（热能工程专业论文）复叠式热泵系统的理论分析和实验研究.pdf

摘要 着眼于我国能源和环境所面临的巨大压力，适应节能装置热泵的高温化发展 趋势，提出采用复叠式热泵实现大温差制热并制取较高温度水平的热量。 首先课题从成熟的复叠式制冷制取低温的理论出发，提出了复叠式热泵制取 高温的方案。在理论分析的基础上，设计了实验工况一蒸发温度o 。c ，冷凝温度 8 0 。c ，系统最大压力控制在2 5 b a r 以下。根据设计的工况，选择最为常用的两种 工质r 2 2 和r 1 4 2 b 作为高低温级的循环工质，确定了实验台的规模并选择系统部 件，包括压缩机、热力膨胀阀、换热器等。 其次设计实验台并参与实验台的搭建与检测，在实验台合格以后充灌工质进 行复叠式热泵实验。由于高低温级的热量匹配出现问题，初次实验并不成功，改 进系统以后再次进行实验获得成功，达到制取7 0 。c 以上热水的目的。在改进实 验系统的过程中提出了一种有效的分步升温方案，大大体高了系统性能，成为课 题研究的一大亮点。在高温级工质为纯r 1 4 2 b 的基础上，逐步添加r 2 2 组成不同 比例成分的混合工质作为新的高温工质，在最大允许的压力范围以内进行实验， 对比各实验效能找到性能最佳的混合比例。 最后对系统的热经济性作了一定的分析，得出结论：系统达到制取7 0 。c 以 上热水的目的，分步升温可以取得较好的性能，而要进一步提高系统性能则应该 在系统形式设计和高性能工质筛选等方面深入研究。 关键词：高温热泵，复叠式热泵，蒸发冷凝器，循环性能，熟经济性 a b s t i 矾c t f r o mt h ev i e wo fe n e r g ya n de n v i r o n m e n tw h i c hi sf a c i n ge n o r m o u sc h a l l e n g e ， t os a t i s f yt h er e q u i r e m e n to fh i g h e rt e m p e r a t u r ef o rh e a tp u m p - - - as o r to fe n e r g y s a v i n ge q u i p m e n t t l l ec a s c a d eh e a tp u m pp r o j e c tw a sp u tf o r w a r di no r d e rt or e a l i z i n g h e a t i n gw i t hl a r g et e m p e r a t u r ed i f f e r e n c ea n dg e t t i n gh i g ht e m p e r a t u r ee n e r g y f i r s t l y , t h ec a s c a d eh e a tp u m pp r o j e c tw a sp u tf o r w a r db a s e do nt h et h e o r yo f m a t u r ec a s c a d er e f r i g e r a t i o nw h i c hm a k e sl o wt e m p e r a t u r e a f t e ra c a d e m i ca n a l y z i n g ， t h ee x p e r i m e n ts t a t u sw a sd e s i g n e d - - - e v a p o r a t o rt e m p e r a t u r ei s0 a n dc o n d e n s e r t e m p e r a t u r ei s8 0 n 地l a r g e s tp r e s s u r eo ft h ec a s c a d eh e a tp u m ps y s t e mi su n d e r 2 5 b a rw ec h o s et w os o r t so f f m n i l i a rr e f r i g e r a n t s r 2 2a n dr 1 4 2 b r 2 2w a si nl o w t e m p e r a t u r es t a g ea n dr 1 4 2 bw a s i nh i 曲t e m p e r a t u r es t a g e id e c i d e dt h ed i m e n s i o n o ft h ee a s e a d es y s t e ma n dc h o s es y s t e mp a r t s ，i n c l u d i n gc o m p r e s s o r , t h e r m o s t a t i c e x p a n s i o nv a l v e ，h e a te x c h a n g e ra n ds oo n s e c o n d l y , t h ee x p e r i m e n ts y s t e mw a sd e s i g n e d ，t h e nt h ee x p e r i m e n td e v i c ew a s b u i l ta n dt e s t e d e x p e r i m e n tw a sd o n ea f t e rt h ew o r k i n gf l u i d sw e r ef i l l e di n t ot h e e l i g i b l es y s t e m n l ef i r s te x p e r i m e n tw a sn o ts u c c e s s f u lb e c a u s et h et h e r m a lq u a n t i t y o ft h et w os t a g e sw a sn o ts u i t e d a f t e ri m p r o v i n gt h es y s t e mw eg o tt h eh o tw a t e r a b o v e7 0 t h e nt h ee x p e r i m e n ts b c c e e d e d a ne f f e c t i v em e t h o dw a sb r o u g h to u t w h i c hh e a tu pw a t e rb yt w os t e p s t h en e w w a ye n h a n c e ds y s t e mp e r f o r m a n c eg r e a t l y a n dt h i sw a sas p a r ko ft h et e x t a tt h eb e g i n n i n g ，t h eh i g ht e m p e r a t u r es t a g ew o r k i n g f l u i dw a sp u r er 1 4 2 bt h e nr 2 2w a sa p p e n d e di n t or 1 4 2 bg r a d u a l l y n l em i x t u r e s w e r et h en e wh i 吐t e m p e r a t u r ew o r k i n gf l u i d s t h e ne x p e r i m e n t sw e r e d o n eu n d e rt h e m a x i m a la l l o w a b l ep r e s s u r ea n dc o n t r a s t e dt h ee x p e r i m e n tr e s u l t st of i n d i n gn l eb e s t m i x e dp r o p o r t i o n f i n a l l y , t h et h e r m a le c o n o m yo ft h ec a s c a d eh e a tp u m ps y s t e mw a sa n a l y z e d t h e nc o n c l u s i o n sw e r eg o t ：t h es y s t e mc a nm a k eh o tw a t e ra b o v e7 0 c h e a t i n gu p w a t e rb yt w os t e p sc a ni m p r o v ep e r f o r m a n c eo ft h es y s t e m d e s i g n i n gn e ws y s t e m f o r ma n dc h o o s i n gh i g h - p o w e r e dw o r k i n gf l u i d sa r et h ea c c u r a t ew a y st ou p g r a d et h e c a p a b i l i t yo f c a s c a d e h e a tp u m ps y s t e m k e yw o r d s ：h i g ht e m p e r a t u r eh e a tp u m p ，e v a p o r a t i n g - c o n d e n s i n ge x c h a n g e r , c a s c a d eh e a tp u m p ， c y c l ep e r f o r m a n c e ，t h e r m 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，也不包含为获得墨鲞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了谢意。 学位论文作者签名：杨王忠签字日期： 工，f 年月f 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨壅盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丕鲞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：确玉志 导师签名 签字日期：2 卯r 年月z 日 签字日期：狮f 年，月占日 第一章绪论 1 1 课题的背景 第一章绪论 我国是世界上人口最多的国家，也是世界上能源生产和消费大国。据统计， 2 0 0 3 年我国煤炭产量达1 6 亿吨，石油产量达1 7 亿吨，可是由于巨大的消耗量， 去年我国的石油进口量也超过8 0 0 0 万吨，随着社会的发展我国能源状况不容乐 观【l 。2 。3 。伴随着能源的巨大消耗，由此产生的环境污染也日趋严重，环境污染 问题已经危及我国可持续性发展战略的实施，亟待解决。早在2 0 0 0 年，我国就 针对能源问题提出把降低能耗、提高能源利用率和减少环境污染作为新世纪能源 的发展战略。为了顺应节能发展的国策，国家在近些年加大了对节能项目的科研 投入，在众多的节能技术中热泵是其中重要的一项。 热泵是以消耗一部分高品位能( 如机械能、电能或高温位能等) 为代价，通 过热力循环，把相对较多的热量从低温物体转移到高温物体的能量利用装置。与 制冷相比其工作机理完全相同，区别只是制冷利用的是吸热端，而热泵利用的是 放热端。按工作原理不同，热泵的基本形式分为压缩式、喷射式、吸收式、吸附 式、热电式和化学热泵等【4 j ，其中压缩式热泵的应用最广，技术也最为成熟。 1 8 2 4 年卡诺的论文奠定了制冷和热泵理论的基础，而热泵作为一种节能装 置的应用最早可以追溯到上个世纪二十年代。在二十世纪上半页，热泵技术及其 应用的发展缓慢，但是在五、六十年代以后，热泵的应用获得了长足的进步，尤 其是在七十年代初期石油危机的出现更成为热泵发展的推动力，在供暖领域热泵 节能技术在世界范围内得到重视。从那时起热泵率先在欧美等发达国家普及，热 泵相关技术也日臻完善，并形成欧洲以发展大型热泵机组或热泵站为重点，美目 则以中小型热泵装置领先的格局。我国对热泵的研究始于五六十年代口】，1 9 6 5 年，天津大学与天漳市冷气机厂合作，研制成功国内第一台水冷式热泵空调机。 然而由于受到燃料价格、电力供应和人们认知程度不高等条件的限制，热泵技术 并没有在实际应用中得到普及。在改革开放以后尤其是近十几年，由于节约能源 和保护环境成为国家可持续发展的重要政策，热泵技术获得了重要的发展机遇， 各大学及其它研究机构加大了对热泵技术的研究投入，并在各地进行了试点工 第一章绪论 作，技术上已日趋成熟，到目前为止，热泵供暖已经成为较成功的领域之一【6 7 1 。 不论在我国还是在世界范围内，实际应用的热泵绝大多数都为压缩式的单级 热泵，供暖是热泵应用的重要目的之一，这是因为建筑采暖能耗占总能耗的比重 很大，建筑采暖节能自然地成为热泵最初研究的方向，事实也说明供暖现在和将 来仍然是热泵应用的市场之一，这一趋势在短期内也不会改变。热泵供暖大多采 用风机盘管的供暖终端形式，所需要的温度不高( 4 0 5 0 居多) ，单级热泵 完全可以满足并保持较好的供暖效率。然而普通单级热泵的供热温度不会太高 ( 般不超过6 0 ) ，很多情况下这种温度水平无法满足生产和生活需要i 如旧 式楼房暖气片的供暖方式就需要7 0 。c 以上的热水才能有效供热。因此随着热泵 的普及，普通热泵在高温领域的应用逐渐显示出了不足，研究开发适用的高温热 泵在世界范围内成为热泵研究的一项主流。 1 2 高温热泵 从单级热泵的循环工作原理来看，制约单级热泵向更大范围发展的原因有以 下几个方面： 一是工质问题。工质问题目前成为限制热泵工况的最大障碍，现在所 用的r 2 2 和r 1 4 3 a 等热泵工质在较低的温度下表现的物理性能良好，可是 在较高温度的情况下其物理性质变得很差，而且压力很高，超出了现有热 泵装置的安全工作条件。如果改用一些高温工质，其在常温下的物理性能 又难以满足，在大温差升温的情况下热泵的效率变得很低，失去热泵节能 的意义。在制取高温的研究中，混合工质成为研究人员研发的重点，希望 可以采用混合工质改善热泵循环条件，但到目前为止还是难以很好地解决 大温差升温效率低的问题。 二是压缩机问题。压缩机是热泵系统中唯一的运动件，在工作中始终 保持着高速的运转。无论何种形式的压缩机都存在如何有效解决高温润滑 的问题，以及在高温下保持较高的热泵效率问题，此外压缩机长期工作在 高温条件下，如何尽量延长压缩机的寿命也是需要解决的问题。 三是节流装置问题。节流装置是热泵系统中的重要部件，针对不同的 工质必须有相匹配的节流装置，否则不仅可能很难取得良好的节流效果， 还可能导致循环效率的大幅下降。由于以上种种原因的限制，使得单级热 2 第一章绪论 泵很难在任何温度领域都具有良好的工作性能。 国外及国内对高温热泵的研究成果表明。高温热泵已成为热泵研究的一项重 点【8 ，获得高温热泵的研究，理论上分为对压缩式热泵的研究及对其它形式热 泵的研究，如吸收式热泵等【1 0 】。压缩式热泵的研究方向主要可以分为两大类，一 是通过单级热泵改造，普通热泵由于自身条件的限制，达不到制取高温的目的， 只有改进热泵系统，诸如：选用高温工质、更换合适的润滑油以及对系统进行改 进等可以达到制取高温的目的。二是依据单级热泵系统原理建立其他形式的热泵 系统，如双级热泵系统1 2 1 等，基本方法都是通过将循环工质分步升温达到制 取高温的目的。 双级热泵系统如图所示： 高压级压缩机低压级压缩机 图1 1 双级热泵系统示意图 双级热泵借鉴的是双级制冷的基本原理，工质在系统中分两步完成压缩。在 这里，热泵与制冷的最大区别是所用工质不相同，双级制冷是为了制取低于普通 的低温，所用的工质是低温高压型的制冷剂。热泵则与此相反，是为了制取普通 热泵达不到的高温，所用的工质是高温低压型的制冷剂。 双级压缩热泵工质的循环工作过程如下： 低压级；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 压力进入中闻冷却器，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阎产生低温低压 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 第一章绪论 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，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。 通过以上的循环原理分析可以清楚地说明双级热泵通过分步升温工质制取 高温的过程。采用双级压缩热泵循环，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，增加了循环制热量。能 够解决单级压缩压比过大以致容积效率太低的问题，通过合理匹配两台压缩机， 使机组的压缩比得到改善，驱动压缩机所需的电量减少，从而有利于提高系统整 体的c o p 值。从已有的一些有关高温热泵研究的文献资料可以看出，各国学者 对高温热泵的研究逐渐加大了投入，并取得了一些成果。 1 3 课题的提出 从双级热泵借鉴双级制冷系统的经验，我们提出复叠式热泵的方案。 1 3 1 课题的理论来源 因为复叠式热泵借鉴的是复叠式制冷原理，所以在这里先把复叠式制冷原理 说明一下，复叠式制冷的基本原理如图所示： 图1 2 复叠式制冷系统示意图 4 0 第一章绪论 由于受到自身物理性质的限制，以r 2 2 ，r 7 1 7 等为制冷剂的制冷系统能达 到的最低蒸发温度有一定限度，比如r 7 1 7 ，在t 。= 一6 5 时，p 。= o 1 5 6 b a r ；r 2 2 在t 。= 一7 5 时， p 。= o 1 4 9 b a r ，在这种条件下即使勉强工作，外界的大气也会 极易渗入系统，破坏系统正常工作。而且在t 。= 一7 7 7 时，r 7 1 7 就会凝固，从 而根本无法工作，因此如果需要更低的温度，靠单级制冷将无法达到。复叠式制 冷方式的目的就是制取普通制冷系统所达不到的低温，如一6 0 一1 0 0 。c 。它 是先利用普通制冷达到中间温度作为低温级冷凝器的放热源，再在低温级利用 r 1 3 等低温制冷剂制取最终需要的低温。复叠式制冷系统是由两个或两个以上的 单级制冷系统相套组合而成，如图1 2 所示，复叠式制冷系统最大的一个特点 是有蒸发冷凝器，蒸发冷凝器既是高温级的蒸发器又是低温级的冷凝器，它不同 于一般的换热形式，间壁两侧流体均进行工质相变换热。 为了制取单级制冷达不到的低温而采用复叠式制冷，由此联想到单级热泵达 不到的高温就可以采用复叠式热泵来实现，因此我们以复叠式热泵作为高温热泵 的一种形式来加以研究。 1 3 2 课题的研究现状 复叠式热泵作为一种新技术目前只在国外有少量的报道f 1 3 】，而在国内的研究 还很不乐观，未见有关高温复叠式热泵的详细报告，所以对于复叠式热泵的研究 存在以下几个方面的问题： 1 、可借鉴资料匮乏 由于相关复叠式热泵的资料较少，所以只能参照复叠式制冷方面的一些数据 和资料1 4 1 5 1 6 1 7 1 8 1 9 。2 0 2 ”，复叠式制冷技术已经比较成熟，在生产生活中也 经常遇到实际应用的装置，然而与复叠式熟泵相比，两者的温度工况差距很大， 以常温为分界线，两者甚至处于完全相反的地位，两者的不同点主要有：如工质 问题，由于多年的以来的研究成果和应用实例，低温工质已经相当成熟普遍，也 早已不是什么科学秘密，而高温工质的研究还处于较初级的阶段，研究成果一方 面难以保证普遍的循环性能，另一方面也做为科研秘密不为大众所采用，总体来 说高温工质的研究还很不成熟，这是制约复叠式热泵高温级研究的一个障碍；再 如润滑油问题，除了考虑润滑油与工质的相容性之外，复叠式制冷更多考虑的是 润滑油低温凝固的问题，而复叠式热泵更多需要考虑的是润滑油的高温分解问 题；再有复叠式热泵由于处于较高温度的工作状态，系统寿命也是一项有待注意 第一章绪论 和改进的问题。总之复叠式制冷和复叠式热泵有相当大的差别，很多技术复叠式 热泵都无法借鉴。 2 、高温工质选择 复叠式热泵的高温级所使用的工质与普通单级热泵工质完全不同，它必须适 合高温循环的工况。上文提到，目前高温工质的研究比较广泛【2 2 捆执2 ”，然而 拥有较好性能的却并不多，一些具有良好性能的高温工质也作为一种科研机密而 不外露，所以对本系统来说高温工质也是在一定范围内研究和选择的内容。 3 、系统稳定性的问题 复叠式热泵的复杂程度要远远高于单级热泵，因此它在实际运行时要保持较 好的稳定性的难度也要高于单级热泵，系统寿命由于系统的复杂性也会受一些影 响，但具体情况还很不确定，这也将是复叠式热泵长期研究的一个内容。 1 - 3 _ 3 课题的研究目的 借鉴复叠式制冷系统的形式，设计一套复叠式热泵系统，考虑到初次研究， 一些实验参数不宜要求过高，因此设计要达到以下一些要求： 1 、系统运行安全可靠。 2 、冷凝温度在8 0 左右。 3 、蒸发温度1 0 以下，实现大温差升温。 4 、冷凝压力不高于2 5 b a r 。 1 3 4 课题的研究方法 1 、初步确定循环所用的工质，确定热泵的供热功率。 2 、根据工质的循环性能和供热功率选择热泵的系统部件。 3 、设计复叠式热泵系统，并搭建实验台。 4 、在现有的条件下，适当地更换实验条件，对比研究不同条件下的实验结 果。 5 、对复叠式热泵系统进行热经济性分析和探讨。 6 、得出结论，判断研究的实际应用价值。 第二章复叠式热泵的理论循环分析及实验台设计 第二章复叠式热泵的理论循环分析及实验台设计 21 复叠式热泵的理论循环 由于复叠式热泵工作原理依然是逆卡诺循环，因此有必要首先通过对系统 进行理论循环分析进而确定实验系统。 初步设想的复叠式理论循环与复叠式制冷非常相似，原理图如2 t 所示： 低温级压缩机 高温级压缩机 图2 1 复叠式热泵系统原理图 复叠式热泵理想状况下的工作原理为( a 、不考虑压缩机进口蒸汽过热和冷 凝器出口液态工质过冷的理想情况；b 、低温循环工质和高温循环工质为单一工 质，有温度滑移的非共沸混合工质暂不考虑) ： ( i ) 低温级循环：低温级工质在蒸发器中吸热，由低温低压的气液混合悉变成 同温同压下的气态，气态工质进入低温级压缩机，被压缩机压 缩成高温高压的气态，高温高压的气态工质进入蒸发冷凝器被 冷凝为高温高压下的液态，高温高压下的液态工质再经过节流 阀降压变成低温低压的气液混合态，然届进入蒸发器吸热，如 此完成低温级循环。 ( 2 ) 高温级循环：高温级工质在蒸发冷凝器中吸热，由低温低压的气液混合态 变成同温同压下的气态，气态高温工质进入高温级压缩机，被 变成同温同压下的气态，气态高温工质进入高温级压缩机，被 忑旧圜f1jr 剀 器王 一 燮，一 罗，一 氚 第二章复叠式热泵的理论循环分析及实验台设计 第二章复叠式热泵的理论循环分析及实验台设计 2 1 复叠式热泵的理论循环 由于复叠式热泵工作原理依然是逆卡诺循环，因此有必要首先通过对系统 进行理论循环分析进而确定实验系统。 初步设想的复叠式理论循环与复叠式制冷非常相似，原理图如2 1 所示： 低温级压缩机 高温级压缩机 图2 - - 1 复叠式热泵系统原理图 复叠式热泵理想状况下的工作原理为( a 、不考虑压缩机进口蒸汽过热和冷 凝器出口液态工质过冷的理想情况：b 、低温循环工质和高温循环工质为单一工 质，有温度滑移的非共沸混合工质暂不考虑) ： ( 1 ) 低温级循环：低温级工质在蒸发器中吸热，由低温低压的气液混合态变成 同温同压下的气态，气态工质进入低温级压缩机，被压缩机压 缩成高温高压的气态，高温高压的气态工质进入蒸发冷凝器被 冷凝为高温高压下的液态，高温高压下的液态工质再经过节流 阀降压变成低温低压的气液混合态，然后进入蒸发器吸热，如 此完成低温级循环。 ( 2 ) 高温级循环：高温级工质在蒸发冷凝器中吸热，由低温低压的气液混合态 变成同温同压下的气态，气态高温工质进入高温级压缩机，被 忑旧嘲丁|j 塑 第二章复叠式热泵的理论循环分析及实验台设计 压缩机压缩成高温高压的气态，气态高温工质进入冷凝器被冷 凝为同温同压下的饱和液态，饱和液态工质通过节流阀节流成 低温低压的气液混合态，然后进入蒸发冷凝器吸热，如此完成 高温级循环。 复叠式热泵循环的两级独立工作，分别按照逆卡诺循环进行，两级间通过 蒸发冷凝器换热，系统循环理想状态下的压焓图和温熵图如下图所示： p p h 图 弋 t - s 图 图2 2 复叠式热泵循环的h i 图和t s 图 从图中可以看到，复叠式热泵循环的高低温级独立运行，分别按照各自的 饱和液、饱和气线循环，并且可以发现高温级循环虽然温度水平高于低温级循 环，但是它的压力水平却不一定高于低温级循环，由于两级循环工质的不同， 甚至会出现高温级压力低于低温级压力的情况。 在复叠式热泵系统中，蒸发冷凝器是连接低温级与高温级的关键部件，它 的作用就是完成热量从低温级向高温级的传递。低温级循环工质向蒸发冷凝器 放热完成冷凝过程，对低温级来说，蒸发冷凝器就是冷凝器；高温级循环工质 从蒸发冷凝器吸热，吸收低温级的放热完成蒸发过程，所以对高温级来说，蒸 发冷凝器就是蒸发器，这也是它被称为蒸发冷凝器的原因。蒸发冷凝器采用的 换热器可以是普通的水冷式蒸发器或是冷凝器形式，但是两侧换热流体模型却 与普通的蒸发器或冷凝器不相同，蒸发器和冷凝器在换热时一侧是工质，另一 侧是载冷剂( 水或空气) ，工质为相变换热，载冷剂一般为自然对流换热或强制 对流换热，而蒸发冷凝器在换热时，两侧流体都是工质相变换热。相变换热保 持恒温，但是换热模型相比对流换热更为复杂。 第二章复叠式热泵的理论循环分析及实验台设计 蒸发冷凝器从换热的角度看有自身的特点，低温级循环要向高温级循环提 供热量，因此低温级的冷凝温度必须高于高温级的蒸发温度才能完成从低温级 向高温级的传热。而从系统性能角度来看，由逆卡诺循环知道热泵系统c o p 值与蒸发温度及冷凝温度的关系为： c o p = 去 ( 其中：t c 为冷凝温度，t e 为蒸发温度。) 可以看到，蒸发温度越高，冷凝温度越低，则系统的c o p 值越高。在复叠式热 泵系统中，低温级的冷凝温度越低( 蒸发温度一定) ，低温级循环的c o p 值越 高；与此相对，高温级的蒸发温度越高( 冷凝温度一定) ，对系统性能的提高越 有利。这样就对蒸发冷凝器提出了要求，低温工质侧冷凝温度要尽量低，高温 工质侧蒸发温度要尽量高，但是传热温差要求低温工质的冷凝温度必须高于蒸 发器的蒸发温度，这样就限制了低温级的冷凝温度向较低温度发展和高温级的 蒸发温度向较高温度发展的有利趋势。为了解决上述矛盾，只能要求蒸发冷凝 器内的传热温差尽量小，才能使系统朝着有利提高性能的方向发展，所以蒸发 冷凝器应采用换热性能良好的换热器。 2 2 复叠式热泵系统循环的理论计算 作为复叠式热泵系统的低温级，它的工况与普通空调工况相似，因此可以 选择空调制冷剂作为低温级循环工质。高温级选用适应于活塞式压缩机的工质， 诸如r 1 2 3 等低单位容积制冷量的制冷剂不适用在本小型系统中。根据工质使 用的经验，初步选定工质r 2 2 ( a ) 作为低温级循环工质，工质r 1 4 2 b ( b ) 作 为高温级循环工质。 系统工况初步定为： 低温级循环、工质r 2 2 ：蒸发温度0 。c ，冷凝温度5 0 。 高温级循环、工质r 1 4 2 b ：蒸发温度4 5 ，冷凝温度8 0 。 2 2 1 高低温级工质流量比例的确定 因为系统由高低温两级组成，需要完成由低温级向高温级的传热过程，两 级之间存在热量匹配问题，并不是孤立运行的。在工况确定的情况下，与热量 密切相关的是工质流量，因此高低温级流量必须正确配合才能保证系统缝体正 常运行。以理想状态循环的工况分析，压缩机进口工质为饱和气态，冷凝器出 9 第二章复叠式热泵的理论循环分析及实验台设计 口处液态工质有5 的过冷度。 系统循环的p _ h 图如下图2 3 所示。 低温级循环：1 2 3 4 一l ； 高温级循环：5 6 7 8 5 。 q a 放- m a ( h 2 一h 3 ) ，为低温级工质a 的放热量； q b 日= m b ( h 5 - - h 8 ) ，为高温级工质b 的吸热量。 其中m a 和m b 分别代表工质a 和工质b 的质量流量。 要使低温级与高温级匹配就要使q a * = q bm ， 即m a ( 1 1 2 一h 3 ) = m b ( h 5 - - h s ) 所以v i a ：m b = ( h s 1 1 8 ) ：( h 2 一h 3 ) p p - h 图 图2 3 复叠式热泵循环的p h 图 查工质r 2 2 和工质r 1 4 2 b 的物性表并通过计算，可以得到图2 3 中各 点的状态参数值，查表和计算的过程简述为： ( 以低温级工质r 2 2 循环为例) l 点为饱和气状态，各参数值可以直接从 表中得到；由l 点的状态值和等熵压缩过程得到2 点的各参数值；3 点的参数 值可以由5 c 的过冷度和压力得到；4 点的参数值可以由压力和等焓节流过程得 到。 同理，可以得到高温级工质r 1 4 2 b 的各点参数。 通过计算得到：m a ：m b = 0 7 9 3 说明低温级工质r 2 2 的循环流量是高温级工质r 1 4 2 b 循环流量的0 7 9 3 ， l o 第二章复叠式热泵的理论循环分析及实验台设计 因而可以从宏观角度知道高温级规模比低温级要大，这也符合系统的热量平衡 关系，即低温级冷凝热量等于高温级蒸发热量，而高温级蒸发热量必然小于高 温级冷凝热量，因此若同比较冷凝器的热量，高温级的冷凝热量高于低温级的 冷凝热量。 2 2 2 系统规模的确定 为了保证实验系统的普遍性与准确性，系统规模不宜设置过大或过小，因 此根据实际情况，设定低温级热泵循环的放热量为q a n = 4 k w ，根据复叠式热 泵系统要保证蒸发冷凝器中的换热平衡，即q n n = q b * ，则高温级的吸热量也 为q b = 4 k w 。 m a = q a 敛( h 2 一h 3 ) = 0 0 2 1 8 k g s = 2 1 8 9 s m b = m a o 7 9 3 = 0 0 2 7 5k e s = 2 7 5 e d s 2 3 实验台设计 实验台的设计建立在热泵循环热力计算的基础之上，包括管路的连接，压 缩机的选型，热交换器的设计与选择，节流机构的选择等方面，由于复叠式热 泵的复杂程度要远高于单级热泵，所以在设计时必须经过周密详细的分析和论 证才能付诸实践。 除了必备的四个主要备件( 压缩机、冷凝器、节流机构、蒸发器) ，系统管 路上还应添加以下辅助部件： 1 ) 了保证系统的稳定运行还在系统中增加了储液器，防止系统工质过 多引起冷凝压力过高现象的发生，而且增加储液器可以保证系统的工质 充灌量有一个较大的变化区间。 2 ) 为了更清楚地掌握工质的流动情况以便更好地指导调节系统，在高低 温级各加上一个液示镜。 3 )为了压缩机的安全运行，在管路上增加了电磁阀，它与压缩机同步运 行。压缩机运行时电磁阀是处于开的状态，工质可以顺利流过；压缩机停 机时，电磁阀立刻关闭，处于闭锁的状态。 4 ) 在管路上设置干燥过滤器，防止工质中夹带有水分及杂质而出现故障。 由于这套复叠式热泵系统规模比较小，所以在这套系统中不设置油分离器 和汽液分离器，这样做不会对系统产生伤害，还可以在一定程度上减少系统的 第二章复叠式热泵的理论循环分析及实验台设计 复杂程度。 此外，根据常规设计经验与实际要求，连接各部件的管路选择铜管，管径 根据压缩机吸气管路设计要求一般保证流速在4 毗6m s ，由此最后确定管 径，分别选择中8 和中1 0 的铜管。 增加以上的部件以后，复叠式热泵系统的完整结构如图2 4 所示( 具体的 管径不在图中表示) ： 低温级压缩机 高温级压缩机 图2 4 复叠式热泵系统结构图 除了工质循环系统本身以外，复叠式热泵系统还包括温度测试系统、压力 测试系统和水路测量系统，具体形式和测量参数在后文中详述。 2 4 系统部件的设计选择 2 4 1 压缩机的选型 常规制冷和热泵系统进行压缩机选型时，通常是根据制冷量( 制热量) 、蒸 发温度和冷凝温度等通过查表或通过压缩机性能曲线来确定。但是在此复叠式 热泵实验系统中，对于工质r 2 2 有成型的压缩机，而对工质r 1 4 2 b 目前还没有 相匹配的压缩机，压缩机的选型只能根据循环的工质流量配以压缩机的吸排气 量来选择【2 6 j 。 ( 1 ) 低温级压缩机的选择： 选择d a n f o s s 公司生产的m a n e u r o p 活塞式压缩机。根据低温级的工作条件， 1 2 第二章复叠式热泵的理论循环分析及实验台设计 蒸发温度o * c ，冷凝温度5 0 ，查压缩机的性能数据表，可以找到m t l 8 型压缩 机在蒸发温度o * c ，冷凝温度5 0 。c 时的性能参数为： 输入功率：1 2 5 k w 制冷量：2 9 3 k w 由此可以得到制热量为：1 2 5 + 2 9 3 = 4 1 8 k w 这与设计低温级循环放热量4 k w 最为接近，因此低温级压缩机初步选定为 m t l 8 型，再查压缩机规格表，确定压缩机的具体形式为m t l 8 j a 4 a v e 。 ( 2 ) 高温级压缩机的选择： 高温级压缩机也选用d a n f o s s 公司生产的m a n e u r o p 活塞式压缩机。由于没 有现成适合工质r 1 4 2 b 的压缩机，压缩机的选型可以采用以下两种方法： 其一，根据压缩机的吸排气量来确定。 压缩机的理论排气量为 = v g n z l 6 0 = 盍d 2 册( 2 - i ) = 三巩 ( 2 - 2 ) 珞= 叩，( 2 3 ) 对于容积式压缩系统而言，其容积效率等于四个系数的乘积，即 7 7 y = 丑五。 ( 2 4 ) 式中d ：气缸直径，m ；s ：活塞行程，m ； z ：气缸的个数；l q ：转数，r m i n ：气缸的工作容积； ：活塞式压机的理论排气量： ：活塞式压机的实际排气量； 仉：容积效率；丑为余隙系数 五为预热系数；五为气密系数。 压缩机整机制冷量为： q o = 仉圪吼 以为节流系数 ( 2 5 ) 第二章复叠式热泵的理论循环分析及实验台设计 式中g 。是工质的单位容积制冷量，其中v h 为理论排量。 从公式( 2 1 ) 、( 2 2 ) 中可以得到，活塞排气量只与压缩机的转数和气 缸的结构尺寸、数目有关，它是一个不变的量，与采用何种工质都没有关系， 但活塞式压缩机实际上工作过程比较复杂，有很多因素影响压缩机的实际排气 量k 。式( 2 3 ) 考虑了气缸的余隙容积、进排气阀阻力、吸气过程中气体被 加热的程度以及漏气等四个方面。这四方面的乘积为压缩机的容积效率，它的 具体计算参考文献【2 7 1 。由此可知，在设计中要采用活塞式压机的实际排气量来 选择压缩机。 其二，在生产厂家没有提供压缩机的理论排气量的时候，如果按照制冷量 来选取，要按照标准容积制冷量来选择。 整机制冷量如式( 2 5 ) 所示 定义标准容积制冷量为 g = 仇g ， ( 2 6 ) 将容积效率作一级近似，则约为 刁。= 0 9 一c ( e f i 1 ) ( c = o 0 3 o 0 8 5 )( 2 - 7 ) 其中只为循环压比，k 为多变指数( 1 0 5 1 1 5 ) ； 从标准容积制冷量的近似定义式( 2 - 6 ) 来看，容积效率主要是考虑了压比 不同引起的容积效率的不同，进而导致标准容积制冷量的不匹配。以r 1 3 4 a 替 代r 1 2 为例说明这条原则的必要性。从r 1 3 4 a 的理论单位容积制冷量与r 1 2 相 当接近，只是略小一些，所以单纯从容积制冷量分析r 1 3 4 a 是可以作为r 1 2 的替 代物来使用，但在实际应用中r 1 3 4 a 的标准容积制冷量远低于r 1 2 ，原因就是 r 1 3 4 a 的压比较高，致使压缩机的容积效率下降很多，因此在按照制冷量来选取 压缩机的时候，要使用标准容积制冷量。 在本系统中，高温级循环蒸发温度4 5 。c ，冷凝温度8 0 c ，压比为2 3 2 。由 以上压缩机选型的方法，可以得到高温级选定的压缩机为m t 2 2 j c 4 a v e ，额定制 冷量：5 3 6 3 k w ，额定输入功率：1 8 9 k w 。 2 4 2 热交换器的选型 这套复叠式热泵系统中共有三个换热器，分别为低温级的蒸发器，高温级 的冷凝器和连接高低温级的蒸发冷凝器。 第二章复叠式热泵的理论循环分析及实验台设计 利用实验室已有一个不锈钢套管式换热器作为高温级的冷凝器，换热面积 为0 9 m 2 。此外还向s w e p 公司订购了两台板式换热器，其中一台型号为c b 2 6 1 2 ，换热面积为o ，3 m 2 ，作为低温级的蒸发器。另一台型号为c b 2 6 - - 4 4 ，换 热面积为1 1 7m 2 ，作为蒸发冷凝器。 换热器热量校核： 1 、蒸发器 蒸发器设计吸热量为q = 3 k w 。 根据所选换热器，可以计算蒸发器的换热能力为： q 抉= k f t 其中k 由s w e p 公司提供，为1 3 2 8 w m 2 k ，a t 取1 0 。c 。 q 女= 1 3 2 8 0 t 3 1 0 = 3 9 8 4 w = 3 。9 8 4 k w ， 计算结果比需要换热量高3 0 ，考虑到板式换热器在使用的过程中会有结 垢的问题，一旦出现结垢，换热系数将有所下降。此外在实际运行时低温压缩 机的进口工质要有一定的过热度，也需要将换热面积比设计值取得稍微大些， 因此可以认为蒸发器的选择基本符合换热的需要。 2 、蒸发冷凝器 蒸发冷凝器设计的吸热量为qn = 4 k w 。 蒸发冷凝器的两侧为工质相变换热，同样根据q * = k f t 可以算得蒸 发冷凝器的实际换热能力。 k 值由s w e p 公司提供，为8 8 6 w m 2 k ； t 如前文所述，尽量取小以利于提高系统的c o p 值，综合考虑t 取5 q = 8 8 6 1 1 7 5 = 5 1 8 3 w = 5 1 8 3 k w ，比设计需热量多3 0 ，与蒸发器有同样的 选大因素，不再赘述。 3 、冷凝器 冷凝器设计的吸热量为q = 5 5 k w 。 根据所选换热器，可以计算蒸发器的换热能力为： q # = k f t 其中k 值经过理论计算得到，为6 2 6w m 2 k ( 光管无垢的条件) ， 换热温差t 取最不利的情况为1 56 c ( 考虑到调整冷凝器进水温度不同 的情况) ， q 按= 6 2 6 0 9 1 5 = 8 4 5 1 w = 8 4 5 l k w ，比设计需要的热量5 5 k w 多5 3 ， 虽然有些偏大但有利于大范围调节，是适应本复叠式热泵系统的。 第二章复叠式热泵的理论循环分析及实验台设计 2 4 3 节流装置的选型 节流机构是系统中的重要部件，在功能上它有以下几个作用： 1 、节流降压当高温高压的工质液体流过节流装置后，就变为低温低 压的工质( 液态或汽液混合态) ，这些低温低压的工质进入蒸发器蒸发吸 热，从而实现热泵循环。 2 、控制流量节流装置通过调节节流通道口的大小就可以控制热泵工 质的流量，使其与蒸发器的热负荷相匹配。 3 、控制过热度节流阀通过紧贴在蒸发器出口处温包的反馈作用，具 有控制蒸发器出口工质过热度的功能，可以有效防止压缩机冲缸事故的 发生。 节流装置最常用的有三种形式，毛细管【2 8 1 、热力膨胀阀、电子膨胀阀f 2 9 】。 其中毛细管主要用在小型制冷或熟泵装置中，而电子膨胀阀由于其先进的节流 控制主要用在大型制冷或热泵装置中，最为常用的还是热力膨胀阀。 现有的热力膨胀阀只适用于有限的几种制冷剂，如r 1 2 、r 2 2 、r 1 3 4 a 、 r 4 0 7 c 、r 4 0 4 、r 5 0 2 等。对于低温级工质r 2 2 来说有现成相匹配的热力膨胀 阀，可以直接选用，选取的型号为d e1 2 f w3 5 。对于高温级工质r i 4 2 b 来 说，却没有现成的热力膨胀阀可选，因此就不能直接选用商品化的热力膨胀阀， 只能以针型阀代替。 针型阀也叫手动调节膨胀阀，其构造与普通截止阀相似，只是阀芯为针型 锥体或具有v 型缺口的锥体，当旋转手轮时，可使阀门从完全闭合状态逐渐开 启，实现无级增减，可以保证良好的调节性。但是针型阀不会根据工况的变化 而自动调节，只能根据蒸发器热负荷的情况由工作人员自行调节。 2 4 4 其它附属设备 1 ) 干燥过滤器当工质中含有水分时，在节流装置孔处由于降温的原因， 水在工质中的溶解度会急剧下降，有可能会析出部分水份，造成结冰堵塞。在 本复叠式热泵系统中，只有低温级节流后温度可能低于o ，所以原则上只要 低温级加干燥器，考虑到系统不正常工作的意外情况，而且干燥器的价格不高， 决定在两级都加干燥器，型号为c g 一0 8 3 - - s 。 2 ) 电磁阀选用p a r k e r 公司的，常闭型，平时电磁阎为闭合状态，随压 缩机运转，压缩机起动时电磁阀打开，低温级型号为：v e l l 5 l2 2 0 - - 2 3 0 5 0 h z ， 高温级型号为：v e l 4 5 r2 2 0 2 3 0 5 0 h z 。 第二章复叠式热泵的理论循环分析及实验台设计 3 ) 储液器根据系统的大小，高低温级均选用m t 3 2 h j 型。 压缩机是整套系统的易损件，为了保护压缩机还需要加上一些保护措施。 首先是高低压保护，当压缩机的排气压力达到高低压保护器