（热能工程专业论文）双级压缩空气源热泵热水器稳态仿真研究.pdf

硕士学位论文 摘要 空气源热泵热水器以空气为热源，利用少量电能通过制冷剂的热力循环将空 气中的低温热提升为高温热，最终制得生活所需热水，具有高效节能、安全环保、 便于控制等优点。但是普通单级压缩空气源热泵热水器由于在环境温度较低时制 热效果不理想而限制了它的推广使用。 本文所研究的双级压缩空气源热泵热水器，就是针对普通单级压缩空气源热 泵热水器的低温不适应性而提出的一种热泵系统。文中对系统各重要部件：低压 级压缩机、高压级压缩机、冷凝器、热力膨胀阀、蒸发器依次建立数学模型，然 后建立系统稳态仿真模型，并与实验结果相比较以验证模拟结果的准确性，最后 通过仿真结果模拟系统运行参数对系统性能的影响，主要研究内容如下： ( 1 ) 文中结合查表和软件l s 嗍针对r 1 3 4 a 在制冷系统中的应用拟合出 了制冷剂在三个相区的状态方程，结果经验证比较理想。 ( 2 ) 建立了双级压缩空气源热泵系统主要部件的数学模型，并编制相应的 计算机程序，之后将各个部件模型进行有机结合建立了完整的系统模型。 ( 3 ) 阐述了双级压缩空气源热泵系统的工作原理和构成，并将实验结果与 仿真结果进行比较以验证仿真结果的准确性，其中主要通过高低压级压缩机的排 气温度、压缩机输入功率及c o p 等反应系统特性的参数变化来比较，结果证明 系统仿真模型比较理想。 ( 4 ) 通过对双级压缩空气源热泵系统在不同工况下系统性能的研究，分析 讨论该试验在低温工况下的运行性能，模拟了系统主要运行参数对系统系统性能 的影响。 关键词空气源热泵双级压缩稳态仿真数学模型运行参数 a b s t r a c t a b s t r a c t a * s o l l l c eh e a tp l m l ph e a t e rt a ：k 锶a i r 觞h e a ts o l 增w i t l ll 硼ee l e c t r i cp o w e r i t 的l l s f 0 姗sm el o wt 鲫p 咖鹏h e a tt oi l i 曲t e l i l p 咖eh e a tb y 吐l er e 衔g e 姗tc y c l e a n dt h ce n dp r o d u mi st h ch o tw a t e rf 0 rl i f c r - s 伽eh e a tp u m ph e a t e ri sh i 曲1 y e f f i d 铷呜s a f e 觚de a s yt 0c o n t r 0 1 b u to n c - s t a g ec o m p r 懿s i o na 诳s o u r c eh e a tp 眦l p h e a t e rc a l l l l o tb ew i d e l yl l s e db e c 跚s eo f 瓶i i l a d 印t a b i i 毋t ol o wt e m p e r a 彻l e 朗v i “) i n 锄t 1 1 ) 旧s t a g cc o m p r e s s i o na i r - s o u r c eh e a tp 咖叩h e a t e rw 弱p u tf 0 例砌t 0s o l v e n l ep r o b l e mo fm e1 0 w 蛔n p e r a t u 】陀i l l a d a p t 曲i l i t yo fn o n n a la i r s o u r c eh 钮tp 硼叩 h e a t e lt h ei r r l p o r t a n tp a n so ft l l es y s t i e ma r es i m u l 曲e d ，i i l c l u d i n gl o wp r e s s u r e c o m p r e s s o r ，h i 曲p r e s s u r cc o m p r e s s o r c o n d e i l s m 锄o s t a t i ce x p 锄s i o n 词v e 觚d “印o r a t 0 la 矗e r w a r d s ，s y s t 锄s 妇u l a t i o nm o d e li se s t a b l i s h e d 粕dn l er c g l l l t s o f e x p 鲥m ta mc o n l p a r e dw i mr 懿u l t so fs i m u l a t i o nt 0v 耐矽t 1 1 ea c c u r a c yo fm e s i 舢1 a t i o nr e s u l t s e v 翩t u a l l xt l l ec 印a b i l i 够o ft l l es y s t e mi ss 逾l u l a t e du n d e rn l e w o l 乜1 培p a r a m e t e f s t h em a i nr c s e a rc _ hc 0 毗翎陋a r e 嬲f o l l o w s ： ( 1 ) t h cp 1 1 y s i c a lp a r 锄e t e r so fr c 缸妙锄a r em o l v c dd 哪j n gm ep r o c e 鹳o f s i m l l la ：c i o n a c c o r d i n gt o 心r c 衔黟a n to fr l3 4 a 证t h r p h 嬲er c 百o n s w i m p a r 锄e t e rt a b l ea n ds o 胁a r cls t o p t ，a l ea c c u r a c y o fm er e s u l t sa r ep r o v e d ( 2 ) t 1 1 ei i i l p o r t 砌p a r t so ft l l e 觚o - s t a g cc o m i ，r e s s i o na i r s o u r c eh e a tp u i n ph e a t e r s y s t 锄a r es i m u l a t e da n dt l l ec 0 仃i 咧p o n d i n gc o m p u t e rp r o g 舢a r ec o r n p i l e d t h c i l ， m ew i l o l es y s t e ms i m u l a t i o nm o d e li sa s s e r n b l e dw i me v e r ) ，s i n 西ep a r t ( 3 ) 1 1 l i sp a p e ri l l u s 缸a t 骼廿1 eo p e r a t i o n a lp r i n c i p l ea n dm e 觑i l l l e w r o r ko ft h e 铆o s t a g ec o m p r e s s i o na 诳s o u 鹏eh e a tp 咖叩h e a t 觚dt l l er e s u l t so fe x p 甜m 铋t a r e c o m p a i r e dw i t l lt l l er c s u l t so fs i n m l a t i o nt ov e r i 母m ea c c u r a c yo fm es i m u l a t i o n r e s u l t s t h es y s t e mc h a r a c t e f i s t i c sa r em a i j l l yi n f l u e l l c c db ye ) 【l l a u s tt 伽 1 p 黜咖r e ， i n p u tp o w e ro fc o m p r e s s o r sa l l dc o p o ft l l es y s t 锄，a n di ti sp r 0 v c dm a tm em o d e l s a r cr e l a t i v e l yr c a s o n a b l e ( 4 ) n eo p e r a t i o n a lp 啪m e t e r s a r em ei m p o r t a n ts t a l l d 矾t 0c v a l u a t em es y s t e i i l p 柏咖a i l c e t l l es y s t 锄p 晌肌a 1 1 c eo f t h ee x p c r i m e n tw o r k c da tl o wt 锄p e r a t u r e i s 锄a l y z e d 明dt l l ee 腩c to fo p c r a t i o 枷p a r 锄e t e f so ns y s t 锄p e 墒姗a l l c ei s s i m u l a t e dw i 廿1t 1 1 ea i r s o u r c es y s t 锄w o f k e di nd i 侬r e n tc o n d i t i o n i i 硕士学位论文 k e y w o l m s胁s o l l r c eh e a th 啦p ；t 1 7 m - s t a g ec 伽1 p r 鼯s i o n ； s t c a d y - s t a t e s i i i l u l a t i o n ；m a l l lm o d e l ；o p e r a t i o n a lp 踟e t 盯 i i i 圭兰笪量查 一 - _ _ _ _ _ 一一 主要符号表 变量 p 一一一压力( p a ) y 比体积( m 3 k 曲 比焓( k j l 【g ) p 密度( 蚓m 3 ) 动力粘度( p a s ) x 一一一干度 国一一一流速( m s ) 嗄当量直径( m ) g 单位面积质量流量( k g ( m 2 s ) ) 下标 s a t 饱和状态 ，一一一液体 s h 过热区 m 中间冷却器 c 冷凝器 h 高压级 趴l c 一一一入口 准则数 瓦一l o c k h a n m 枷n e l l i 系数 r e 雷诺数 f 摄氏温度( ) q 定压比热( j ( k g ) ) s 比熵( 1 【j ( k g k ) ) a 导热系数( w ( m k ) ) m 质量流率( k s ) r 一一一开氏温度( k ) 口换热系数( w ( m 2 k ) ) d 一一一管径( m ) ，7 电效率 g 一一一气体 s c 一过冷区 t p 一两相区 e 蒸发器 l 一一一低压级 也理论值 d i s 出口 n u 努塞尔数 p r 普朗特数 硕士学位论文 1 1 研究背景 第一章绪论 这是一个崇尚节能、环保的时代，符合可持续发展道路的国情，热泵技术的 发展越来越被重视。 热泵技术是开发和强化高质能源利用率的重要手段，是获取可再生能源及维 护生态平衡的有效途径之一，热泵装置通过消耗一部分高品位的电能作驱动能 源，从低温环境中吸取热量将其提升到高温热源，从而具有节约高品位能源的作 用，这就给人们提供了一条节约矿物材料、合理利用能源、减轻环境污染的途径， 因此热泵具有节能和环保双重功效。 现在普遍使用的热水器中，燃气热水器使用不当引发的安全事故时有发生， 电热水器也存在由于设计缺陷或产品老化而产生漏电等不安全因素，太阳能热水 器由于受气候影响比较大，市场前景并不明朗。热泵热水器的工作原理则决定了 其电水分离的设计，远离了安全隐剧1 1 。 空气源热泵热水器是以空气为热源的热泵，它是利用少量电能通过制冷剂的 热力循环将空气中的低温热提升为高温热，当这部分高温热以生活用卫热水的形 式出现时便构成空气源热泵热水器，具有高效节能、安全环保、便于控制等优点。 但是普通单级压缩空气源热泵热水器通常在环境温度低于5 ，热水器总不能达 到好的制热效果，主要原因为：当环境温度较低时，系统蒸发温度降低【2 1 ，压缩 机的吸气比容增大，而压缩机的理论输气量不变，压缩比增大，系统的制热量就 会减少；同时也会引起排气温度过高而减少压缩机的使用寿命。 本课题所研究的双级压缩空气源热泵热水器就是针对普通单级压缩空气源 热泵热水器低温环境工作存在的问题而提出的一种热泵热水器系统，有单、双级 两种工作模式，可以满足不同环境温度的需要，这一研究对于提高热泵热水器的 低温适应性以及扩大我国的应用范围、节能环保都有相当重要的实用价值和社会 价值。 1 2国内外的使用和研究进展 1 2 1 关于空气源热泵热水器的使用现状 空气源热泵热水器在国外已有近2 0 年的历史，现在大约有3 0 0 万台同类设 第一章绪论 备在欧美各国使用，在东南亚、澳大利亚等一些国家的宾馆、学校、企事业单位， 6 0 的热水供给7 5 以上采用空气源热泵热水器。而且，在美国的一些全年平均 温度较高的地区，较多采用空气源热泵热水器作为恒温泳池加热设备。 相对而言，空气源热泵热水器在我国起步则比较晚，国内厂商关注该产品也 是近几年的事情。由于前期在产品导入时，市场培育不够，因而无论是从技术还 是从产品上来看，均还处在初级发展阶段。而这两年来，在各方面能源紧缺的情 况下，空气源热泵热水器逐渐被广大厂商重视起来，尤其是近两年来有了比较大 的增长，单就生产企业也由屈指可数的几家突飞猛进暴涨到目前的几十家甚至近 百家。 总体来说，就目前而言，国外的空气源热泵热水器市场已经相当成熟，在发 达国家其使用的比例有的高达7 0 ，比如在新加坡、欧美的一些国家等。就是在 中国的香港和台湾地区也有将近5 0 的推广使用力度【3 】。只是受国内消费和经济 发展规律的影响，空气源热泵热水器也是在近4 、5 年才被引进并在小范围内推 广使用，而且是集中在经济发达的两个三角洲地区。据市场的统计数据来看，虽 然该产品在国内上市只有短短几年时间，但是增长的速度却非常快。就像前几年 互联网接入时的发展速度一样，整个行业销售增长率将以几何基数增长，市场空 间十分巨大。 1 2 2 关于双级压缩热泵系统的研究现状 双级压缩热泵系统的结构形式多种多样，不同结构形式的系统也具有不同性 能特性。 清华大学的柴沁虎和北京工业大学的马国远从压缩机的实际工作过程出发， 结合制冷系统的部件特点建立了带经济器的涡旋压缩机制冷循环的数学模型，分 析了辅助回路使用热力膨胀阀系统的各种情况下的动态特性。仿真结果表明：最 合理的开孔位置在吸气腔刚刚闭合处，此时可以最大限度保证系统在低温工况时 的实际制热性能，同时较好兼顾系统的经济性。开孔位置在一定范围内变化对于 系统的经济性、安全性影响并不明显，但系统在低温工况下的制热量将有明显变 化。该研究对于带经济器的螺杆压缩的准二级系统同样适用，如图1 1 。 2 硕士学位论文 压缩机 膨胀阀 发器 图1 1 带经济器的双级压缩热泵系统 f i g 1 - lt w 瞄t a g cc o m p r 豁s i h tp l l 唧s ) ，s t 黜谢t l le c o m 妇 哈尔滨工业大学的马最良提出了双级耦合热泵系统，由于空气源机组提供一 定温度的热水作为水源热泵机组的水源，所以对水温有一定的要求嘲，过高或者 过低对水源热泵和空气源热泵的能效比都会有一定的影响。 天津大学的郑宗和，杨玉忠提出双级热泵系缌6 】，与本课题比较相似，不同 的是它是中间完全冷却系统，中间冷却器中不仅存在高压级与低压级换热的问 题，还存在工质与水路的换热问题，管路布置比较复杂。 上海理工大的伍德虎和刘业凤提出太阳能、空气双热源热泵【刀，以太阳能产 生低温热水向热泵机组的蒸发段提供热量，同时解决热泵机组在冬天环境温度低 时效率低甚至无法启动的问题，实现太阳能热水器和空气源热泵性能优势互补。 但是该系统未做到太阳能实际工况的运行试验。根据不同的太阳辐射和室外环境 状况对机组进行不同的工况调节，增加了机组控制系统的复杂程度。 国外关于双级压缩系统的研究基本上都是跨临界二氧化碳的双级压缩，如： a 酗哪a l 和n e e 炳8 】等人研究了以二氧化碳为制冷剂的双级压缩热泵系统循环， 他们所研究的蒸发温度范围是：- 4 0 3 0 ；冷凝温度的范围是：3 5 5 0 ； 并且指出对于夸临界循环，在冷凝温度选定的情况下，由于快速中间冷却存在， 选n h 3 比c 0 2 占优势。 1 2 3 关于空气源热泵稳态仿真的研究现状 热泵系统稳态仿真的相关文献和书籍多是关于单级压缩热泵系统仿真，双级 压缩的仿真国内外研究都较少，即使是双级系统的仿真也基本上都是二氧化碳跨 3 第一章绪论 临界循环系统的仿真。虽然单级系统与双级系统具体工作流程不完全一致，但基 本原理相差不大，因此这些文献对于系统内部具体部件的建模有相当大的参考 性，具体研究如下： ( 1 ) 压缩机 中南大学的胡益雄、肖浩针对单级热泵制冷系统提出了小型全封闭活塞式压 缩机稳态模型，并对其性能参数进行了仿真嗍；同时选用了v c + + 6 o 编制了仿真 软件，结果比较理想。这是一篇针对性比较强的文献，文中仅是对压缩机部件进 行了仿真，采用( 半) 经验公式建立了以蒸发温度、冷凝温度、压缩机单程排量及 转速为输入参数，压缩机制冷量、功耗、排气温度为输出参数的小型全封闭活塞 式压缩机稳态数学模型。 ： 上海交大的周永明，孙文等对压缩机采用一个单节点的模型【1 0 1 ；北京工业大 学的王伟和哈工大的马最良认为人工神经网络的非线性特征和学习与预测功能 可以很好地解决传统模型存在的问题，他们利用b p 神经网络对半封闭往复式压 缩机建立性能预测模型，但是b p 算法存在几个问题：学习速度很慢，网络训练 的失败可能性很大，且网络结构的选择尚无一种统一而完整的理论指导，一般只 能由经验选定等等】。由于这些问题的存在，因此在给压缩机的建模中不打算选 用这种算法；上海交大的丁国良、张春路分别针对小型全封闭活塞式压缩机和小 型全封闭滚动转子式压缩机建立了相应的数学模型，其中主要计算了压缩机内制 冷剂的流量、压缩机功率以及温度计算【1 2 】。 ( 2 ) 换热器 换热器是热泵系统的重要组成部分，包括蒸发器和冷凝器。现在研究最多的 换热器应该是翅片管式换热器，如： 上海交大的丁国良以理论模型为基础，对r 1 3 4 a 单元式风冷冷风机组翅片管 式蒸发器进行设计【1 3 l ，应用管内流动沸腾换热模型仿真分析r 1 3 4 a 的质量流量对 沸腾换热的影响，利用外掠翅片管束换热关联式计算管外翅片侧表面换热系数， 进而得出翅片管蒸发器总传热系数。同时，文中指出了在以r 1 3 4 a 为制冷剂的仿 真计算中应采用k a l l d l i k a r 关联式，并且给出了以r 1 3 4 a 为制冷剂时的蒸发器内 阻力损失计算公式： ， 舻= 1 1 x 5 9 8 6 l o 。5x ( g g ) o 。9 1 ( 1 1 ) 4 硕士学位论文 s c k h 甜和d e n i l i s “- 4 】对翅片管式换热器在结霜工况下的工作性能进行了研 究分析，针对其换热过程的特殊性展开理论分析，并建立数学模型进行模拟计算； c o 概与m e l o n 通过对r 1 3 4 a 制冷剂在制冷系统中的循环分析，对系统中应用 的平翅片管式蒸发器和冷凝器进行传热特性计算，建立了用于仿真模拟的数学模 型【1 5 1 。 板式换热器由于结构紧凑，体积小，换热效率高等优点也越来越被重视，如 北京工业大学的张峰、俞坚n 司针对使用板式换热器作为蒸发器和冷凝器的小型单 级压缩热泵系统，用分布参数的稳态模型完成整个热泵系统运行过程的仿真研 究。 ( 3 ) 节流装置 ： 热泵制冷系统的节流装置通常包括膨胀阀、毛细管等。 上海交大的张春路、丁国良对较为常见的毛细管双级串联节流特性进行了理 论分析，先建立一个适用于单根毛细管的一般模型，并在此基础上建立毛细管的 两级串联节流模型彻；浙江理工大的刘力华和浙江大学的陈光明也建立了毛细管 的仿真模型【1 8 j ；哈工大的马最良对膨胀阀建立了数学模型，并且详细地分析了内 部受力情况。 1 3 本课题的研究内容和意义 1 3 1 主要研究内容 基于该领域研究现状可以看出，对普通空气源热泵系统的研究已比较成熟， 但是对于双级压缩空气源热泵系统的研究仍处于初级阶段。虽然在双级压缩热泵 系统的理论、试验方面已经作了大量的工作，但是在形成能适用于工况变化较大 的实际产品方面的工作还不够。本课题的研究工作主要包括以下内容： ( 1 ) 双级压缩空气源热泵系统不同于普通单级压缩系统的一大特点是增加 了一个中间补气的过程，所以对于中间压力的选择很重要，将直接影响系统其他 物性参数计算的准确性。 ( 2 ) 在对系统的研究过程中，首先建立系统各重要部件的数学模型，然后 将各部件的模型进行有机结合，建立系统稳态仿真模型。 ( 3 ) 对影响系统性能的仿真结果进行理论分析，并与实验结果进行比较 以验证仿真结果的准确性。 5 第一章绪论 ( 4 ) 双级压缩空气源热泵热水器系统作为一种具有广阔市场前景的装置， 必须具备相当可靠的性能，因此要对系统性能及其影响参数作一定量的模拟研 究，主要模拟分析运行参数如冷却水流量、冷却水入口温度、空气入口温度等 对系统性能系数c o p 及压缩机总功率的影响。 1 3 2 研究目的和意义 由于节能与环保问题日益被重视，以燃煤为基础的供暖模式所带来的负面影 响越来越不能适应社会可持续发展的要求。空气源热泵以其独特优点成为热泵诸 多型式中应用最为广泛的一种，但是它的应用受到气候条件的约束。本文所研究 的双级压缩空气源热泵热水器就是针对普通单级的低温不适应等问题而提出的， 有单双级两种制热模式，可以根据环境温度的变化进行调节。由于单级压缩模式 与普通的单级空气源热泵没有什么区别，现在已经属于比较成熟的产品，因此本 文主要针对双级压缩热泵系统进行稳态仿真研究，希望能为未来产品的实用化及 相关课题的深入研究提供参考。 6 硕士学位论文 第二章双级压缩空气源热泵系统的工作原理 2 1 普通空气源热泵系统的基础知识 空气源热泵技术从1 9 2 4 年发展到现在，很长的一段时间里没有被人类充分 地认识和运用，到了2 0 世纪6 0 年代，世界能源危机以后才给予充分的重视，世 界经济持续发展，要给子孙后代留下能源、能量资源，一定要注意能源的节约和 合理的使用。所以世界各国纷纷加大了研发力度，推广热泵技术，所以目前热泵 技术已经比较广泛地使用。 空气源热泵热水器是创新一代热水设备，它运用逆卡诺循环原理，用电能驱 动热泵，通过热泵装置中的构成部件促使工质不断完成蒸发( 吸收空气中的热量) 一压缩一冷凝一节流一蒸发的热力循环过程，从而将环境中的热量转移到水中， 将空气中大量免费的热量转移到生活用水中。空气源热泵是热泵技术在生产热水 方面的一个应用，具有经济节能，安全环保等特点。 普通的单级压缩空气源热泵热水器系统，主要由压缩机、冷凝器、蒸发器和 节流装置等部件组成，制热运行过程中，压缩机吸入低压制冷剂气体，经压缩增压 后排出高压气体，在冷凝器中高压气体放热冷却为高压液体，达到使用要求。高压 液体经节流元件节流后，变为低压的制冷剂液体，然后进入风冷换热中，在此，制 冷剂液体在换热器铜管内吸热汽化，而铜管外由风扇使空气循环以提供热源。低 压气体从风冷换热器中汽化后，再次进入压缩机以完成一个完整制热循环【1 9 j ： 节流阀 蒸发器 图2 1 普通热泵热水器系统流程 f i g 2 - 1p r o o e 豁o ft h ec v t i o n a lh e a tp u i n ph t e f 7 缩机 第二章双级压缩空气源热泵系统的工作原理 空气源热泵系统具有系统简单、年运行时间长、技术比较成熟等优点；但是 普通单级压缩热泵系统存在一个问题，即当环境温度较低时( 通常为低于3 ) ， 空气侧换热器开始结霜【2 0 】，从而堵塞吸热装置的空气通道而影响机组的正常工 作，这对于环境温度比较低的地区显然是不能满足常年热水使用要求的：温度较 低，压缩机容积效率降低，机组制热量和制热效率急剧减小，而且普通单级热泵 热水器中热量提升的温差也不能很大，通常在4 0 5 0 ；另外，为了使供应的 热水达到一定高的温度就必然导致排气温度较高，而摊气温度过高一方面会加大 压缩机的负荷，另一方面会造成润滑质量降低，润滑油炭化，从而缩短压缩机的 使用寿命f 2 1 1 。 2 2 双级压缩空气源热泵的工作原理 本课题所研究的双级压缩空气源热泵热水器是针对普通单级压缩空气源热 泵存在的问题而产生的一种具有较好低温适应性的热泵系统，具体工作流程如图 2 - 2 ： 图2 - 2 双级压缩空气源热泵热水器系统流程图 f i g 2 - 2f l o wc h a r to f 阳m s t a g ec o m p r e s s i o nh e a tp i m l ph e a t 盯 被蒸发器吸热蒸发的低压低温制冷剂，出蒸发器后首先被低压压缩机吸入并 压缩至中间压力，得到的中温中压制冷剂过热蒸汽与中间冷却器出口的中压饱和 制冷剂蒸汽混合，混合后被高压级压缩机进一步压缩成为高压高温过热蒸汽，然 后进入冷凝器的热水箱内放热冷凝成液体，出冷凝器的高压液态制冷剂经过节流 阀进行第一级节流，得到的制冷剂为饱和湿蒸汽，其中的饱和蒸汽制冷剂出中间 硕士学位论文 冷却器与出低压压缩机的中压过热蒸汽混合进入高压压缩机，其中的饱和液体制 冷剂出中间冷却器后经过第二级节流，得到低温低压的制冷剂，最后进入蒸发器 吸热蒸发，完成一个双级压缩热泵热水器制热循环。 双级压缩空气源热泵最大的特点是有两个压缩机，在具体工作过程中，低压 级压缩机主要是对从蒸发器出来的低温低压制冷剂进行压缩，使之成为较高温度 和压力的过热蒸汽，当高压压缩机再吸入气体时，已经是被低压压缩机处理过的 气体，这样两台压缩机分担压缩工作，能够很好解决2 1 节所提出的普通单级压 缩机所存在的问题，且可以延长压缩机的使用寿命。 双级压缩空气源热泵系统不是简单的两个压缩机的串联，它有一个中间补气 过程，进入高压压缩机的气体是从低压压缩机排出的气体与中间冷却器出来的饱 和气体的混合，因此它的温度应该介于中冷器的饱和气体温度与低压压缩机排气 温度之间；另外中间冷却器在整个系统中是一个特别的装置，它相当于低压部分 的冷凝器，同时又是高压部分的蒸发器，中间冷却器中制冷剂的温度和压力是非 常重要的参数，它们的变化对整个系统的性能也会有很大的影响，将在后面的章 节作具体分析。 2 3 双级压缩空气源热泵系统的低温优势 c o p ( 性能系数) 是评价热泵运行经济性的重要指标，相同工况下，c o p 越大说明这个热泵系统的效率越高，越节能；c o p 的公式如下： 凹= 篆鬻筹 ，) 从图2 3 可以清楚地看到单双级热泵系统制取5 0 热水时c o p 随环境温度 的变化情况。图2 3 为不同环境温度下，单双级压缩循环热泵热水器制取5 0 热 水时制热效率的变化情况，由图可见，两种循环模式热泵系统的c o p 都是随环 境温度的降低而降低，原因为：随着环境温度的降低，在冷凝温度一定的情况下， 蒸发温度降低，压缩机的压缩比增大，压缩效率降低；另外，蒸发温度减小，压 缩机吸气比容增大，输气系数减小，制热量相应降低。 9 第二章双级压缩空气源热泵系统的工作原理 t e n v 图2 3 单双级循环系统c o p 随环境温度变化曲线 f i g 2 - 3c 伽l p 燃s i o no fc o pb e 咐e s i n 酉e s t a g e 锄dt 、胁s 协g ec y c l e 图中也可以看出，双级压缩循环系统的c o p 衰减速度远低于单级压缩 系统的衰减速度，且环境温度越低，这个趋势越明显，当环境温度降到5 左右，双级压缩的c o p 开始大于单级压缩的c o p 【2 2 1 【2 3 1 ，这是由于双级压缩热 泵循环的两个压缩过程分担了系统较大的高低压端压缩比，说明环境温度越 低时，双级压缩相对于单级压缩有更好的低温适应性。 l o 硕士学位论文 第三章制冷剂和水的热物性参数计算 制冷系统的仿真离不开制冷剂的物性参数，而这些物性参数不能依靠简单的 查表来获得，所以物性参数和热力参数的程序化是制冷系统仿真的前提条件【2 4 】。 然而，要使制冷剂物性参数的准确性真正能够满足使用者的要求却并不容易。 目前，计算制冷剂物性参数的方法很多，如图表法、状态方程法、拟合关联 式法等。其中状态方程法是制冷剂热力性质计算的核心方法，因为状态方程和辅 助方程的建立是基于严格的理论和实验研究，这类方法具有精度高、适用范围广 的优点嘲。但是在真j 下的使用过程中会发现关于几种常用制冷剂饱和状态的方程 很多，单相区的方程却很难查找得到，这给使用带来了很大不便。因此结合查表 和软件1 s t o p t ，针对r 1 3 4 a 在制冷系统中的应用，拟合出了制冷剂在三个相区的 状态方程，结果经验证比较理想。 制冷剂的热物理性质主要包括两类：热力性质和迁移性质。其中热力性质包 括压力、比容、温度、比焓、比熵、比热容等；迁移性质主要包括动力粘度和导 热系数等，因此文中主要针对这两类热物理性质拟合出相应的物性方程【2 6 1 。 目前普通小型热泵空调一般选用的制冷剂是i 也2 ，但是本文主要研究的双级 压缩热泵系统是为了适应低温工况而提出的，因此要选用高温制冷剂。从热物性 角度看，高温制冷剂r 1 2 是不错的选择，但是它对地球有较强的破坏作用，o d p ( 臭氧消耗潜能) = 1 0 ，g w p ( 全球变暖潜能) = 3 0 5 ，不太适应目前所需要满 足的环保要求；而制冷剂r 1 3 4 a 是美国国家标准与技术研究院的麦克林顿首先提 出来的f 2 乃，是至今研究最多的一种纯物质替代物，o d p - o ，g w p = o 2 6 ，对于本 文的研究内容是一种较理想的选择f 2 8 】，其热物性如下： 名称： r 1 3 4 a ； 卤代烃代号：h f c l 3 4 a ； 化学分子式：c h 2 f c f 3 ； 分子量： l0 2 0 k 鲫( 1 i l o l ； 标准沸点：- 2 6 2 ； 临界压力：4 0 7 m p a ； 临界温度： 1 0 1 1 箜三主型全型塑查竺垫竺：堡垒墼盐笠 一 _ _ _ - - _ _ 一 3 1 制冷剂r 1 3 4 a 热物性参数计算 3 1 1 制冷剂两相区的热物性计算 关于几种常用制冷剂在两相区的热力性质方程相关文献非常多，对于高温制 冷剂r 1 3 4 a ，通常可以采用c l e l a n d 的简化计算模型伫9 硎，主要以饱和温度为自 变量求各热力参数。 饱和压力： = 唧( 口i + 丧 协。 a i ，a 2 ，a 3 公式系数； 饱和温度： 。_ ( 赤卜 协2 ， a 4 ，a 5 ，a 6 公式系数； 饱和液体焓值： j i i i = 口7 + 口8 0 + 口9 k 2 + q o 3 ( 3 - 3 ) a 7 ，a 8 ，a 9 ，a l o 公式系数； 饱和气体焓值： 噍= 口l i + 口1 2 k + q 3 0 2 + q 4 k 3 ( 3 - 4 ) a l l ，a 1 2 ，a 1 3 ，a 1 4 公式系数： 饱和蒸汽比体积： 吃= 唧( 口1 5 + 赢心，蛔s ，幺鸲。幺) 协5 ， a 1 5 ，a 1 6 ，a 1 7 ，a 1 8 ，a 1 9 ，a 2 0 公式系数； 匕述公式系数见表3 1 。 1 2 硕士学位论文 口l 2 1 5 1 2 9 7 4 2 - 2 2 0 0 9 8 0 9 口3 2 4 6 6 l 口4 - 2 2 0 0 9 8 0 9 如 2 1 。5 1 2 9 7 2 4 6 6 l 2 0 ( ) o o o 1 3 3 5 2 9 1 7 0 6 5 0 7 6 7 4 1 0 3 口l l 3 9 8 5 0 3 口1 2 6 0 6 1 6 3 口1 3 - 1 0 5 6 4 4 口1 4 - 0 o l8 2 4 2 6 口i ， - 12 4 5 3 9 2 6 6 9 1 0 1 3 5 7 1 0 6 7 3 6 1o 3 9 2 5 3 2 1 0 r 6 3 2 1 9 2 1 0 - 7 上述几个公式是c l e l a n d 在1 9 8 6 年提出的可用于系统仿真制冷剂热力性质简 化模型，他以c h a l l 和h a s e l d e l l 公布的制冷剂热力性质进行拟合。但是这一组简 化模型有它的适用范围，对于r 1 3 4 a 要求最小饱和温度4 0 ，最大饱和温度7 0 ；而本课题研究的双级压缩空气源热泵热水器中制冷剂的饱和温度变化范围明 显是符合这一要求的，因此可以使用。饱和状态的其他热物性参数可以通过文献 【2 6 】结合1 s t o p t 软件拟合得出，如下： 饱和液体密度： 岛22 5 i + 6 2 9 ( 1 。k 3 7 4 2 5 ) 1 7 3 + 岛( 1 。k 3 7 4 2 5 ) 2 仃 ( 3 6 ) + 玩( 1 - o 3 7 4 2 5 ) + 6 5 ( 1 - o 3 7 4 2 5 ) 们 b l ，b 2 ，b 3 ，b 4 ，b 5 公式系数； 饱和蒸汽密度： 岛= 1 v g ( k ) ( 3 7 ) 饱和液体比容积： m = 1 局( ) ( 3 8 ) 饱和液体熵值： 岛= 1 + 6 6 k + 6 7 k 2 + 6 s k 3 ( 3 - 9 ) b 6 ，b 7 ，b 8 公式系数； 饱和气体熵值： j g = 6 9 + 岛o o + 6 l l k 2 + 岛2 k 3 ( 3 - 1 0 ) b 9 ，b i o ，b l i ，b 1 2 ，b 1 3 公式系数； 饱和蒸汽定压比热： c ；g = 岛3 + 6 1 4 k + 岛5 2 + 6 1 6 k 3 + 6 1 7 4 b 1 3 ，b 1 4 ，b 1 5 ，b 1 6 ，b 1 7 公式系数； 饱和液体定压比热： c p i = 2 5 i 。+ 2 5 1 9 乞+ k 0 + 红。3 + 乞4 b 1 8 ，b 1 9 ，b 2 0 ，b 2 l ，b 2 2 公式系数； 饱和蒸汽导热系数： 五= 勉+ 吃如+ 忽菇t 2 + 包如3 b 2 3 ，b 2 。，b 2 5 ，b 2 6 公式系数 饱和液体导热系数： 丑= 易+ 岛8 0 + 包9 乞2 + 岛o 3 b 2 7 ，b 2 8 ，b 2 9 ，b 3 0 公式系数； 饱和气体粘度： 以= 6 3 。+ 6 3 2 k + 岛3 2 + 岛4 乞。3 + k k 4 b 3 l ，b 3 2 ，b 3 3 b 3 4 ，b 3 5 公式系数： 饱和液体粘度： ( 3 1 1 ) ( 3 1 2 ) ( 3 - 1 3 ) ( 3 1 4 ) ( 3 1 5 ) h = k + 6 3 7 k + 6 3 8 0 2 + 岛9 k 3 + k 4 + 么l k 5 ( 3 - 1 6 ) b 3 6 ，b 3 7 ，b 3 8 ，b ，b 4 0 ，b 。公式系数： 饱和区部分拟合公式系数见表3 - 2 1 4 表3 _ 2 饱和区参数系数表( b ) 亿l l ，l e3 2c 伍d 铋to f t h ep a 舳c t 盯i n 嘲t i l m t e d 佗百o n ( b ) 系数值 系数值 系数数值 糸 毅但 数 数 数 6 1 5 1 2 26 l l 6 5 9 2 l 旷 6 2 l - 8 2 2 8 l o 如l l u 葛u j 8 1 9 6 1 8 3 6 1 2 - 7 1 9 3 l0 - 8 6 2 2 9 0 8 2 4 l o 7 6 3 2 o 0 4 2 5 1 0 2 3 5 8 26 1 3 o 8 8 1 66 2 3 0 0 1 1 86 3 3 o 0 0 0 2 1 1 5 6 7 5 76 1 4 0 0 0 46 2 4 8 2 0 4 1 0 5k 1 3 1 5 1 0 r o 7 8 9 7 1 9 l 6 l s 1 1 0 8 6 l0 5 6 2 5 3 7 4 l lo 7 幻5 1 1 6 8 1o 5 o 0 0 4 86 1 6 6 9 5 8 1 0 r 6k 1 3 0 6 4 l o 7k2 7 2 7 7 2 2 8 4 l 旷6 1 7 1 4 l6 6 l 矿6 2 7 o 0 9 4 2如7 3 5 2 9 3 0 7 9 l0 86 1 8 1 3 4 l 6 2 8 0 0 0 0 4 3 6 3 8 0 0 2 3 4 1 7 2 2 跣9 o 0 0 2 86 2 9 3 51 4 lo 1 0 6 3 9 3 0 5 6 1 0 由 旬o 0 0 6 9 2 5 3 1 0 r 6 4 1 1 4 2 lo 76 柏 1 舯3 l 旷 6 4 1 1 5 4 6 6 1 0 击 在两相区的具体物性参数计算过程中，仅有上述的饱和状态参数是不够的， 还需要有干度x 的计算： 石= ( | i l 一i l i ) ( 噍一 ) ( 3 - 1 7 ) 通过干度x 结合饱和状态参数方程就可以求出两相区其他物性参数： 两相区密度： 两相区比体积： 两相区定压比热： 两相区导热系数： 两相区熵值： 两相区粘度： p = 启( 卜x ) + 岛x ( 3 - 1 8 ) y = 嵋( 1 一功+ 匕x c ；= c p i ( 1 一z ) + q g x 五= ( 1 一工) + 以x s = s i ( 1 一x ) + s g 工 ( 3 1 9 ) ( 3 2 0 ) ( 3 2 1 ) ( 3 2 2 ) = “( 1 一x ) + 心z ( 3 - 2 3 ) 1 5 统历加协加所肺加加 第三章制冷剂和水的热物性参数计算 3 1 2 制冷剂过冷区的热物性计算 制冷剂在过冷区处于过冷液体状态，在实际的计算过程中压力范围变化比较 小，并且过冷区的各物性参数受压力变化影响不大，所以可以以制冷剂的温度f 为自变量拟和如下： 过冷区焓值： 丸= c l + 乞f + 巳f 2 + c 4 f 3 + c s f 4 + c 6 f 5 ( 3 - 2 4 ) c i ，c 2 ，c 3 ，c 4 ，c 5 ，c 6 公式系数； 过冷区比体积： k = 岛+ c 8l n f + 岛( 1 i l f ) 2 + c l 。( 1 n f ) 3 + c l l ( 坤f ) 4 + c 1 2 ( 1 n f ) 5 ( 3 2 5 ) + q 3 ( 1 n f ) 6 + c 1 4 ( 1 i l f ) 7 + c 1 5 ( 1 i l f ) 8 c 7 ，c s ，c 9 ，c l o ，c i l ，c 1 2 ，c 1 3 ，c 1 4 ，c 1 5 公式系数； 过冷区密度： 成= 1 ( f ) ( 3 2 6 ) 过冷区导热系数： 丸= q 6 + c 1 7 f + c 1 8 f 2 + q 9 ， ( 3 2 7 ) c 1 6 ，c 1 7 ，c 1 8 ，c 1 9 公式系数； 过冷区定压比热： c p 。= c 2 0 + c 2 l f + c 2 2 f + c 2 3 f 2 + c 2 4 f 2 ( 3 - 2 8 ) c 2 0 ，c 2 i ，c 2 2 ，c 2 3 ，c 2 4 公式系数； 过冷区熵值： = 乞5 + c 2 6 f + c 2 7 f 十q 8 f 2 + c 2 9 f 2 + f 3 ( 3 2 9 ) c 2 5 ，c 2 6 ，c 2 7 ，c 2 8 ，c 2 9 ，c 3 0 公式系数； 过冷区粘度： 心2c 3 i + c 3 2l l l f + 巳3 1 1 1 f 十c 3 4 ( 1 i l f ) 2 + c 3 5 ( 1 i l f ) 2 + c 3 6 ( 1 i l f ) 3 ( 3 3 0 ) + c 3 7 “l i l f ) 3 + c 3 8 ( h l f ) 4 + c 3 9 ( 1 l l f ) 4 c 3 l ，c 3 2 ，c 3 3 ，c 3 4 ，c 3 5 ，c 3 6 ，c 3 7 ，c 3 8 ，c 3 9 公式系数； 过冷区公式系数如表3 3 ： 1 6 硕士学位论文 表3 3 过冷区参数系数表 t a b l e3 - 3c o c 伍c i e n t0 ft l l e 岬9 缸i l l 跚p 贸c 0 0 l i i l gr c 西 3 1 3 制冷剂过热区的热物性计算 过热区的制冷剂物性参数计算是三种状态中计算最为复杂的，因为在整个系 统的仿真计算过程中，过热区的物性模块被调用次数非常多，而且过热区的压力 变化范围很大，所以不能仅考虑温度的变化而不考虑压力变化的影响，要取不同 的压力作为上下限，以温度为自变量对其他物性参数用插值法进行拟和。具体方 法如下： 在某压力范围内，取p 。为该范围的压力下限，见为该范围的压力上限，然 后分别在只、仍两个压力下拟和出其他几个热物性参数的计算公式： 过热区焓值