（热能工程专业论文）双级压缩复叠式热泵系统的理论和实验研究.pdf

摘要 针对我国建筑采暖和空调使用的现状，提出采用双级压缩复叠式热泵系统实现 能源的梯级利用。 双级压缩复叠式热泵系统的最突出特点就是中冷器。本文对中冷器的结构、换 热分析、与普通双级压缩热泵系统的异同点三方面进行了理论分析。找到了适合能 源梯级利用的中冷器的结构形式。 双级压缩复叠式热泵系统的设计难点是高低压级工质流量的分配问题。本文从 冷却水系统形式和中间温度的确定入手，找到了高低压级工质流量分配的关系。并 对热泵实验台进行了设计，搭建和实验。 由于这种系统形式是种新型的系统形式，相关的资料很少，结果在实验运行 中发现，最初的实验台的设计存在很多问题。通过对这些问题的分析，找到一些相 应的解决办法，重新对热泵实验台进行了搭建。 新的实验台性能提高了很多，基本上达到了最初的设计目的。本文对新的实验 台进行了五种方案的实验，并对实验数据进行了分析，曲线拟和，直观的表明了这 种系统的运行特性。 本文就双级压缩复叠式热泵系统在可行性、可靠性、经济性、可调节性和可操 作性、安全性几个问题上进行了阐述。分析了这种系统的技术优点与存在的问题。 关键词：双级压缩复叠式热泵中冷器高低压级工质流量的分配循环性能 技术经济 a b s t r a c t a c c o r d i n gt o t h ep r e s e n tu s i n gs i t u a t i o no fb u i l d i n g sh e a t i n ga n da i rc o n d i t i o n ， t c c h ( s h o r t e df o rt w o s t a g ec o m p r e s s i o na n d c a s c a d eh e a tp u m p ) i su s e dt os o l v et h e p r o b l e m o f t h es t e pu t i l i z a t i o no f t h ee n e r g y t h em o s ti m p o r t a n tp a r to ft h es y s t e mo ft c c h i si n t e r c o o l e r t h i sp a p e ra n a l y s e s t 1 1 r e e a s p e c t sa b o u ti n t e r c o o l e r , w h i c ha r et h e s t r u c t u r eo fi n t e r c o o l e r , h e a te x c h a n g ei n i n t e r c o o l e r , a n dt h es i m i l a r i t i e sa n d d i f f e r e n c e sb e t w e e nt c c ha n dt h ec o m m o nt w o 。s t a g e h e a tp u m p a tl a s t ，t h em o r es u i t a b l es t r u c t u r eo f i n t e r c o o l e rt ot h es t e pu t i l i z a t i o no ft h e e n e r g y i sd e s i g n e d t h ed i f f i c u l t yo ft h ed e s i g no ft c c hi st h ea s s i g no fr e f r i g e r a t i o nb e t w e e nt h eh i g h p r e s s u r es y s t e ma n dt h el o w o n e f r o mc o o l i n gw a t e rs t y l ea n dt h em i d d l et e m p e r a t u r e d e t e r m i n a t i o no ft h e s y s t e m ，t h ea s s i g n e d r e l a t i o nb e t w e e nt h e h i 曲一p r e s s u r e a n d l o w p r e s s u r es y s t e m i sc o n c l u d e d a n dt h e nt c c he x p e r i m e n ts y s t e mi s d e s i g n e d ， e s t a b l i s h e da n dt e s t e d b e c a u s eo ft h en e w t y p es y s t e ma n da b s e n c eo fd a t u m ，s o m eo fq u e s t i o n s i nt h e d e s i g n i n go fs y s t e mw e r ef o u n d f r o me x p e r i m e n t s h a v i n gb e e na n a l y z e dt h e s eq u e s t i o n s ， t h ea n s w e r sa r ef o u n da n dan e w e x p e r i m e n ts y s t e m i sr e c o n s t r u c t e d t h ep e r f o r m a n c eo ft h en e ws y s t e mi si m p r o v e do b v i o u s l ya n dr e a c h e st ot h eb a s i c r e q u i r e m e n t s a c c o r d i n gt ot h ef i v ek i n do fe x p e r i m e n t a lp l a n sb a s e do i l t h et c c h ，t h i s p a p e ra n a l y z e s t h e e x p e r i m e n t d a t u ma n dd r a w sr e l e v a n t c l l r v e s ，w h i c hd i r e c t l y d e m o n s t r a t et h eo p e r a t i n gc h a r a c t e r t h i sp a p e ra l s od i s c u s s e st h ef e a s i b i l i t ya n d r e l i a b i l i t y ，e c o n o m y ，a d j u s t m e n t ，o p e r a t i o n ， a n d s e c u r i t yo f t h es y s t e m ，a n d f n r t h e ra n a l y z e st h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so f t h i s t e c h n o l o g y k e y w o r d s ：t c c h ，i n t e r c o o l e r , t h ea s s i g no f r e f r i g e r a t i o nb e t w e e nh i 曲p r e s s u r es y s t e m a n dl o w o n e ，c y c l ep e r f o r m a n c e ，t e c h n i c a le c o n o m y 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和取得的研究 成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含为获得墨壅盘鲎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 明并表示了谢意。 学位论文作者签名：半童私签字蹶枷弓年2 月矽日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。特 授权盘望盘鲎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，并采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关 部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 半宝职 导师签名 签字日期： 伽吗年2 月驾日 签字日期：年月日 塑二兰丝笙 一 第一章绪论 1 1 课题的提出 随着我国建筑业的飞速发展，建筑能耗占总能耗的比重越来越大， 已经达到2 7 。其中约有5 5 为采暖能耗，是建筑能耗的最主要部分， 也是浪费最为严重和节能潜力最大的部分。鉴于此，选用推广最优化 的采暖方式、对系统运行进行有效地管理、执行合理的相关政策等来 降低采暖能耗，对建筑节能目标的实现至为关键【1 】。 我国目前的采暖方式有很多种，其中热泵是近年来受到人们重视的 一项节能环保装置。如果用锅炉蒸汽采暖，其热效率仅为7 0 左右。 采用电热，则还要考虑设备装置的效率。引用热泵装置，则无论从低 品位的热源吸收的热量，还是压缩机所消耗的能量，都转化为有用的 热量，因此，采暖装置的效率大大提高【2 】。近几年来，随着能源价 格的调整，热泵越来越受到人们的欢迎。 热泵通常可以采用下列热源：1 ) 地下水：2 ) 河水或湖水等地表 水：3 ) 土壤热；4 ) 外界空气；5 ) 太阳辐射热；6 ) 废热。其中太阳 能、地表水和外界空气受季节的影响较大，在冬季取暖时做为热源会 受到限制。地下水和土壤热则较为稳定。在地下1 0 m 深处的地下水， 一年温度平均约为1 0 ，变化很小。鉴于地下水资源丰富，质量又好， 而且抽水所需的并深有限，因此，可以认为，地下水是温度特别适合 于热泵供热运转需要的热源；对于土壤热，根据有关研究，地表以下 3 4 m 土壤的温度已相当稳定而且热容量大，所以土壤也是很好的 热源。地下水和土壤热正是地源热泵赖以生存的物质基础。 目前比较普及的地源热泵系统中，在冬季供暖时，由于受热源温度 的限制，热泵出水温度一般在5 0 。c 左右，所采用的供暖终端设备大多 为风机盘管。若采用散热器做为末端设备时，由于供水温度比较低， 散热器的片数要比供回水温度9 5 7 0 时多一倍，这样，散热器在房 间的占地面积大，而且不美观。再考虑到现有住房面积的紧张问题， 大多数在热泵采暖中应用风机盘管。但由于散热器价格便宜，经久耐 第一章绪论 用，一直是我国早期的建筑采暖末端设备。直到最近几年，采暖终端 设备才开始采用风机盘管或地板辐射等。针对这一情况，我们想如果 能够通过改变热泵的系统形式，使热泵在较低的热源温度情况下，能 够提供中高温的热水( 8 0 左右) ，就可以缓解散热器片数多的问题， 再加上我国在采暖设计中一直都存在散热器的片数大于实际所需的片 数的现象，这样在旧楼扩建过程中，采用热泵机组时，就不必担心散 热器末端供热量不够的问题。同时，新楼采用风机盘管做末端时，又 可以使用散热器换完热量后的回水约6 0 左右的热水做热源，这样热 泵机组的供热量会大大减少，同时还兼顾末端采用散热器和风机盘管 的大楼，实现了能源的梯级利用，节约了能源。 要实现这个目标，对热泵的两点要求：1 ) 热泵的冷凝温度不能低 于7 5 。对于现在比较普及的单级热泵，只能够提供大约5 0 左右的 热水，而且它还受到水源温度的限制。当水源温度下降时，压力比增 大，系统的性能迅速下降。即使水源温度不变，若要提高冷凝温度， 压力比同样增加，压缩机的输气系数降低，造成实际压缩过程偏离等 熵过程的程度增大，使循环的制热量下降，功率消耗增加，c o p 值下 降，经济性降低。因此，单级热泵已经不能满足要求。2 ) 对冷却水 要有大范围的加热温差。要把经过风机盘管或地板辐射换热后的3 0 左右的热水加热到7 5 ，这么大的加热温差，如果单靠冷凝器或过冷器 来承担，不可逆损失必然加大，热泵效率必然下降。 对此，本文提出了采用双级压缩复叠式热泵循环系统【3 】。它可以 将冷水逐级加热，达到供水温度8 0 左右，实现综合解决问题的目的。 其原理图如图1 1 所示。这种系统 是由低压级循环和高压级循环通过 中冷器连接在一起的。中冷器不只 是工质与工质的换热，又加入了冷 却水的换热。在中冷器中，利用低 压级制冷剂的冷凝温度，把水加热 到中间温度，然后再在高压级冷凝 器中利用高压级制冷剂的冷凝温度 图1 1 双级压缩复叠式热泵系统原理图 把水加热到7 5 左右。在冷却水系统中，当中冷器中冷却水量与冷凝 2 第一章绪论 器中冷却水量不一致时，开启水路2 来补充。 双级压缩复叠热泵工质的循环工作过程如下： 低压线：蒸发器产生的低温低压蒸汽，被低压级压缩机吸入并压 缩到中间压力进入中间冷却器，在其中被液态制冷剂和 水冷却到与中间压力相对应的过冷液态，从中冷器出来 后经过节流阀产生低温低压的气液混和液进入蒸发器循 环。 高压级：冷凝器产生的高压过冷液，经过高压级的节流阀节流成 气液混和液，之后进入中间冷却器，节流后的液体在中 间冷却器内蒸发，冷却低压压缩机的排气和高压制冷剂 液体，节流后产生的部分蒸汽和因蒸发而产生的蒸汽一 同进入高压压缩机，经高压压缩机压缩到冷凝压力后排 入冷凝器。 双级压缩复叠式热泵循环的压焓图和温熵图如图卜2 所示。图中： 图1 - 2 双级压缩复叠式热泵系统压焓图和温熵图 卜2 为低压级压缩过程，耗功n 。 。 2 7 为制冷剂蒸汽在中间压力p 。下的等压冷却冷凝过程。 7 8 为制冷剂经低压级节流阀由p 至p 。的节流过程，点8 是向蒸 发器供液的状态。 8 1 为制冷剂蒸汽在蒸发器内的吸热过程，从低温热源( 这里指 水) 获取冷量q o 。 3 4 为高压级压缩过程，耗功n 眦。 4 5 为制冷剂蒸汽在冷凝压力p t 下的等压冷却冷凝过程，向供热 水放热。 第一章绪论 5 - 6 为制冷剂液体经高压级节流阀由p * 至p 。的节流过程，并向中 间冷却器供液。 1 2 双级压缩复叠式热泵系统特点 采用双级压缩复叠式热泵循环，能够避免或减少单级蒸汽压缩热 泵循环中由于压力比过大所引起的一系列不利因素，从而改善压缩机 的工作条件。 ( 1 ) 采用双级压缩复叠式热泵循环，可使每一级的压力比降低，减 少活塞式压缩机的余隙容积影响，减少工质蒸汽与气缸壁之间的 热交换，减少工质在压缩过程中的内部泄漏损失等，提高压缩机 的输气系数，提高实际输气量，在其他条件不变的情况下，增加 循环制热量。 ( 2 ) 每级的压力比降低，可以提高压缩机的指示效率，减少实际压 缩过程中的不可逆损失。在有中间冷却的双级压缩复叠式循环 中，可节省循环耗功；降低每一级的排气温度，保证热泵系统 的高效安全运行。 ( 3 ) 降低了每一级的压力比，同样也降低了每级压缩机的压力差， 使得热泵运行的平衡性增高，机械摩擦损失减少。在设计时， 可简化热泵结构，降低生产成本。 ( 4 ) 用双级压缩复叠式热泵循环，可提高热泵循环中的节流效应， 减少节流损失，提高热泵效率。 ( 5 ) 双级压缩复叠式热泵循环可提高系统的c o p 值。通过合理匹配 两台压缩机，使机组的压缩比改善了，驱动压缩机所需的电量 减少了，从而提高了c o p 值。 ( 6 ) 由于工质经过低压级压缩后，首先进入中冷器中，当冷却到中 间压力对应的饱和温度后才进入高压级压缩机，降低了高压级 压缩机的功率，有利于节能。 ( 7 ) 由于使用两级压缩可以提高高压级压缩机的排气压力和冷凝器 压力，所以比起用单级压缩机来，可以获得更高的热水温度。 ( 8 ) 由于本系统的冷却水加热温差大，因此可以同时供应生活用热 水。可以节省由于电热水器或燃气热水器所消耗的能量。 4 第一章绪论 ( 9 ) 由于在中冷器中可以加入冷却水，虽然增加了一次换热，降低 了能源的利用率，但一方面可以人为控制中间温度，增加了实 验的可调性：另一方面使冷却水的温升分布在中冷器和冷凝器 中，降低了二者的外部不可逆损失，实现了大温差的温升。 1 3 课题研究的现状 对于双级压缩复叠式热泵系统，在国内还没有发现有关这方面的 报道，国外却早已有人研究。19 9 6 年h a s e g a w ae ta 1 介绍了垂直壳 管式中冷器结构有利于提高系统的c o p 值【3 】。但对于其他方面的报 道也没有发现。目前，对于双级压缩复叠式热泵系统，现在还存在以 下问题： 1 实验数据匮乏 目前只查到日本有这方面的实验数据【3 】，而其他人都在一直沿 用日本的实验数据。 2 对这种系统仅进行了纯工质的研究 混合工质在这种系统中的变化情况还无人问津。而在目前看来， 在高温领域，混合工质是被普便认可的【4 ，5 ，6 ，7 ，8 ，9 ，1 0 ，1 1 ， 1 2 】。因此，还有必要对应用混合工质的这种系统做进一步的研究。 3 外界负荷的变化对系统的影响还无人研究 正是这一点是影响热泵实际运行的关键因素，它也关系到热泵能 否运行在最佳工况以及热泵在设计时如何做到节能等问题。因此，对 它的研究是必要的。 4 缺乏对工程实际的指导性 众所周知，我们所有研究的最终目的，就是要把它推向实际应用。 即提出对工程设计，运行，参数合理选择等必要的数据。而这一点恰 恰是所有的文献所忽略的。 1 4 课题研究计划 针对双级压缩复叠式热泵的研究现状，本课题拟针对以下几点进行 详细的研究。 第一章绪论 1 对中冷器的设计优化 中冷器是连接高压级循环和低压级循环的重要结构部件。它是 两级流量的交汇点，如何更好地使流体换热，如何控制工质的状态 点等问题，都是中冷器在系统设计、优化时所要解决的问题。本文 通过对充灌混合工质的系统进行实验，进而分析中冷器的传热面 积、工质的变化对换热性能的影响，及其与系统的匹配性。 2 研究系统适应外界负荷变化的方法、方式 通过实验和建立模型相结合的方法，找到外界水的流量、温度 的变化对系统影响的方面，进而找到在相应的工况下，系统的最佳 运行方式。 3 找出指导实际应用的方法和数据 通过进行经济分析及工程应用优化选择，找出适应工程应用的 必备数据。 第二章中冷器 第二章中冷器 中冷器是双级压缩复叠式循环的重要组成部分，也是这种循环的 一大特点。中冷器需要起到2 个基本作用：( 1 ) 用从低压级压缩机出 来的制冷剂把水预热到中间温度( 大约3 0 到4 0 ) ；( 2 ) 把气态制 冷剂和冷凝后的液态制冷剂进行气液分离一一气态制冷剂送入高压级 压缩机，而液态制冷剂送入低压级过冷器。 2 1 中冷器的结构 实验台采用的中冷器结构如图2 1 所示，在两个椭圆形的压力容器 之间用两根较细的管路1 ，2 连接起来，压力容器四周的四根管路3 ，4 ， 5 ，6 分别与低压级压缩机的排气口、高压级节流、高压级压缩机的吸 气口、去低压级节流的管路连接。管路7 为水管路，它与冷凝器的冷 却水管路连通。整个中冷器外部采用橡塑保温。在管路1 中，有一筛 状金属圆片，当低压级压缩机排气进入中冷器后，这部分气体与水管 路进行换热，会有一部分工质冷凝下来，夹杂 在气体中，当气体通过筛状金属网格时，液体 与金属撞击顺着管壁流下来，只有气体可以直 接进入另一个空腔，使气液更好的分离，防止 湿压缩；此外，这部分还有一个压力的测口， 为的是更好地监测中冷器两个空腔中的压力 变化情况。中冷器两个空腔的底部可以作为储 液器，自动调节系统中工质的平衡。 2 2 中冷器中的换热分析 7 3 4 图2 - 1 中冷器结构示意图 中冷器中高、低压级工质的压力一致，但由于冷却水的加入，高 低压级工质流量不同，低压级工质的流量大于高压级工质的流量。由 于中冷器中是工质与工质直接混合换热，可以认为处于中间温度工质 的气体与液体没有进行热交换，而是进行了工质与工质的交换，即进 第二章中冷器 入中冷器的高压节流的液体直接进入了低压级节流部分，低压排气进 入中冷器后的质量流量分为两部分，一部分被水吸收热量变为饱和气 体进入高压级压缩机，另一部分与水换热成为饱和液体，与高压级工 质经过高压级节流后进入中冷器中的液体一起经过低压级节流后进入 蒸发器。 2 3 对中冷器结构的分析 2 3 1 从p - h 图分析中冷器的结构 从上述分析可以看出，中冷器中的换热主要是低压级压缩机排气与 水管路的换热，它的换热相当于在低压级压缩机的排气管路上增加了 过冷器，因此，不会增加中冷器中的不可逆损失。与此同时，中冷器 中的冷却水吸收了进入中冷器的过热气体的热量，降低了进入高压级 压缩机气体的过热度，使得高压级压缩机的排气温度不会过高，同时， 还预热了进入冷凝器的冷却水温度，降低了冷凝器中工质与冷却水的 外部不可逆损失，提高了冷凝器的换热效率。 p p 图2 2 图2 4 h p p 图2 3 h 图2 5 h 中冷器中的换热主要是低压级压缩机排气与水管路的换热，同时是 第二章中冷器 高低压级工质质量交换的地方。因此，变化传热面积可以得到不同的 l g p h 图。仅以图2 2 、2 3 、2 - 4 、2 - 5 为例说明，l g p - h 图的主要不同 在于冷凝器和中冷器中工质过冷状态的不同。为了模型分析简单，充 分利用冷凝器中的热量，冷凝器中工质应该过冷到中间温度。这样， 经过高压节流进入中冷器的工质处于饱和液体，其中不会有气体，可 以避免气体随液体一起进入低压节流，增大管路阻力。同时，也使得 中冷器中的气体容易控制，即只有低压排气进中冷器和中冷器去高压 级压缩机处于气体状态。这样的系统才符合上面所述的中冷器中的换 热结果。因此，图2 3 、2 - 4 不在考虑之列。 下面仅分析图2 2 、2 5 。这两幅图的区别在于中冷器中的工质是否 需要过冷，这就需要从系统的用途来考虑，是用于供应热水，还是如 本文绪论中所述，加热回水。很明显，供应热水时，加热的是十几度 的自来水，利用中冷器工质的这点过热，可以给水预热。针对这种工 况，中冷器中冷却水管壁要一直延伸到两个腔的底部。让冷水先经过 去低压节流的一侧，虽然底部是过冷液，但温度要比刚加进去的自来 水温度高，这样既加热了冷水，同时可以获得较高的过冷度，防止去 高压压缩机的气体温度过高。这样得到的l g p h 图如图2 5 所示。在 本文所述的系统中，是用来加热回水( 不得低于3 0 ) 的，没有必要 对中冷器中的工质过冷。那么，中冷器中冷却水管壁只要在两个腔的 中部就可以了，这样的l g p h 图如图2 2 所示。 2 3 2 中冷器的结构中的有益过热 从图2 - 1 所示的中冷器结构图中可以看到，低压级压缩机排出的高 温高压的气体，由直径为1 6 m m 的铜管输送到中冷器中，空间体积突 然增大，工质的流速突然降低，根据 向+ 霎：c( 2 - 1 ) 1 一 可知，温度必然升高。该附加过热度为有益过热。因为它的温度升高， 提高了工质与冷却水之间的换热温差，加强了换热。 2 3 3 中冷器结构对系统工质自平衡的影响 中冷器中由于冷却水的加入，冷却水的流量和温度都会对系统工 质造成一定的影响。究竟冷却水负荷的波动能不能对系统造成危害， 第二章中冷器 我们从中冷器中工质随冷却水负荷的变化而变化这方面来探讨一下。 当低压级压缩机排气进入中冷器中，没有能够被水完全冷却时，更 多的气体会进入高压级压缩机，造成高压级循环中工质增多，但随着 工质进入冷凝器冷却为过冷液体，经过节流阀进入中冷器，高压级循 环中增加的那部分工质又成为液体重新进入低压级循环，完成一个自 平衡过程；当低压级压缩机排气进入中冷器，如果较多的工质的热量 被水吸收时，中冷器中冷凝下来的液体增多，进入高压级循环的气体 工质减少，但进入蒸发器的工质增多，蒸发压力会降低，蒸发器出口 气体比容减大，压缩机吸入的工质增多，排气进入中冷器的工质的质 量流量增大。这样，工质又达到一个新的自平衡的过程。由此可见， 中冷器中的工质受到冷却水的影响时，系统不会造成太大的波动，它 处于一种自动平衡的环境中。 2 4 双级压缩复叠式热泵系统的中冷器与双级压缩制冷系统 的中冷器的换热的相同点与不同点 二者换热形式的不同主要集中在中冷器上。我们以双级压缩一次节 流、完全中间冷却的制冷循环为例来说明kl3 】。流程图如图2 - 6 所示。 冷却 ( a ) 7 彩胀阀2 ( b ) 图2 - 6 一次节流、完全中间冷却的双级压缩制冷 a ) 工作流程b ) 理论循环 s 质量流量为m a t k g s 的制冷剂在蒸发器中吸热，制取冷量q 0k w 以 后，以状态l 进入低压级压缩机，被绝热压缩到状态2 ，通至中间冷却 器a 在中间冷却器内，状态2 的过热蒸气被来自膨胀阀的l 的液态制 冷剂( 严格说是干度比较小的湿蒸气) 冷却至饱和状态3 ，然后再进入 第二章中冷器 高压级压缩机，被绝热压缩至冷凝压力。 进入高压级压缩机的制冷剂质量流量m 。，包括两部分，一部分是来 自低压级压缩机( 也就是来自蒸发器) 的制冷剂m 叭，另一部分则是来 自膨胀阀l 的制冷剂，其质量流量为m 。这样高压级压缩机的质量流 量m 。将为两部分流量之和。与本章中冷器中的换热一章对照，这一点 恰好与双级压缩复叠式热泵循环相反。双级压缩复叠式热泵循环低压 级压缩机的制冷剂质量流量最大。 状态5 的制冷剂分两路，一路流量为m 。经膨胀节流阀节流至状 态6 ，进入中间冷却器；另一路流量为m 。通过中问冷却器的盘管， 被再冷却至状态7 ，然后经膨胀阀2 节流至状态8 ，进入蒸发器制冷。 由此可以看到双级压缩系统中的中冷器高、低压级循环中的制冷剂没 有直接混和，中冷器中也没有冷却水。这是两者的中冷器结构的不同 出现的物质换热的不同，相应的中冷器中的热平衡方程式也不同。双 级压缩制冷中存在的热平衡方程式为 m 。l 协2 一h 3 ) + m r l u 一) = m r 2 ( h 3 一h 6j ( 2 2 ) 从式( 2 2 ) 可以看出，状态点的焓值都是已知的，如果低压级循环中的 工质流量确定，高压级循环的工质流量也就随之确定。而对于双级压 缩复叠式热泵循环的中冷器中的热平衡方程式，结合图2 2 可以得到 m 月l 协2 一h 5 ) = m r 2 【h 3 一h 7 ) + q 。，( 2 - 3 ) 从式( 2 3 ) 可以看到由于冷却水的加入，在状态点已知的情况下，不确 定量变成3 个，只有已知其中两个才能确定另外一个。这点与双级压 缩制冷也是不一样的。即双级压缩复叠式热泵系统比双级压缩制冷系 统更加复杂，可变因素更多。 相同点：都是在中冷器中进行不同状态的制冷剂之间的热交换。 对于双级压缩制冷系统，在中冷器中进行的热量交换分别为，一是使 来自低压级压缩机的排气完全冷却至饱和状态，二是使膨胀阀2 前的 液态制冷剂由状态5 再冷至状态7 。对于双级压缩复叠式热泵系统，在 中冷器中进行的热量交换分别为，一是使来自低压级压缩机的排气完 全冷却至饱和状态，二是使高压级循环的工质冷却至饱和状态，三是 第二章中冷器 使冷却水吸收一定的热量。二和三的作用相同，均是吸收低压级循环 制冷剂的放热量，假如中冷器中没有加入冷却水，中冷器就是一个闪 蒸器，就成为一个普通的双级压缩制冷系统中的中冷器。因此，从中 冷器的作用上来说，两种系统中的中冷器都是相同的，对换热过程来 讲一既是低压级循环的冷凝器又是高压级循环的蒸发器。 2 5 对中冷器冷却水流量的研究 双级压缩复叠式热泵系统是一种新型的热泵系统，由于中冷器中 加入水，冷却水的流量和温度就直接影响到高、低压级工质的流量和 中间温度的确定，不确定因素就会增加，因此对冷却水系统的研究是 研究此系统的第一步。 根据图l 一1 可以知道，中冷器中的冷却水和冷凝器中的冷却水流 量可以一致，也可以不一致。如果二者不一致，假设中冷器中的冷却 水流量大于冷凝器中的冷却水流量，很显然，加热到中间温度的冷却 水只有一部分的水可以被加热到更高的温度，这与我们设计初衷背道 而驰；如果中冷器中的冷却水流量小于冷凝器中的冷却水流量，鉴于 文章开始提出的能源梯级利用模型，冷凝器比中冷器中多出来的这一 部分冷却水可以由供热末端的散热器回水提供。针对这两种情况，我 们建立理论模型，进行仿真，以确定哪种冷却水系统形式更加节能。 2 5 1 模型的建立 由于高低压级循环的工质分配受中冷器中的冷却水的流量和温度 限制，因此，在建立模型的时候，没有具体考虑二者的配比，而是选 择了几个有代表性的比例来验证。 本模型根据工质的热力性质，利用中冷器中冷却水的换热量和高压 级循环中蒸发器的吸热量之和与低压级循环中冷凝器的放热量相等的 原理，以c o p 值最高为优化目标来建立模型。其中工质为一混合工质， 其热力性质计算根据p r 方程，编写相应的程序 对于此系统冷凝器不再承担全部供热负荷，因此，对于c o p 值的 计算时应该注意供热量应该为中冷器和冷凝器中冷却水吸热量之和。 第二章中冷器 2 5 1 1p r 状态方程为【14 】 状态方程的选取，主要基于通用性和精度量方面的考虑。本文采用 p r 方程做为计算工具。 p r 方程是p e n g r o b i n s o n 在1 9 7 6 年提出的一个新的二常数方程， 也可看作是r k 方程的一种改进方程。形式为： p ：旦一 竺盟 ( 2 4 ) v b v ( v + 6 ) + b ( v 一6 ) 式中 a ( t ) = d ( 疋) 口( 互，) ( 2 - 5 ) b ( t ) = 6 ( 瓦) ( 2 - 6 ) a ( 瓦) = 0 4 5 7 2 4 r2 嘭p o ( 2 - 7 ) 6 ( 疋) = o ，0 7 7 8 0 r t p c 口o5 = 1 + k ( 1 一t o 5 1 k = o 3 7 4 6 5 + 1 5 4 2 2 6 0 9 一o 2 6 9 9 2 0 ) 2 t = t 疋 混合规则为 对于二元混合工质，a ，b 由下式计算 口= x 。x j 口 b = x ，b 口p = ( 1 一k 0 ) 口。口， 肛赤莩- c 南+ 南， ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 一1 2 ) ( 2 1 4 ) ( 2 15 ) 第二章中冷器 p r 方程是一个既适用于气相也能应用于液相的状态方程，计算气 相容积的准确度与r k s 方程相当，而液相及临界区的准确度高于r k s 方程。 余函数方程及焓、熵的计算 余自由能方程： ! r 二一与2 4 2 b n 揣2 414ba a 0一m 叫 + vv + v nlr9 1r 、 = 一口，i j 。：一r t l n 堂+ 乓1 n v - 0 4 1 4 b r 1 n 三 v 2 4 2 b v + 2 4 1 4 6v s 2 s o j 。 旷”0 k 打圳n 专出 余焓方程和焓计算式 h ，= , t t l ，+ t s ，+ ( r t p v ) h ，= h o h h = h o 1 = h o + o e p o d t ( 21 7 ) ( 2 一1 8 ) 式中：v 。一与实际气体同温同压下理想气体状态的比容，v 。= 下r t ； h o 和s 。一与实际气体同温同压下理想气体状态的比焓和比熵 第二章中冷器 po 和t 一基准状态的压力和温度 鳏和s ：一基准状态下的比焓和比熵； c 。一理想气体比热，= a + 6 丁+ c r 2 + 刀3 2 5 1 2 工况说明： 由于本文是从理论上针对几种不同的工质，计算高低压循环的工 质流量。为了计算公平起见，本文采用特定的工况，蒸发温度10 ， 冷凝温度8 0 ，高压级压缩机吸气处不设过热度，高压级冷凝过冷温 度等于中间温度，低压级压缩机吸气不设过热度，中冷器将工质冷凝 到中间温度，即不设过冷度。中间温度从2 5 6 5 之间变化。中冷 器冷却水进口温度3 0 ，冷凝器中冷却水的出口温度7 5 。这样在实 验中可以通过调节水的流量和进出口温差，而达到设计工况，这样就 如同分别为不同的工质设定了相应适合的系统，对于不同工质之间的 比较是比较公平的。 2 5 1 3 模型根据以下假设建立： 忽略蒸发器、冷凝器中的压降，认为蒸发器进口为闪蒸状态， 出口有定的过热度。冷凝器与水充分换热，即不考虑冷凝 器的换热效率。 忽略中冷器中的压降，认为工质与水充分换热。 假设膨胀阀前后流量不变，焓值不变。 忽略压缩机的缸壁与外部空气的热交换，认为压缩前后熵值 不变。 中冷器中压力一致，工质与工质直接换热，因此冷却水吸收 的热量为低压级工质冷凝放热与高压级工质蒸发吸收的热 量之差。 假设中间温度为工质的蒸发冷凝温度。 忽略管路的散热损失 2 5 1 4 数学模型 蒸发器中工质换热量 ) ) ) ) ) ) ) 1 2 3 4 5 6 7 兰三兰! 竺墨一 o o = m 。( 厅2 一h 1 ) 冷凝器中换热量 鳞= g 。( 岛。一h 1 1 ) = g w 。c ( f 。，c “。t w a t e r , c ) 中冷器中换热量 q 。= m d ( 向5 一h 6 ) = m g ( 矗7 一向1 2 ) + q 。n ， 中冷器中水的换热量 q 。，= r n w a t e rc ( t 。o u t 。一f 嚣。，) 假设中冷器中冷却水流量与冷凝器中冷却水流量相同时 量 在( 2 一l9 ) ( 2 - 2 3 ) 式中，下标e 标示 蒸发器：c 表示冷凝器：m 表示中冷器； w a t e r 表示冷却水侧：g 表示高压级循环； d 表示低压级循环。q 表示热量；g 表示 质量流量；h 表示焓：w 表示压缩机耗功。 上标o h t 表示出口，i n 表示进口。 2 5 2 程序流程图 根据式( 2 1 6 ) ( 2 - 2 0 ) 编写程序， 程序流程图如图2 7 所示。本程序中状态 点的选择与图1 1 中一致。且忽略管路的散 热损失。d e w p x 为计算露点压力的子程序， ( 2 一1 9 ) ( 2 - 2 0 ) ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) 冷却水的流 ( 2 2 3 ) 图2 7 程序流程 b u b b l e p y 为计算泡点压力的子程序，g e t 一2 为已知该点压力和熵值， 采用二分法计算该点的温度和焓值的子程序。曲线中的k 是为了对中 间温度无量纲化，使中间温度对某一确定的工质，具有普遍的意义。 其中 第二章中冷器 尼= o m 。“) 2 5 3 分析与结论 ( 2 2 4 ) 通过对十几种不同工质，变化高低压工质的流量比例的模拟，发 现曲线变化形式均相同。下面仅以其中一种为例，加以说明。随着k 的增大，系统的c o p 值是减少的，这是由于：方面，在图2 9 中可以 看到，随着k 的增大，高压级热泵系统的c o p = 彰( w g 高压级压缩机 做功) 值逐渐增大，低压级热泵系统的c o p = g 形( w 。，高压级压缩机 做功) 值逐渐减少，只有在0 5 8 处二者相等。两个的交错变化直接影 响系统总的c o p 值；另一方面，热泵系统的c o p 值可以表示为 。口：竺王巫! 鱼! 二鱼! ! 望! ! 竺 1 脚t 质( 坞一嚏+ 瞳一h 3 ) ( 2 2 5 ) 图2 - 8 系统总c o p 随k 的变化曲线图2 - 9 高低压级循环c o p 随k 的变化曲线 _ _ - _ _ 其中有一部分为中冷器中冷却水的换热 量。随着k 值增大，中冷器中冷却水流量 越来越小，即水的换热量越来越小，因此， 系统的c o p 值会越来越小。图2 一l o 中的 三条曲线分别为中冷器( 线) 、冷凝器( 线) 中的冷却水流量。中冷器和冷凝器中 冷却水流量为一定值( 直线) 。从中可以 看出：1 ) k 在小于0 5 8 处，中冷器中水的图2 - 1 0 水流量随k 的变化 第二章中冷器 流量大于冷凝器中水的流量，如前所述，这段区域是不可取的。2 ) k 在大于0 ，5 8 处，冷凝器中的水流量大于中冷器中的水流量，这时需要 打开水路二，调整冷凝器中的水流量。3 ) k 在0 5 8 处，三条线交汇于 一点，说明这时中冷器和冷凝器中的冷却水流量一致。结合图2 8 和 图2 10 的分析可知，这一点也是系统c o p 值最高的点。 综上所述，双级压缩复叠式热泵冷却水形式最优的选择是中冷器 和冷凝器中冷却水的流量一致。而在上述的计算过程中也可以看出， 在二者冷却水流量一致时，可以找到k 值。由k 的计算式就可以计算 出中间温度，从而确定中间温度。这是采用计算机模拟计算来确定中 间温度的方法。 2 6 双级压缩复叠式热泵系统的额应用 由双级压缩复叠式热泵的冷凝器和中冷器中的冷却水流量一致得 到如下结论：夏季，就可以只启动低压级压缩机，用中冷器来代替冷 凝器，整个系统作为单级热泵来用，节约电能，同时可以实现制冷， 这样扩大了系统的应用范围。 2 7 本章小结 本文介绍了双级压缩复叠式热泵系统中的重要组成部分一一中冷 器的结构。分析了中冷器中的换热以及这种结构对换热的影响。同时 指出中冷器的结构有利于系统中工质的自平衡。为了更确切的说明双 级压缩复叠式热泵系统中的中冷器，与双级压缩热泵系统的中冷器进 行的对比，指出了它们的相同点和不同点。针对这种特殊的热泵系统， 建立数学模型，分析了中冷器和冷凝器中冷却水的连接形式。得出结 论：中冷器中的冷却水要和冷凝器中的冷却水的流量保持一致。恰恰 是这一点，使得双级压缩复叠式热泵在夏季也可以继续工作。 整三童壅鉴坌塑塞圣一 第三章实验台的建立 3 1 双级压缩复叠式热泵系统实验台的设计 双级压缩复叠式热泵具有热泵系统的共性，如压缩机、冷凝器、 蒸发器、热力膨胀阀的选择设计与单级压缩热泵系统相同，这是大家 已经熟知的，本章不再赘述；本节主要针对该系统的特性，进行有关 的探讨。 3 1 1 中间压力的确定 对中间压力，人们已经进行了很多的研究。对理想气体或近似计 算，可以采用只= 4 p o p , 计算得到【1 5 】。对于系统工质，按照做功最 小原理，得到的最佳压力为【1 6 】 型 p = ( 1 + 彳) 2 州。( p p c ) 2 ( 3 1 ) 另外，还有采用计算机模拟的方法，考虑工质的热物性和系统循 环中的过热、过冷、输气系数、不可逆压缩等几方面来确定中间压力 【17 】。对于本文的中间压力的确定，可以按照第二章中的程序来计算， 在中冷器和冷凝器中冷却水的流量达到一致时，系统的c o p 值达到最 大，此时的中间温度就是最佳的中间温度。但是，在设计中采用这种 方法，不便于推广，这里介绍另一种方法。 对于一个实际工程来说，供热负荷、冷源水进口温度、出口温度， 热源水进口温度、出口温度，蒸发温度、冷凝温度都是已知的。根据 第二章的分析，可以知道双级压缩复叠式热泵的冷却水系统应保持中 冷器和冷凝器中冷却水流量相同。那么由公式( 3 - 2 ) 可以计算出冷却 水的流量。 9 。，= m 。，c ( f 蹦，一f ：，)( 3 2 ) 由中冷器和冷凝器中冷却水的总换热量与供热负荷相同，根据公 式如( 3 - 3 ) 可知，式中只有一个未知变量一一中冷器中冷源水的出口 第三章实验台的建立 温度f 渤w ，解方程就可以得出中冷器中冷却水的出口温度。 ! 三。，= m 。，c t ：捻“m r f 恐，。，) + m 。，。c i t o u t 。一t w a t e r “) ( 3 3 ) 那么中间温度就可以设定比中冷器中冷却水出口温度高3 5 。 这种方法简单，容易理解，只是计算精度比前者差，但在设备选型的 时候，因为数据有一定的放大，这点误差是在允许范围之内的。 本实验台通过如上计算得到中问温度为4 5 。 3 1 2 高低压循环工质流量的确定 该系统设计的难点在于高低压循环工质流。 量的确定。对于常规的双级压缩式热泵系统， 当确定低压级工质流量后，根据中冷器中的能 量平衡方程可以得到高压级工质的流量。但是， 在此系统中，中冷器中加入了冷却水，而且高 低压级工质直接混合，未知变量增加，高低压 级工质的流量分配就变得很复杂。下面就详细 分析高低压循环工质的流量分配问题。 图3 1p h 图 通过对系统分析可以得到中冷器中的能量平衡方程式 q m = m d ( h 2 一h 7 ) = m 。( 葛1 一h 5 ) + q 。， ( 3 4 ) 式中，q 。为中冷器中的换热量，k j s ；m d 为低压级循环中工质的 质量流量，k g s ；m 。为高压级循环中工质的质量流量，k g s ；q 。，为 中冷器中冷却水的换热量，k j s 。 根据上一节的分析，可以分别确定冷却水流量，中间温度，中冷 器和冷凝器中的换热量。由双级压缩复叠式热泵系统自身的特点可以 知道，从中冷器中流出进入高压级压缩机的工质处于中间温度下的饱 和状态，状态点3 就可以确定。状态点4 在l g p h 图上根据等熵线也 就可以确定。状态点5 也随之确定。再根据式( 2 18 ) ，就可以确定高 压级循环中的工质流量和低压级循环中的冷凝散热量。在低压级循环 中，根据蒸发温度就可以确定状态点1 ，再根据等熵线也可以确定出状 态点2 。状态点7 与状态点5 的焓值是相同的。在蒸发器中的换热量确 h 第三章实验台的建立 定后，就可以得到低压级循环中工质的流量。 根据以上分析，本实验台的设计参数为：蒸发温度1 0 ，冷凝温 度8 0 * c 。冷却水流量m 。，为3 0 5 l h ，中冷器中的冷却水的换热量为 q 。，为24 8 k w ，高压级循环中工质的流量为o 0 5 8 3 k g s ，低压级循环 中工质的流量为0 0 6 2 4 k g s 。冷凝器制热量1 2 k w ，蒸发器的制冷量为 9 k w 。 在实验台的实