i n gh e a t i n g ，t h e r e s e a r c ha d v a n c e m e n to fa i r - s o u r c eh e a tp u m p ( a s h p ) a n di t s p r o b l e m su s e di n c o n d i t i o no fl o wa m b i e n tt e m p e r a t u r ei nc o l dr e g i o n sa r ec o n c l u d e da n da n a l y z e d a f t e rc o m p a r i s o nt oo t h e rh e a tp u m p s ，a na i rs o u r c eh e a tp u m pw i t hf l a s h t a n ki s c a p a b l eo ft h es t a t eo fl o wa m b i e n tt e m p e r a t u r e o nc o n c l u s i o n i t sw o r t h i n e s so f r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n ti s q u i t eg r e a t ，a n dp o t e n t i a lo fa p p l i c a t i o nm a r k e ti s e n d u r e 功eo p e r a t i o nc h a r a c t e r i s t i co fap r o t o t y p ei s i n v e s t i g a t e da n dt e s t e db y e x p e r i m e n t a lm e t h o da se n g i n e e rs t a n d a r di nt h i sp a p e r f i r s t l y , m e e t i n gt ot h ew h o l ee x p e r i m e n t ，i t sd i f f e r e n td e m a n d sf o r t h e c o m p r e s s o ra n dh e a te x c h a n g e r sa sar e s u l to fr u n n i n gs i t u a t i o na r es t u d i e d o nt h e b a s i c ，t h et y p e so fc o m p r e s s o ra n dh e a te x c h a n g e r sa r ec h o s e na p p r o x i m a t e l y t h e q u a s it w o s t a g e s c r o l l c o m p r e s s o rw i t he j e c t i o n c h a n n e la n d p i p e t y p e h e a t e x c h a n g e r sw i t hr i p p l ef i n si ss u i t a b l et ot h ep r o t o t y p e t h e n , b a s e do nt h er e f r i g e r a t i o ns y s t e mo fs c r o l lc o m p r e s s o r , c a p i l l a r yt u b e sa r e u s e dt oc o n t r o lr e f r i g e r a n tf l o wa c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i co fs i m p l i c i t ya n d g e n e r a l i t yo ft h r o t t l ed e v i c e su s e di nh e a tp u m ps y s t e m sw i d e l y a f t e rt h ef l o w m o d e ia n dc r i t i c a ls t a t em o d e lo fc a p i l l a r ya r es e tu p i t ss t r u c t u r ep a r a m e t e ri s c a l c u l a t e di nt h e o r ya sd e s i g nc o n d i t i o n sa n dt h e nc o m p a r e dt ot h a ts e l e c t e df r o m e n g i n e e r i n ge x p e r i e n c e t h ei n f l u e n c eo fr e f r i g e r a n tm a s so nt h ep e r f o r m a n c eo f w h o l eu n i t si ss t u d i e dt h e o r e t i c a l l y ；m e a n w h i l e ，i t sm a s sm a t c h i n gt ot h ep r o t o t y p ei s c a l c u l a t e da sm a t h e m a t i c sm o d e l a f t e rm a s so fr e f r i g e r a n ta n ds t r u c t u r eo fc a p i l l a r y a r ed e t e r m i n e d ，as e p a r a t e du n i tf o rh e a t i n ga n da i r - c o n d i t i o n i n gs u i tt ol o wa m b i e n t t e m p e r a t u r ei sd e s i g n e d o nt h eo t h e rh a n d , c o m f o r t a b l es t a n d a r do fb u i l d i n g e n v i r o n m e n ta n dh e a t i n g c o o l i n gc a p a c i t yr a t i oa r ei n t r o d u c e d , w h i c hi sn e e d e df o r p e r f o r m a n c et e s to fp r o t o t y p e t h i r d l y , e x p e r i m e n t a le q u i p m e n t sa r es e tu pf o rt e s t i n g t h ew o r kp r i n c i p l eo f p r o t o t y p e ，t h ep r o t o t y p ea n di t st e s t i n gs y s t e ma r ea l li n t r o d u c e d t h er u n n i n g p a r a m e t e ri sm o n i t o r e db ye x p e r i m e n tt oa d j u s tt h em a s so fr e f r i g e r a n ta n dc a p i l l a r y t u b et oo p t i m i z et h ew h o l ep r o t o t y p e a f t e ri t so p e r a t i o ns h o w sn a t u r a lp a r a m e t e r , t h er e f r i g e r a n tm a s sa n dd i m e n s i o no fc a p i l l a r yt u b e ，b yt h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o na n d e x p e r i m e n t a lm o d i f i c a t i o n ，a l es e l e c t e d f i n a l l y , t h et e s t i n gd a t ai nw i n t e ra n ds u i f l m e ra r ec a l c u l a t e dt oa n a l y z et h e o p e r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h ep r o t o t y p e w i t l lt h a t , t h em a t c h i n gr e s u l to ft h e c a p i l l a r yt u b ea n dp r o t o t y p ei se x a m i n e dq u a n t i t a t i v e l yi nt e r mo fh e a t i n g c o o l i n g c a p a c i t y , i n p u tp o w e r , e n e r g ye f f i c i e n c yr a t i oa n dd i s c h a r g i n gt e m p e r a t u r eo f c o m p r e s s o r v a r i a t i o n l a wo f p r o t o t y p e i sd i s c o v e r e d ，a n di t s o p e r a t i o n c h a r a c t e r i s t i c sa r ef o u n do u t a d d i t i o n a l l y , s o m er e l a t i v ed i s c u s s i o na n di n v e s t i g a t i o n a r ed o n e 1 1 北京工业大学工学硕士学位论文 i l l k e yw o r d ss c r o l lc o m p r e s s o r ；f l a s h - t a n k ；c a p i l l a r yt u b e ；o p e r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s i i i 物理量名称及符号表 物理量名称及符号表 膨一制冷剂充灌量，k g ； 一蒸发器容积，m 3 ： 形：冷凝器容积，m 3 ； 圩一闪发器容积，m 3 ； a _ 一液相摩擦系数： l ，气相摩擦系数； r 密度，k g m 3 ； r 毛细管出口临界流速，m s ； ，r 动力粘度，p a s ； 厂毛细管进口比焓，k j k g ； 厂一毛细管出口比焓，k j k g ； j i l 2 _ 。毛细管出i ；3 饱和态液相比焓，k j k g ： 五z r 毛细管出口饱和态气相比焓，k j k g ： i i z 广滞止焓，k j k g ； p ，毛细管进口压强，p a ； p 2 一毛细管出口压强，p a ； 厶卜进出口压差，p a ： r 毛细管长度，m ； 驴一毛细管直径，m ： 卜制冷剂两相区干度； r 蒸发潜热，k j k g ： 9 广单位质量液体显热，k j k g ； r 两相区液体比焓，k j k g ； s r 两相区液体比熵，k j l ( k g - k ) ； 1 ，r 两相区液体比容，m 3 k g ； v 3 两相区气体比容，m 3 k g ： 彳毛细管流通截面积，i n 2 ； c r 两相区液体比热容，k j ( k g k ) ； c r 临界状态比热容，k j ( k g k 1 ； c c r 临界状态下液体比热容，l 【j 承g k ) ； 雕一临界压力，p a ； 巧临界温度，； 正一对比态温度； 卜饱和液体膨胀系数； 缈r 临界流速，m s ； p 制冷剂流量，k g s ： g c 一临界流量，k g s ； 9 _ 一制热量，l 【j ： q c r 一制冷量，u ； 彳疗送风管道横截面积，m 2 ； i v 北京 业大学工掌坝士学位论文 圪送风风速，毗； p 以空气密度，k g m 3 ； g _ 空气定压比热容，k j ( k g k ) ： t o 打一羞风口空气干球温度，k ； 打进风口空气干球温度，k ： h i n , 姗进风口空气焓值，l d k g 干空气； h o u f 口i r 一羞风口空气焓值，k j k g 干空气： w n 一羞风口湿空气含湿量，k g k g 干空气； g 风机送风量，k g s ： 渺一输入功率，k w ； 。卜_ 换算系数。 v 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别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，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 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了谢意。 签名：蛊醣同期：趔岱毕 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 一一_ 、。 签名：氲驾，导师签名：蕴选日期：趔墨，盘颦 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 建筑能源利用的形势 未来2 0 年，中国将实行“节能优先、结构优化、环境友好”的可持续能源 发展战略，节约资源已经提升到了基本国策的高度，国家“十一五”发展规划 中也对节能减排制定了明确的目标。国务院发展研究中心的中国能源综合发 展战略与政策研究报告中指出，未来2 0 年中为适应全面建设小康社会的新形 势，将节能战略重点调整为：在继续推进工业节能的同时，把建筑、交通作为 节能的重点领域。 建筑对能源的消耗包括建筑的建造和使用两个阶段。建筑建造阶段的能耗 主要有生产建筑材料方面的能耗，包括钢材、水泥等；以及对土地资源的占用。 建筑使用过程中的能耗，主要包括建筑采暖、空调、热水供应、电气、炊事等 方面的能耗。通过建筑围护结构散失的能量和供热制冷系统的能耗在整个建筑 能耗中占大部分，据统计，建筑用能在我国能源总消耗量中所占比例已从1 9 7 8 年的1 0 上升到2 0 0 3 年的2 7 4 7 ，并且将继续保持增长的势头。预计，建筑 能耗在全社会终端总能耗中所占的比例将逐步提高到3 5 左右【。所以建筑将 超越工业等其他行业成为用能的主要增长点，建筑节能将成为提高全社会能源 使用效率的首要方面。在整个建筑能耗中，空调能耗占了很大比例。据统计， 冬夏两个季节，空调建筑的空调能耗约占整个建筑能耗的5 5 - 6 0 。就目前而言， 冬季建筑采暖的形式主要有燃料供暖、电热供暖和热泵空调供暖等。 燃料供暖中，传统的采暖方式是区域锅炉房集中供热。锅炉主要燃料一般 采用煤，由于煤燃烧后产生的烟尘和有害气体对城市大气环境的污染日益严重， 所以这种方式将逐渐被取代，除非采用新型的环保燃料，天然气的利用可能使 之继续发挥作用，但需要使用不同的燃烧装置。 热电联产集中供暖方式将是未来城市供暖的主要方式之一，热电联产利用 燃料的高品位热能发电后，再将其低品位热能用来供热，目前我国大型火电厂 的平均发电效率为3 3 ，而火电厂供热时发电效率可达2 0 ，剩下的8 0 热量 中的7 0 以上可用于供热【2 】。同时热电厂可采用先进的脱硫装置和消烟除尘设 备，同样产热量造成的空气污染远小于中小型锅炉房。 电热供暖是采用各种电暖气、电热膜、热电缆等给室内供暖。尽管末端装 置热利用率认为可达1 0 0 ，并且调节灵活，但使用高品位电能直接转换为热能， 其一次能源利用率低，是很大的能源浪费。因此只有在以水电和核电为主的国 北京t 业大学t 学硕十学位论文 家中才被广泛采用，而在目前国内电力整体紧张的情况下不宜发展。其中电蓄 热采暖利用相变材料在夜间电力低谷期蓄热，其它时间均可以供热。这对解决 电力负荷的峰谷差，减缓大型火电压力，保持电力系统运行的综合平衡非常有 利。蓄热装置的体积与通常的铸铁暖气相同并可在数小时内蓄存一天的热量， 便于调节，是末端电蓄热采暖的最佳解方案。目前的问题是设备投资高，电力 峰谷价格差别小。如果电力部门对这种采暖设备适当补贴，降低谷间电价，那 么这种方式将会有很大应用市场【2 】。 目前，绝大多数城镇居民和企事业单位的冬季采暖都是先由供暖站或区域 锅炉房集中提供热源，然后再采用供暖管网输配分散到各家各户的。这种系统 的特点是末端无计量和调节手段，统一按照供热面积收费。所以当室内过热时， 用户只好开窗散热而不是关暖气。由于无调节手段，办公室、教室夜间和假期 照常供热，住宅不管有人无人也照常供热，浪费非常严重。另外，这种集中供 暖的模式，不能满足很多用户在冬季往往有提前供暖或者延后供暖的客观需求。 相比之下，热泵采暖形式多种多样，容量范围较大，使用比较灵活，家用 的冷暖空调机可以满足个别用户的需要。所谓热泵供暖，就是消耗一定的高品 位电能，将低品位热源的热量输送到需热场合的技术。它节约了高位能，采暖 的热效率较高。 热泵虽然要消耗一定量的高位能，但所供给的热量却是消耗的高位能与吸 收的低位热量的总和。因此，采用热泵装置可以充分利用低品位能量而节约高 位能量，特别是对同时需要供冷和供热的场合，采用热泵装置就更经济合理。 热泵技术的利用是未来采暖的一个新方向。 1 1 1 空气源热泵的现状 空气源热泵以大气为取热对象，而大气随处可用，可以说是一个庞大的、 取之不尽的低品位热源，与其它种类的热泵相比，这是其具有的一个很大优势。 空气源热泵具有特点： 系统冷热源合一，不需要设专门的冷冻机房、锅炉房，机组可任意放置屋 顶或地面，不占用建筑的有效使用面积，施工安装十分方便。 空气源热泵系统无冷却水系统，无冷却水损耗，也无冷却水系统动力消耗。 常规空调系统水的损失总量对我国严重缺水的城市来说，是一个可观的数量。 另外，冷却水污染形成的军团菌感染的病例已有不少报道，从安全卫生的角度， 考虑空气源热泵也具有明显优势。 由于无需锅炉、无需相应的锅炉燃料供应系统、除尘系统和烟气排放系统， 所以系统安全可靠、对环境无污染。 第l 章绪论 在我国北方室外空气温度低的地方，可利用空气源热泵进行过渡季节的采 暖运行，使一些使用城市热源的特殊用户，例如医院、老年中心、幼儿园等建 筑，能够提前供暖和滞后供暖。在这一段时间内，利用空气源热泵来代替热源 供热或对系统进行热量补充是非常合适的【引。 然而，空气源热泵也有其自身的不足之处，这些不足虽是由客观因素造成 的，但也大大限制了其进一步推广和应用1 4 】：首先室外空气状态参数对热泵制 热能力影响很大，空气的热容量小，为获得一定的热量必须加大风量或增加温 降，但前者使风机容量增加，噪声增大；后者导致蒸发温度降低，使热泵制热 能力下降。其次，空气源热泵的性能会随室外气候变化而变化。冬季制热时， 当室外空气温度较低时，热泵机组效率会有所下降，甚至无法工作，所以空气 源热泵实际运行中的供热量和供热性能系数受室外温度、相对湿度和结霜与融 霜控制方式的影响很大。当室外气温较低且相对湿度较大时，室外侧换热器翅 片表面就会结霜。根据测试可知，除霜损失约占热泵总能耗损失的1 0 t 3 1 。再 次，气温较低时，热泵制热量不足，需设辅助加热器。 通过分析总结其表现出来的问题，可将其归纳为：系统的制热量随着室外 温度的下降而迅速下降，而需热量却随着外温的下降而迅速上升，当外界温度 很低时，系统的制热量将减4 , n 无法满足这些地区的冬季采暖需求；与此同时， 随着室外环境温度的降低，机组的c o p 急剧下降、压缩机的压比会越来越大， 导致排气温度不断升高，长期运行必然会严重损坏压缩机；系统除霜的效果有 待加强，现有的除霜判据不能适应北方的大范围运行工况，误除霜现象严重， 需要除霜与实际除霜不合拍，除霜水不易流尽，除霜时间过长往往导致室内温 度波动过大，用户有明显的吹冷风的感觉。 1 1 2 解决问题的方法 目前，空气源热泵制热量和c o p 随气温降低而同时下降已成为一个亟待解 决的突出问题，但冬季室外气温的降低对热泵制热能力的直接影响并不是像人 们想象的那么大，然而市场上热泵产品的实际制热量衰减却很大1 5 1 。因此，空 气源热泵的冬季制热量衰减问题在一定程度上是可以通过采取相应的技术措施 来解决的。针对此问题，科研工作者们从多个渠道开展了此方面的研究。 设置电加热器或燃油、燃气燃烧器辅助加热，这是目前较为常用、且比较 合理的技术方案1 6 j ； 优化机组压缩机内部的工作过程，采用液态或气态制冷剂喷射措施增加低 温工况下系统的工质循环量【7 】【8 删； 选用适合于大范围温度工况的制冷剂，在单一制冷剂的基础上研制开发两 北京t 业大学t 学形! 十学位论文 元或三元混合工质，以适应机组低温运行工况的需要【l o 】【1 1 】【1 2 】。 在普通热泵系统基础上兼顾低温工况进行改进，如在四通换向阀后的排气 管上加旁通毛细管和气液分离器中加过冷管，既可以增加过冷度也可以减小压 缩机吸气比容，增加吸气量【1 3 】【1 4 】。 改进复叠系统循环结构的工艺布置，提高室外侧换热器的利用率，从而增 加低温工况下的制热量【坫】。 变频技术可以增加低温工况下工质的循环量，通过改变电机频率，改变压 缩机的转速，适应环境温度变化而引起的负荷变化要求，特别是室外环境温度 较低时，可以使压缩机在高频率下工作，使热泵空调器产生较大的供热量，维 持室内的供暖需求；另外，变频技术和双级压缩结合将大大提高热泵的运行效 果【1 6 】【。 冬季低温气象条件下采暖一般不会太长，如果在这段较短的时间内系统可 以提供足够的制热量，那么即使能效比有所降低，但从整个采暖季节的经济性 来看，其季节能效比却不是太低，这样用户还是可以接受的【1 8 】f 1 9 】。前提是必须 保证压缩机的安全稳定运行，如排气低于限制温度等。解决排气温度过高的问 题，可以与提高制热量和性能系数同时考虑，也可以单独采取措施【2 0 ) 。 准二级压缩从改善压缩机的内部工作循环出发，通过增加系统的工质循环 量，不但提高了系统的制热效率，还降低了压缩机的排气温度，大大提高了机 组的低温适应性能【2 l 】【2 2 1 【2 3 1 2 4 1 。 1 1 3 准二级压缩介绍及闪发器热泵系统 带经济器的准二级压缩首先得到成功应用是在螺杆机组上实现的，由于这 种系统在低温工况下具有良好的制热性能及显著的节能效果，所以基本上可以 取代双级系统。 随着压缩机技术的日益成熟和迅速发展，准二级压缩的应用范围也逐渐得 到扩展。涡旋压缩机结构简单，体积小，质量轻，可靠性较高，工作效率高于 其他容积式压缩机，压缩过程中力矩变化小，振动小，噪声低。由于其突出的 优点，在空调热泵上被广泛应用。近年来，准二级压缩在涡旋压缩机热泵系统 上的研究也成为了制冷行业内的关注热点之一。 图1 1 为可用于准二级压缩的涡旋压缩机简化结构图。 圈i - l 准二级压缩用涡旋压缩机 f i g1 - 1s c r o l lc o m p r e s s o r f o r q u a s i t w o - s t a g ec o m p r e s s i o n 准二级涡旋压缩机热泵系统带有经济器，利用经济器实现压缩机的辅助进 气，所以也称经济器热泵系统。经济器有过冷器和闪发器两种基本型式，其中 采用后者的系统被称为涡旋压缩机闲发器热泵系统。圈1 - 2 为过冷器热泵系统 的原理图和热力循环图，图l 一3 为闪发器热泵系统的原理图和热力循环图。 a ) 原理图b ) 热力循环图 a ) t h e p r i n c i p l e f i g u r eb ) t h e f i g u r e o f t h e n n o d y l l a m i cc y c l e 图卜2 过冷器热泵系统 f i 9 1 - 2 t h e h e a t p u m p w i t hs u b - c o o l e r 北京下业人学t 学硕 ：学位论文 压缩机 o 0 h a ) 原理图 b ) 热力循环图 a ) t h ep r i n c i p l ef i g u r eb ) t h ef i g u r eo ft h e r m o d y n a m i cc y c l e 图卜3 闪发器热泵系统 f i g 1 - 3t h eh e a tp u m pw i t hf l a s h t a n k 这种热泵系统的涡旋压缩机带有辅助进气口，循环主回路和补气回路的制 冷剂在经济器中产生热交换，主回路的制冷剂得到过冷冷却，同时经过系统冷 凝器的制冷剂流量也有所增加。和常规系统相比，经济器系统在制冷工况下的 制冷量以及制热工况下的制热量均会有所增加，同时由于补气过程的存在，使 得第二阶段的压缩过程向左偏移，系统的排气温度会有所降低，在极限工况下 的安全稳定性会有所改善。当切断补气回路上的截止阀，该机组按照常规系统 的循环模式工作，和普通的单级压缩热泵没有区别；如果该回路上的截止阀打 开，补气投入运行，那么机组按照准二级压缩热泵模式进行工作。这样，可以 根据实际情况的需要，选择系统按照常规模式或者准二级模式运行，使系统在 正常的制热i t i ! j 冷以及低温制热工况下的经济性均可较好兼顾。 带经济器的准二级压缩空气源热泵系统简单可靠、易于实施，无需造成常 规系统结构的很大改变，且可以根据实际情况通过开关辅助回路上的截止阀， 实现在准二级压缩模式和单级压缩模式之间的切换，是目前较为经济、有效的 改善措施之一。采用闪发器作为经济器的闪发器前节流系统在低温工况下比采 用过冷器作经济器的热泵系统和闪发器后节流的热泵系统可以更有效地提高空 气源热泵的低温制热性能，再考虑到其结构简单的特点，闪发器前节流系统是 寒冷地区用小型空气源热泵比较适宜采用的系统。 1 2 国内外关于此课题研究的相关成果和借鉴 国际上前苏联学者于1 9 7 6 年首次提出螺杆压缩机准二级压缩循环这一概 念。作者分析了循环的特点，得出了经济器、中间补气过程的能量平衡方程， 并把压缩机补气过程假定为一个简单的“先等容混合，后绝热压缩 的过程， 第l 章绪论 由此得到了反映该循环主要特征的数学模型f 2 5 1 。 西安交通大学的郁永章先生是国内较早开展经济器系统研究的，他提出了 以回转压缩机为主机的经济器制冷系统模型【2 6 】。作者通过实验验证得出如下结 论：螺杆制冷系统增设经济器较大幅度提高了其制冷能力和制冷系数，而且随 着蒸发温度和冷凝温度相差得越远，提高幅度也越大。同时还对比了采用不同 工质对经济器制冷系统的效果差异，其中r 5 0 2 的性能提高最大。 在以上基础上，国内有学者详细分析了涡旋压缩机经济器系统的工作循环， 计算出了该循环在低温工况下的主要性能，找出了最适宜的中间压力，并以过 冷器经济器系统为基础，设计和研制出一种寒冷地区用空调机组的原型机 2 7 1 1 2 8 。通过全面的实验研究发现：原型机能够在1 5 。c 的低温环境中稳定可靠运 行；中间补气可以增加制热量和压缩机功率，但制热量的增加速度较快，因此 可以提高系统的制热性能系数，明显降低压缩机的排气温度。 j o n gm a h n 分析研究了闪发器蒸气喷射在c o ：两级压缩热泵系统上的性能 影响，在第二级压缩过程中增设蒸气喷射增加了两级压缩的中间压力，造成第 一级压缩功增加，第二级压缩功减少。综合而言，由于第二级压缩的制冷剂增 多，压缩功最终还是增加。但制冷量的增加超过输入功率的增加，所以系统的 性能系数有所提高，与未采用喷射措施的同样机组相比，c o p 在原来的基础上 大约提高了1 0 t 2 9 1 。 英国阿尔斯特大学的m i n hn g u y e n 在研究闪发器蒸气喷射系统中发现，如 果拓宽闪发器一毛细管组合装置的运行范围，最好的方法是选择两根不同工况下 的毛细管适应不同的气候环境；同时作者指出，闪发器的型式对于制冷剂的热 交换和流量有很大影响：制冷剂流速过快，闪发气体和液体之间热交换不充分， 降低了前者对后者的冷却效果，进而影响机组的整体性能f 3 0 】。 上海理工大学的唐华杰在研究涡旋压缩机经济器系统时，将系统的性能参 数与采用变频控制的压缩机系统进行了比较：蒸发温度一1 5 。c 、冷凝温度4 8 c 时， 机组的制热量提高7 ，制热系数提高0 7 f 3 。但变频系统的变频状态处于超频 区，不允许长期运转的。所以比较而言，还是经济器系统可以明显改善空气源 热泵的低温性能。同时作者在综合比较了系统制热量的改善情况及运行可靠性 后，提出了比较适宜的相对中间补气压力值为1 1 1 4 。 张乐平等人在带有辅助进气口的空气源热泵试验装置上测试了系统在夏季 制冷工况的性能参数【3 2 1 。与传统热泵的制冷性能相比，其制冷量和输入功率都 有所增加，制冷系数在气温不太高时反而较低；但随着冷凝温度升高，将逐渐 高于传统热泵。因此，只有在非常炎热的夏季开启辅助进气才比较合理。 美国马里兰大学的y u n h oh w a n g 把闪发器蒸气喷射作为一项能量调节技术 应用在空调制冷系统上，在需冷量增多的情况下，把补气管路打开，可以提高 北京丁业夫掌丁学硕_ j ：学位论文 制冷量：同时造成性能系数降低【3 3 】。但由于出现这一种运行工况的时间段很短， 故对系统的季节性能系数影响不大。另一方面，由于蒸气喷射具有一定的能量 调节功能，所以在选择功率和排量上可以比常规系统偏小一些，降低了系统的 初始投资。 赵会霞分析研究了造成闪发器热泵系统和过冷器热泵系统性能差异的原 因，揭示了闪发器涡旋压缩机热泵系统的内在规律，随着蒸发温度的降低，闪 发器系统的制热量有所减少，但减少的速度明显低于普通热泵系统；压缩机的 电功率有所增加，但增加的幅度不大，其在低温工况下可以明显提高制热量和 制热c o p 、降低压缩机排气温度，但这种优势随着蒸发温度的升高将趋于下降， 综合而言，闪发器系统是寒冷地区用小型空气源热泵系统比较适宜采用的系统 3 4 p 5 1 o 清华大学建筑科学系的王宝龙通过分析补气过程中制冷剂气体喷射对蒸发 器、冷凝器以及整个制冷系统的影响，在只考虑提高系统的制冷量或者制热量 的前提下，从喷射位置的设定对热泵系统的优化设计提出以下建议：增大压缩 腔喷射口的面积；喷射口尽可能接近吸气腔；在喷气回路上安装单向阀【3 6 l 【3 7 1 。 1 3 本文所要做的工作 在整理、总结、消化了目前已有的关于闪发器补气系统的研究成果基础上， 设计搭建一个试验样机测试平台，着手开展以下工作：( 1 ) 理论分析制冷剂充 灌量对热泵系统性能的影响，确立制冷剂充灌量与系统部件之间的关系式，进 而根据数学模型及工程关联式计算出试验样机所需要的理论制冷剂量，然后结 合试验，确定最终的制冷剂充灌量；( 2 ) 从理论上分析毛细管结构参数与制冷 剂充灌量的相互匹配对整个热泵系统的影响，建立毛细管参数影响热泵系统性 能的数学模型，从而从理论上设计计算适应热泵低温运行工况的参数值；( 3 ) 在理论计算出毛细管结构参数的基础上，建立毛细管出口制冷剂状态参数的临 界流模型，验证制冷剂的出口参数，以兼顾最佳补气压力和最大制冷剂流量之 间的需要；( 4 ) 在理论设计出最佳的毛细管结构参数基础上，进行样机运行测 试，根据运行参数修正调整毛细管，通过试验使系统性能达到整体匹配，从而 最终确定出毛细管的结构尺寸；( 5 ) 样机各相应的设计部件经试验检验匹配良 好后，按照标准进行数据测试和记录，然后依据实测数据研究分析样机的实际 运行特性。 本论文结合工程实践，继续进行应用方面的研究，有助于加快科研成果的 产业化，推动本行业的技术革新与进步，进而扩大空气源热泵的市场占有率和 地域使用范围，使热泵供暖方式能够在当前和未来时期内，真正成为一条切实 第l 章绪论 可行的建筑节能道路。 本章小结 本章立足我国当前经济、社会的发展背景，介绍了热泵在建筑采暖方面的 特点以及其对节能的重要意义，重点总结了空气源热泵的研究现状和新进展， 分析了其在寒冷地区低温环境下使用时遇到的问题。针对这些问题，结合各方 面的相关研究，通过综合比较后得出，带闪发器的空气源热泵系统可以很好地 适应低温运行工况，具有很高的研究开发价值和广阔的市场应用前景。最后， 提出了自己的研究内容和研究意义。 第! 章制冷剂充灌量及毛细管的设计计算 第2 章制冷剂充灌量及毛细管的设计计算 制冷剂充灌量及毛细管结构尺寸和整个热泵空调机组匹配与否直接影响着 设计样机的性能高低。在选择好实验用压缩机和换热器的前提下，系统增设经 济器后，制冷剂量与原来相比必定要增加；另外，样机是按照低温工况进行设 计，与普通机组不同，选配毛细管时必须考虑到这一点，而且同时要兼顾压缩 机补气压力的需要。因此应从理论上分析二者与整机性能的关系和影响，然后 依据理论模型对其进行初步计算，从理论上完成样机的设计要求，并达到其预 期效果：低温工况下仍可提供足够的制热量；样机运行安全可靠等。 2 1 制冷剂充灌量对系统性能的影响及其设计计算 2 1 1 充灌量与换热器及闪发器的匹配 空调器在系统结构参数和运行参数给定的情况下，都存在一最佳充灌量， 过多过少都会导致制冷量和能效比发生变化。制冷剂过少时，压缩机的吸气压 力降低，吸气量不足，造成制冷剂流量减少，制冷量较小；蒸发器出口制冷剂 过热度增加，使压缩机的排气温度升高，影响压缩机的使用寿命。同时，过少 时蒸发器未完全充满，会直接造成蒸发器只有部分管壁得到润湿，换热面积没 有得到充分利用，蒸发器内的蒸发量下降，导致制冷量减小。过多时，冷凝器 的制冷剂不能及时排出，制冷剂会占去冷凝器内的部分容积，从而减少了冷凝 器的换热面积，导致了冷凝温度和冷凝压力的升高，使得制冷量减小。并且过 多后，蒸发器换热面积显得不足，蒸发器中将有部分制冷剂得不到完全蒸发， 蒸发温度和蒸发压力均会上升，导致传热温差减少，同样会引起制冷量减小， 严重时甚至会发生压缩机液击现象。 带补气的涡旋压缩机热泵部件中，闪发器是典型气液直接接触传热的装置。 节流后的两相混合制冷剂进入闪发器内，气态的制冷剂从上面喷入压缩机，由 于气体减少，压力降低，一部分液体将会与饱和态的制冷剂发生热交换，带走 其热量，本身闪发成气态，同时使其余液体过冷。若闪发器内制冷剂过多，制 冷剂气液两态之间不能进行充分的换热，流出的液体过冷度减小；若过少，饱 和状态制冷剂分离及闪发后的气体压力偏低，达不到补气压力，使补气量减少。 系统中制冷剂的充灌量不等于制冷剂的循环量，和蒸发器、冷凝器的容积 有直接的关系i 3 引。 北京tq k 大学丁学顾i ：学f 屯论文 2 1 2 充灌量与毛细管的相互匹配 对于压缩机和两器已定的系统，制冷剂充灌量和毛细管长度存在一个最佳 匹配，使得系统的能效比或能力最大。 影响制冷量的因素很多，除压缩机、冷凝器和蒸发器的结构和性能外，还 与毛细管的几何尺寸和制冷剂充灌量有着密切的关系。当长度固定时，制冷量 随着充灌量的增加呈抛物线关系变化，即在此长度下存在一个最佳的充灌量使 得制冷量达到最大；当长度增长时，取得最大制冷量的充灌量先逐渐增大，再 逐渐减小，当充灌量和长度达到一种最佳组合时，制冷量取得所有组合中的最 大值【3 9 】【柏1 。 在空调系统中，耗功率商接关系到系统的能效比指标，它主要取决于压缩 机的耗功状况，其大小由压缩机的性能、冷凝压力、吸气过热度和容积排气量 决定。而毛细管长度和充灌量直接影响着冷凝压力、蒸发压力、吸气过热度。 当长度一定时，随着充灌量的增加，功率将提高；当充灌量确定后，功率随长 度的增长而有所减小，特别是在长度较大，且充灌量较小时，这种趋势更为明 显，这是因为此时压缩机的吸气过热度大、蒸发温度低引起制冷剂循环量较大 程度降低所致。 能效比是评价空调器性能的重要指标。它除了受环境工况、部件结构等因 素影响外，还受到毛细管长度和充灌量的影响。两者对能效比的影响与它们对 制冷量的影响具有相近的趋势。不同的长度，均存在一个最佳的充灌量，使得 能效比达到最大；当二者达到一种最佳组合时，能效比取得所有组合中的最大 值。能效比和制冷量取得最大值时的长度、充灌量组合不一定相同，故在确定 最佳组合时，必须选定优化匹配目标，根据其目标函数来取舍。 对应每一个毛细管长度，都会有一个制冷剂充灌量，使得制冷量或者能效 比达到最大值，但是两个最大值并不是在同一个制冷剂充灌量下得到的。所以 系统匹配时，是要选择制冷量优先还是能效比优先来进行最终确定。同时在不 同的毛细管长度下，制冷量和能效比的极值也都不一样，但是在不同毛细管长 度下，能效比的最大值一般变化不大，所以可以在保证能效比的区间内直接以 制冷量为目标进行优化匹配。 根据压缩机补气需要，系统需添加闪发器，因此本实验中样机的制冷剂充 灌量还受到闪发器的影响。以普通定速空调器的经验公式为基础【3 8 1 ，理论结合 实验，最终，制冷剂的充灌量公式确定成为蒸发器、冷凝器和闪发器三者容积 的函数。 m = 5 3 3 4 v , + 2 2 4 7 圪+ 口吩 ( 2 1 ) 式中膨一充灌量，k g ； 第2 币制冷剂充濯罩及毛细管的设计汁剪 圪蒸发器容积，m 3 ： 圪一冷凝器容积，m 3 ： 吁一闪发器容积，m 3 ； r 系数，由实验确定。 根据以上关系，确定出的制冷剂充灌量在3 6 3 9 k g 之间，最佳适合量通过 试验调整。 2 2 毛细管的确定 2 2 1 毛细管的特点 毛细管是最简单的一种节流装置，通常是一段等截面无缝紫铜管。当制冷 剂流经毛细管时，由于要克服摩擦阻力其自身压力不断下降，从而起到节流膨 胀的作用。如果其内径和长度一定且两端的压力差保持一定，则通过的液体流 量也一定，所以它也有流量控制的作用。目前，在小型不需要精确控制的氟利 昂制冷装置( 窗式空调器、家用冰箱、冷柜等) 中，毛细管被广泛用作节流装 置。 制冷剂在毛细管内流动时，一般认为其在同一截面上处于热力平衡状态， 当进入两相区内则看作为均相流，汽相和液相之间无滑移。这样，毛细管节流 可看作是典型的绝热膨胀过程。进入毛细管的过冷制冷剂可以分为两个变化阶 段，第一阶段为液体段，在该区域内，随着压力的降低液体的过冷度不断减小， 逐渐成为饱和液体。如果考虑亚稳态现象的话，可进一步细分为过冷液体区和 亚稳态液体区【4 引。第二阶段为气液两相区段，在气液两相流动中，随着压力的 降低，气液混合体的比容增大，流速亦迅速增大，故焓值不断减小。由于有流 动阻力存在，部分动能消耗于摩擦而转化为热量，而又被制冷剂吸收使其焓值 有所回升，同时这一阶段也不是等熵膨胀过程，制冷剂的熵值沿毛细管长度在 不断增大。因此毛细管内的气液两相流动是介于等焓与等熵之间的复杂膨胀过 程。这过