（制冷及低温工程专业论文）变浓度容量调节热泵系统的理论与实验研究.pdf

浙江人学硕十学位论文洪 妻 摘要 一 变浓度容量调节热泵系统 的理论与实验研究 洪峰 ( 浙江大学制冷与低温研究所，杭州) 摘要 混合工质变浓度容量调节是指利用非共沸混合工质的组成特性，通过改变系统中混 合工质的浓度配比，对系统的制冷量或制热量进行调节。与其它容量调节方式相比，这 种调节方式不产生附加能量损失，并且可以避免变频压缩机所存在的共振、密封不良等 诸多问题，可以获得更好的调节效果，具有很好的应用前景。本文从理论和实验两个力 面对种新型混合工质空气源热泵系统进行了研究，主要研究内容如下： 1 综述了混合工质变浓度容量调节系统的发展历史及国内外研究现状，在传统的 混合工质变浓度容量调节系统的基础上提出了一种变浓度装置并接于系统的低压侧， 结构和控制都相对简单的新型变浓度容量调节系统。 2 对烷烃及其衍生物中的五组二元混合工质r 3 2 r 1 3 4 a 、r 1 4 3 a r 1 3 4 a 、 r 1 4 3 a p , 2 2 7 e a 、r 2 9 0 r 2 2 7 e a 和r 1 2 5 r 2 2 7 e a 进行了循环热力计算，并综合考虑混合工 质的热力学循环特性、分馏特性及环保性指标，对适用于变浓度容量调节的混合工质进 行了筛选，最终采用了r 3 2 r 1 3 4 a 作为后续变浓度容量调节研究的循环工质。 3 对新型变浓度容量调节空气源热泵系统的冬季运行性能进行了稳态仿真计算， 得到了系统主要性能参数随蒸发器进风温度的变化关系，并分析和比较了= = f i 同的结构参 数对系统性能的影响。此外还与r 2 2 常规热泵系统以及r 3 2 r 1 3 4 a 定浓度混合工质热泵 系统进行了主要性能参数的对比，为该装置的设计和改进提供了理论依据。 4 设计并搭建了新型变浓度容量调节热泵系统实验台，研究了该系统以r 3 2 r 1 3 4 a 为工质时变浓度容量调节的实际运行效果，并与纯质r 2 2 常规热泵系统进行了比较。实 验结果初步印证了理论模型的可靠性和该新型变浓度容量调节系统的可行性，同时也发 现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。 5 初步探讨了变浓度容量调节热泵系统的自动控制方式，实现了系统容量调节的 半自动控制，为这一新型热泵系统走向实用奠定了一定的基础。 关键词：混合工质变浓度容量调节空气源热泵 浙江入学硕十学位论文洪 娄 a b s t r a c t 一一一 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 y o n v a r i a b l e c o m p o s i t i o nc a p a c i t yr e g u l a t i o n h e a tp u m ps y s t e m h o n gf e n g ( i n s t i t u t eo u 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 础, h a n g z h o u ，3 1 0 0 2 7 ) a b s t r a c t t h ev a r i a b l ec o m p o s i t i o n c a p a c i t yr e g u l a t i o nc a l lb ed e f i n e da st h er e g u l a t i o no f c o o l i n g c a p a c i t yo rh e a t i n gc a p a c i t yo f t h e s y s t e mb yc h a n g i n gc o m p o s i t i o no ft h em i x t u r ei nt h e s y s t e ma c c o r d i n g t oc h a r a c t e r i s t i c so ft h en o n a z e o t r o p i cm i x t u r e s , c o m p a r i n gw i t ho t h e r c a p a c i t yr e g u l a t i o nm e t h o d s ，i th a sag o o dm o d u l a t i o ne f f e c ta n dc a na v o i da d d i t i o n a le n e r g y c o n s u m p t i o na sw e l l a sm a n y p r o n e m s s u c ha sc o m p r e s s o r s y m p a t h e t i cv i b r a t i o n 1 e a k a g ee t c t h e r e f o r e ，i th a sag o o df u t u r e t h i st h e s i ss t u d i e st h e o r e t i c a l l ya n de x p e r i m e n t a l l yo nt h e p e r f o r m a n c e so fan o v e la i r s o u r c eh e a tp u m ps y s t e mu s i n gm i x t u r et h em a i nr e s e a r c h c o n t e n t sa r ea sf o l o w s ： 1 t h er e s e a r c hh i s t o r ya n dp r e s e n ts t a t u so fv a r i a b l ec o m p o s i t i o nc a p a c i t yr e g u l a t i o n s y s t e m sa th o m e a n da b r o a dw e r er e v i e w e d b a s e do n t h ec o n v e n t i o n a ls y s t e m s ，w e p r o p o s e d an o v e ls y s t e mi nw h i c hav a r i a b l ec o m p o s i t i o nd e v i c ei su s e di nt h el o w p r e s s u r es e c t i o no f t h ec y c l e i th a sa s i m p l e s t r u c t u r ea n dc a n e a s i l yb ec o n t r o l l e d 2 ，t h e r m o d y n a m i cc a l c u l a t i o n so ft h ec y c l ea r ec o n d u c t e do uf i v er e f r i g e r a n tp a i r s i n c l u d i n gh y d r o c a r b o na n di t sd e r i v a n ts u c ha sr 3 2 r 1 3 4 a ，r 1 4 3 a j r l 3 4 a 、r 1 4 3 a r 2 2 7 e a r 2 9 0 r 2 2 7 e aa n dr12 5 1 r 2 2 7 e a t h es u i t a b l em i x t u r ef o rv a r i a b l e c a p a c i t yr e g u l a t i o n i s s e l e c t e d a c c o r d i n g t ot h e t h e r m o d y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c so ft h e c y c l e d i s t i l l a t i o n c h a r a c t e r i s t i c sa n d i m p a c t s o n e n v i r o n m e n t f i n a l l y , r 3 2 r 13 4 ai s s e l e c t e da st h eb e s t m i x t u r ef o rf u r t h e rr e s e a r c h 3a s t e a d ys t a t es i m u l a t i o no ft h ep e r f o r m a n c eo ft h ev a r i a b l ec o m p o s i t i o nc a d a c i t v r e g u l a t i o nh e a tp u m ps y s t e mi nw i n t e rw e a t h e ri sc o n d u c t e d t h er e l a t i o n sb e t w e e nt h em a i n p e r t b r m a n c ep a r a m e t e r sa n dt h et e m p e r a t u r ea tt h ei n l e to ft h ee v a p o r a t o ra r eo b t a i n e dt h e e f f e c t so nt h ep 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 ts t r u c t u r ep a r a m e t e r sa r ea n a l y z e d c o m p a r i s o n sa r e a l s om a d eb e t w e e nr 2 2c o n v e n t i o n a l h e a t p u m ps y s t e m a sw e l la s r 3 2 r 13 4 ac o n s t a n tc o m p o s i t i o nh e a tp u m p s y s t e ma n dt h i sn e wh e a tp u m ps y s t e m t h e s e p r o v i d e at h e o r e t i c a lb a s i sf o r d e s i g na n dm o d i f i c a t i o no f t h es y s t e m 4 - a “。x p e n m e n ta p p a r a t u sf o rt h i sn o v e lv a r i a b l e c a p a c i t yh e a tp u m ps y s t e mi s d e 3 1 9 n e da n ds e tu p - e x p e r i m e n t sa r ec o n d u c t e do nt h eo p e r a t i o n p e r f o r m a n c eo ft h es y s t e m 浙沮人学硕十学位论文洪 a b s t r a c t w h e nr 3 2 r13 4 aa n dr 2 2a r eu s e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss i l o wt h a tt h et h e o r e t i c a lm o d e 】 i sr e l i a b l ea n dt h en o v e lv a r i a b l ec a p a c i t yh e a tp u m ps y s t e mi sp r a c t i c a l s e v e r a lp r o b l e m si n d e s i g na n do p e r a t i o na r ea l s oe x p o s e d i tg i v e sad i r e c t i o n i nf u r t h e rd e v e l o p i n go ft h i s s y s t e m 5t h ea u t o m a t i cc o n t r o lm a n n e r so fc a p a c i t y r e g u l a t i o n s f o rv a r i a b l e c o m p o s i t i o n c a p a c i t yr e g u l a t i o nh e a tp u m p s a r ed i s c u s s e da n ds e m i a u t o m a t i cc o n t r o li sr e a l i z e di t l a y sa f o u n d a t i o nf o rt h ea p p l i c a t i o no ft h i sn o v e lh e a tp u m p s y s t e m k e y w o r d s ：m i x e d r e f r i g e r a n t ；v a r i a b l ec o m p o s i t i o n ；v a r i a b l ec a p a c i t y ；a i rs o u r c eh e a t pump 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师指导f 进行的研究：r 作及取得的研究成果。据我所 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，也不包含为获得逝垒苤茔或其他教育机构的学位或证书而使j _ j 过的利料a 与我一 同i 作的同忠对本研究所做的任何贡献均已住论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： i 巧砖奉 签字日期：2 口口4 年2 月2 尹口 学位论文版权使用授权书 本学伉论文作者完全了解逝望盘生有关保留、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。 本人授权堂垄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，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) 学位论文作者毕业后去向 i 作单位 通讯地址 导师签名 f 领班 签字日期：枷哞；月2 日 电话 邮编 辱阳 2鸳月 2_ ( 叶 名 4 签 蚰 着 z 竹 ： 文 期 沦 日 赢 字 学 签 浙汀大学硕十学位论文洪妻土要符号袭 拉丁字母 爿 c o p c 。 c e g g ( j ) 力 k 主要符号表 换热面积( m 2 ) 制冷系数 比热容 k j ( k g k ) 】 被调参数的实测值 换热管直径( m m ) 控制偏差 沿程阻力系数 质流密度 k g ( m 2 s ) 控制过程的传递函数 重力加速度( m s 2 ) 比焓( k j k g 、 传热系数 w ( m 2 k ) 绝热指数 比例系数 换热管长度( m 1 长度( m ) 多变指数 质量流量( k g s ) 压缩机功率( w ) 努谢尔特数( w ) 压强( k p a ) 普朗特数( k j l 换热量，制冷量，制热量( k j l 单位时间换热量( w ) 热流密度( w m 2 1 单位制冷量( w k g ) 气体常数 k j ( k g k ) 】 雷诺数 气化潜热( k j k g ) 被调参数的给定值 希腊字母 口 占 灯 “ u p z 上角标 比熵 k j ( k g k ) 1 温度( k ) 时间常数“n i n ) 温度( ) 时间( s ) 控制量输出 比容( m 3 k g ) 流速( m s ) 工质液相摩尔成分 干度 工质汽相摩尔成分 总摩尔成分 对流换热系数 w ( m 2 - k ) 粗糙度( m m ) 计算允许误差 制热系数 压缩机效率 输气系数 动力粘度 k g ( m s ) 】 运动粘度( m 2 s ) 漏热系数 密度( k g m 3 ) 延迟时间f s l 挥发度 相对挥发度 液相的 汽相的 v s r r v w x y = 缉上， m m m p n q g 兄如 ， 浙江大学硕七学位沦文洪 睾i 要符号表 下角标 0蒸发过程的，理想循环的 a空气侧的 b泡点的 c冷凝过程的 c a l计算的 c a p 毛细管的 c o r n压缩机的 c o n 冷凝器的 d 微分环节的 d 露点的 e 蒸发过程的 e v p蒸发器的 f 饱和液体的 g饱和气体的 i 积分环节的 进口的或管内侧的 平均的或质量的，单位质量的 最大的 最小的 出口的或管外侧的 比例环节的 带4 冷剂坝0 的 实际的 过冷区的 过热区的 节流过程的 总和的 两相区的 容积的，单位容积的 节流阀的 冷却水侧的 v 删m m ：1 r 协p d 。 m r 謇晰 。p ， 舰驼舡姚 v 谢 w 浙江人学硕士学位论文洪 第一章绪 论 第一章绪论 本章首先介绍了本课题的研究背景和意义，然后综述了混合工质变浓度容量调节的 国内外研究概况，最后介绍了本文的主要研究内容。 1 1 本课题的研究背景和意义 节能与环保是关系到2 l 世纪国民经济可持续性发展的两个重大的课题。全世界都 在致力于低能耗、无污染和可再生新能源工程技术的研究与应用。随着我国现代化建设 步伐的加快，人民生活水平的提高，楼宇、居住建筑在城市建设中的迅速兴建，热泵空 调作为人们追求舒适性的必备工具，早已悄悄进入了我们的生活。然而随着热泵空调设 备使用的同益广泛，一直困扰人们的能源问题和环保问题也日益突出，于是如何实现热 泵空调设备的节能与环保成为了人们最关心的问题。 传统的压缩式制冷和热泵技术正面临着节能和环境保护两方面的压力，利用混合1 质变浓度容量调节实现节能与环保是制冷和热泵技术的一项前沿课题。它不仅可以提高 系统的能量利用率，有效地调节系统的容量，而且可以缓解大气污染和温室效应，在工 质替代保护臭氧层方面也有着广阔的应用前景。 1 1 。1 热泵技术的研究背景 自二十世纪七十年代以来，世界能源形势变得比较严峻，能源的广泛和大量使用所 带来的环境问题也同益加剧。人们普遍开始关注节约能源、有效利用能源、开发能源供 应新途径等问题。在各种解决能源紧张和加强环境保护的措施中，热泵技术得到了相当 的重视。 q q 图1 1 热泵工作原理图 浙江火学硕十学位论文洪 妄 第一章绪 论 一一 热泵技术的工作原理如图l 一1 所示，它能实现把低温位热能输送至高温位的功能， 能够大量利用自然资源和余热资源中的低品位热量，有效减少高品位能量的输入，因而 可以节省采暖、空调、供热水和工业加热所需的一次能源。许多国家己把推广应用热泵 作为减少c 0 2 排放的一种手段。据国际能源机构统计，1 9 9 6 年全世界热泵安装总数达 9 0 0 0 万套1 1 1 ，自1 9 9 2 年开始，世界热泵使用每年增长1 5 ，热泵承担着总供热量的6 ， 在美国该比例为84 ，而在日本该比例则高达2 8 6 。这些热泵中，除大多数用于房屋 采暖空调外，还有部分用于区域集中加热和供冷、工业加热、食品加工、化学原料生产、 干燥除湿、蒸发浓缩等。我国的气候和自然资源都有利于热泵采暖，采用热泵发掘环境 资源的收益比国外要好 引。黄河、长江流域的广大地区夏季需要空调，冬季需要供热， 促进了空调器向冷热两用的方向发展，随着生产能力和技术水平的提高，我国热泵型空 调器已占有了相当大的比例【3 1 。由此可见，热泵技术在我国的发展和应用前景十分广阔， 对热泵技术进行进一步的深入研究，对于推动我国的经济发展，提高用能水平和节约能 源，保护自然环境，实现社会的可持续发展都具有重大的现实意义。 1 1 。2 采用非共沸混合工质的意义 工质替代是当今热泵技术领域的大研究热点，在热泵系统中采用非共沸混合工质 主要是基于环境保护的要求。随着社会化商品生产的日益发展，社会对c f c s 的需求量 f i _ | 益增多，由此造成的环境破坏臭氧层的破坏和温室效应，己引起了全球性的日益 关注。自1 9 8 7 年“蒙特利尔协议”对两类八种c f c s 提出明确的限制计划以来，1 9 9 ( 1 年6 月在伦敦又召开了“蒙特利尔协议书缔约国第二次会议”，使受控物质扩展到七类 一百余种，并要求在更短的时间内限制并停止这些物质的生产和使用。所以，人们正在 加快步伐进行研究和采取措施，减少并最终停止c f c s 的消耗量。 现阶段为了逐步减少c f c s 对环境产生的破坏作用，可采取的主要措施有两个， 是加强系统的密封性，减少制冷剂的泄漏量；二是寻求环境无破坏或破坏很小的替代工 质。采用替代工质的替代方案有两种。一是纯工质；二是混合工质。现有的低公害混合 工质总共分三类：共沸、近共沸或非共沸混合工质。d i d i o n a d ( 19 9 0 年) 对三类混合 工质在替代c f c s 工质的作用方面分别作了阐述f 4 1 。其中特别指出非共沸工质作为c f c s 替代工质具有保护环境和降低能耗的双重作用，最具可观的应用前景。目前，作为替代 的非共沸混合工质( n a r m s ) 有r 2 2 1 4 2 b ，r 2 2 r 1 2 3 ，r 3 2 r 1 4 2 b 等，它在工质替代 方面显示出了优良的性能。例如：美国环保局在冷冻冷藏系统中采用与n a r m s 配套 的具有双蒸发器、双回热器的l o r e n z 系统进行模拟实验。结果表明：与r 1 2 相比， r 2 2 r 1 4 2 b 、r 2 2 r 1 2 3 等1 9 种替代工质在l o r e n z 系统中的c o p 可提高1 0 一2 0 。 天津大学和天津电冰箱工业公司进行了以r 2 2 r 1 4 2 b 替代r 1 2 在双门双温家电电冰箱中 的研究，通过对主副蒸发器的换热面积做适当的调整，在原有设备不作大的改动的条件 下，实现了工质与气流之间较好的温度匹配。表明了在给定配比下r 2 2 r 1 4 2 b 在冰箱制 2 浙江人学硕十学位论文洪豢 第章绪论 一一一一 冷能力与耗电量等方面的指标可达到与r 1 2 相当的水平n k r t l s e h 对非共沸混合t 顾 在热泵空调的变容量调节应用方面进行了阐述，表明了这一类工质在这一领域具有非常 大的优势和潜力6 1 。 1 1 3 容量调节的意义 当今热泵技术领域的另一大研究热点是节能，而对热泵系统进行有效的容量调节则 是实现节能的一项重要手段。在设计一台制冷热泵系统时，往往是根据峰值负荷来确定 系统的容量，而实际上系统经常工作在部分负荷状态下，这就需要对系统进行容量调节， 使制冷热泵系统提供的输出与外界环境的负荷变化相匹配，从而提高能源的利用率。容 量调节的产生是节约与合理利用能源以及提高人体舒适性的客观需求。 首先，随着世界能源的日益紧张，提高用能效率，降低能耗，减少温室效应，己成 为制冷空调领域的一个重要研究课题。目前，节能研究主要从以下五个方面进行f 7 j ： ( 1 ) 系统动态特性的分析及控制。 ( 2 ) 系统循环的改进。 ( 3 ) 系统匹配问题。 ( 4 ) 系统设备的改进。 ( 5 ) 大型系统控制软件的开发。 而容量调节正是从( 1 ) 、( 2 ) 、( 3 ) 三个方面共同着手，来达到节约与合理利用能 源的目的。 其次，容量调节可以减少房间空调器的启停损失，从而减少能源的浪费。天津大学 的杨昭等人对湿工况下，房间空调器启停控制的季节能效比进行了研究。结果表明：对 启停控制系统，存在着较大的停机潜热损失，环境温度降低时则损失加大；在相同的干 球温度分布下，湿球温度愈高，则停机损失愈大。当室外干球温度小时数分布不变，出 于运行环境相对湿度的增加，空调系统的季节能效比是增加的：湿球温度每增加l ， 季节能效比约增加4 【8 】。对热泵空调除湿系统变工况运行时的季节能效比的研究表明： 当环境温度偏离设计工况时，启停循环的总制冷量要小于稳态运行的制冷量，且环境温 度愈低，问歇运行的制冷量占稳态运行的制冷量的比例就越小【射。而采用容量调节可减 少启停损失，提高系统的季节能效比。日本的m k u s a k a 等人采用非共沸混合工质r 4 0 7 c ( r 3 2 r 1 2 5 r 1 3 4 a ：2 3 2 5 5 2 ) 进行了浓度改变试验，结果证明：采用精馏装置的变浓 度容量调节系统比采用定转速压缩机的常规系统，其季节能效比s e e r 可提高2 5 【1 0 l 。 杨昭等人采用其白行设计的新型精馏变浓度容量调节系统，对工质对r 2 2 r 1 4 2 b 和 r 3 2 r 1 2 4 进行变浓度容量调节实验，证明其季节能效比与采用纯质r 2 2 的启停调节方 式相比，可分别提高2 83 和1 77 。 最后，采用容量调节也是满足人体舒适性的需求。随着人们生活品质的提高，人们 对自身热环境的要求也越来越高，而变容量空调热泵系统可根据室内外工况的变化自动 3 浙江大学硕士学位论文洪 妻第一章绪 论 一- 调节供冷供热量，减少室内环境温度的波动，改善空气调节的品质，从而大大增强人体 的舒适性。 1 1 4 在热泵系统中应用混合工质变浓度容量调节的意义 随着非共沸混合工质在制冷热泵系统中的应用日益广泛和人们对容量调节技术的 研究不断深入，一种新型的容量调节方式应运而生，它就是混合工质变浓度容量调节。 该调节方式充分利用了环保型非共沸混合工质的组成特性，通过改变系统中循环工质的 组分浓度，可以有效地对系统容量进行连续调节，因而兼具了环保和节能潜力大的优点， 是一种值得深入研究的容量调节方式。这种调节方式的出现，为热泵空调系统的容量调 节提供了一个新的发展方向，也为系统实现节能与环保提供了一个新的契机。在热泵系 统中运用非共沸混合工质变浓度容量调节，其意义主要基于以下三个方面： 1 环保性 目前热泵系统中常用的工质r 2 2 由于不满足环保要求而面f 临淘汰，采用无公害的混 合工质替代传统的纯质制冷剂，可以大幅减少c f c s 类工质对环境产生的破坏作用，具 有极为显著的环保意义。 2 节能性 在热泵系统中运用变浓度容量调节的节能性主要基于以下四个方面： 首先，空气源热泵系统目前正在我国长江流域以南地区广泛使用，这地区的特点 是夏季炎热( 七月室外平均温度范围2 5 。c 3 0 。c ) ，冬季不寒冷( 一月室外平均温度范 围0 。c 1 0 。c ) ；年平均室外温度5 。c 的时间为o 9 0 天，年平均温度2 5 。c 为4 0 l l o 天。对于常规纯质r 2 2 热泵系统，由于其室外机受环境空气季节性温度变化的影响， 夏季供冷负荷越大时对应的冷凝温度越高，而冬季供热负荷越大时对应的蒸发温度越 低，从而导致制冷、制热效率低，增加了大量能耗。而在我国中部及北方地区，冬季室 外气温达到0 。c 以下后，常规热泵运行时室外热交换器容易结霜，随着外界气温的进一 步降低t 结霜加厚，会导致室外机无法正常工作，这就需要除霜装置和辅助加热设备， 从而大大增加成本，使运行非常不经济。而采用了变浓度容量调节的热泵系统却可以在 更低的环境温度下正常运行，从而可以减少能耗，提高系统运行的经济性。 其次，变浓度容量调节方式能够实现连续平稳的容量调节，与其他常规的容量调节 方式相比，其基本上不产生附加的能量损失，而且可以避免热泵系统的启停损失，减少 了能源浪费。 再次，热泵系统冷热源的工作流体一般为水或空气，其在蒸发器、冷凝器内与制冷 工质发生换热时，温度不会保持恒定。当采用纯质或近共沸混合工质时，系统不可能实 现近 诺循环，在换热器内冷热源与制冷工质之间会产生比较大的熵产。而非共沸混合 工质具有温度滑移的特性，在热交换设备中，可通过合适的配比实现逆流换热，使工质 4 浙江大学硕 ：学位论文洪 茹 第一章绪 论 一一 与热源温度相匹配，减少平均换热温差，达到用非共沸混合物实现劳伦兹循环的冯的， 从而可以减少可用能的损失，提高能源利用效率。 最后，在热泵系统中运用变浓度容量调节还可以提高热泵系统运行的季节能效比。 3 舒适性 随着人们生活水平的提高，人们对自身热环境的要求也越来越高，因此热泵空调系 统的舒适性也f 1 益受到广泛的重视。而采用变浓度容量调节的热泵系统可以提高系统的 舒适性，改善空气调节的品质，其主要体现在两个方面： 首先，采用常规定转速压缩机的空气源热泵系统，在冬季恶劣的低温环境下，常常 会因吸气压力过低而导致停机，使室内供热量减少，室温降低，从而影响了室内环境的 舒适性。采用变频压缩机尽管可以在一定的范围内调节系统的制热量，但仍不能克服因 吸气压力过低所带来的制热量下降等诸多的问题 1 2 , 1 3 】。而采用了混合工质变浓度容量调 节的热泵系统，则可以通过变浓度容量调节装置，增大系统中低沸点工质的比例，使系 统运行于正常的压力范围，并维持热泵系统的制热能力，从而满足房间的供热需求，确 保了室内环境的舒适性。 此外，采用了变浓度容量调节的热泵系统可以实现连续平稳的容量调节，从而可以 减少室温的波动，增强人体舒适性。 总之，变浓度容量调节既能让系统容量随外界环境温度的变化而变化，又能避免因 采用变频压缩机而带来的问题，使采用常规定转速压缩机实现系统大范围连续的容量调 节成为了一种可能，提高了热泵系统的适应性，为热泵系统的容量调节提供了一个新的 发展方向，而且因其兼具环保、节能和舒适性的优点，也为热泵空调系统实现节能与环 保开辟了广阔的前景。 1 2 国内外研究概况 1 2 1 目前常用的几种容量调节方法 一般说来，按照某种额定负荷设计的制冷热泵系统是具有一定的负荷调节能力的， 但在大多数情况下，这个调节能力远不能满足负荷随时间变动的要求。因此就提出了一 个很现实的问题，也就是如何使系统提供的负荷与外界变动的负荷相匹配，以及采用何 种控制方式来实现这一过程。早在2 0 世纪六十年代，就有人提出了热泵空调系统容量 调节的概念”，并且在七十年代得到了许多研究者的重视并加以研究，最终被作为一种 节能技术而被广泛地开发和应用。所谓“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。 制冷热泵系统是压缩机、节流机构和热交换器的串联组合。因而，使制冷热泵系统 浙江人- 硕十学位论文洪 妻 第一苹绪 论 一一 适应负荷及外部条件变化的调节，概括地说主要包括三个方面，即制冷剂流量调节、热 交换器( 冷凝器、蒸发器) 能力调节和压缩机能量调节。制冷剂流量调节是通过节流机 构改变向蒸发器的给液量；热交换器能力调节则表现为冷凝压力及蒸发压力的控制；压 缩村l 能量调节在于改变压缩机的实际产冷能力。这些调节既是为了满足实际的制冷、供 热的温度要求，也是为保证制冷热泵系统安全可靠工作所必需的。从系统总体出发，i - ： 诛= 方面的调节又是相互关联的。 1 2 1 1 制冷剂流量调节 制冷剂流量调节的目的是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体量，习惯上又被 称为蒸发器供液量调节。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。 1 2 1 2 热交换器能力调节 热交换器能力调节表现为冷凝压力调节和蒸发压力调节： ( 1 ) 冷凝压力调节 制冷装置运行时，冷凝压力参数变化会对机器性能产生如下影响：若冷凝压力偏高， 压缩机排气温度会上升；压缩比增大；制冷量减少；功耗增大。冷凝压力越高，上述不 利影响的程度越大。冷凝压力偏高主要见于夏季，这时应尽量降低冷凝压力，以保证机 器运行的经济性和可靠性。但是，冬季运行时，冷凝压力有可能会过低。过低的冷凝压 力又会给热力膨胀阀的工作带来麻烦：阀前后压力差太小，供液动力不足，使热力膨胀 阀能力下降很多；阀前液体很容易汽化，也严重影响热力膨胀阀的流通能力。此二者的 结果都会造成蒸发器缺液，机组制冷量大幅度下降。可见，制冷装置运行时，只允许冷 凝压力在合理的范围内波动，过高或过低都是不利的。因此，必须调节冷凝压力。对于 全年性运行的制冷装置而言，冷凝压力调节更是十分必要的。 冷凝器种类不同，冷凝压力调节的发法也不同。但不管何种冷凝器和用何种方法， 都是通过改变冷凝器的热交换能力来实现调节的。增强冷凝器的热交换能力，冷凝压力 将降低；抑制冷凝器的热交换能力，则冷凝压力降升高。对水冷式冷凝器，往往通过调 节冷却水的流量来控制冷凝压力，其可以用冷凝压力直接发信，也可由冷凝器的出水温 度间接发信，调节动作由水量调节阀来完成。而对风冷式冷凝器，则可以通过改变流过 冷凝器的有效风量来进行调节，其常用的方法有风机变转速和在冷凝器进风l q 或出风口 上设置阻风阀等。对于采用多台风机吹风的冷凝器，还可以通过改变风机的运行台数柬 进行调节。 ( 2 ) 蒸发压力调节 当外界条件和负荷改变时，会引起制冷系统的蒸发温度发生变化。若蒸发温度波动 剧烈，会使制冷温度( 冷库温度、载冷液温度等) 的控制精度受到影响。蒸发温度降低 6 浙江大学硕士学位论文洪 荽第一章绪 论 p 一一 会使冷库内空气的除湿作用增强，加剧冷藏食品的干耗损失。果蔬库、冷水器中，蒸发 温度更不宜太低，甭则会引起果蔬冻伤、冷水结冰冻破水管等危害。基于上述原因，必 须控制蒸发温度。另外，在一机多蒸发温度的制冷系统中，也只有控制每台蒸发器的温 度，j 有可能实现一台压缩机制冷系统的多蒸发温度运行。 蒸发温度的控制是通过调节蒸发压力为预定值来实现的。常用的调节蒸发压力的方 法是：在蒸发器出口管上安装蒸发压力调节阀，根据蒸发压力的变化调节阀门的开度， 即调节从蒸发器引出的制冷剂蒸汽流量。当蒸发压力降低时，使阀门开度变小，蒸发器 流出量减少，则压力回升；当蒸发压力升高时，使阀门开度变大，蒸发器流出量增多， 则抑制蒸发压力的升高。 1 2 1 3 压缩机能量调节 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。机器的制冷量与负荷之间的匹配情况可以从吸气压力的变化上反映出来。吸气压力 升高，表明负荷在增大；吸气压力下降，表明负荷在减小。所以，压缩机能量调节主要 以吸气压力为控制参数。 压缩机能量调节的方法很多，应针对装置的具体工作要求和压缩机配置情况而适当 选择。归纳起来，主要有以下几种能量调节方法： ( 1 ) 压缩机间歇运行调节 实质上，这种调节方式就是启、停控制的容量调节方法，它是采用双位调节系统给 出一系列不同间歇的矩形波式的输出负荷来满足连续变化的负荷要求。严格地讲，时削 输出负荷的波形并不是矩形波，因为任何系统在启动时都有一个稳定的过程，同样系统 在停机时也是如此。这种调节方式可以用在单台压缩机系统中，也可以使用在多台相同 或者不同的压缩机联合运行机组中。这种调节方式虽然简单易行，但缺点是会产生较大 启停损失和偏离工况损失。启停损失主要表现在开机后的2 5 分钟和停机后的一段时 间内，在开机后，系统需要重新分配制冷工质，达到新的系统平衡状态，同时电机的启 动负荷一般高出平均负荷好几倍，这都增强了系统的功耗；在关机以后，由于节流设备 仍然处于流通状态，在压差的作用下，冷凝器中的高温高压工质向蒸发器流动，这都伴 随着可用能的损失。偏离工况损失是指压缩机在部分负荷运行时其效率的下降以及节流 装置造成的过高的冷凝压力和过低的蒸发压力使得压缩机功耗增加所产生的损失。此 外，电机启动时还伴随有较大的电流冲击，不仅电能损失大，也影响了压缩机的使用寿 命。 ( 2 ) 压缩机变速调节 根据压缩机工作的原理，其制冷量与外部输气量成正比，而压缩机的输气量与其转 速成f 比，转速越高，制冷量越大。因此，只要改变压缩机的转速，就能相应地改变压 缩机的制冷量，实现压缩机的能量调节。根据压缩机外部动力装置的不同，转速调节可 浙江大学硕士学位论文洪 妻第一章绪 论 一一 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。 第一类调节主要运用于内燃机，如：柴油机、汽油机等。其调节的主要特点是速度 调节范罔大，并可实现无级调节。 第二类调节主要用于变速电动机，如电磁调速电动机、变极对数电动机。对于电磁 调速电动机，其主要特点是运行可靠、结构简单、价格便宜、控制线路简单、维修容易， 其缺点是低速效率低，高速特性软。只适用于容量较小的制冷机，目前主要用于风机水 泵的讽速。变极对数电动机调速方法属高速型调节方案，其优点是控制简单、初投资小、 维护方便，可分段起动、减速、可回馈电能、节能效果好；主要缺点是调速无法连续平 滑，只能是有级调速。 第三类调节主要是利用各种调速装置来实现电动机的速度调节。这种调速装置主要 有调压调速器和变频调速器。调压调速器是用于异步电机的一种调速装置，它具有装置 体积小、价格低、线路简单、维修方便的优点；缺点是低速运行时功率大、效率低、调 速特性软、调速范围小。而交流变频调速是8 0 年代迅速发展起来的一种新型电力传动 调速技术。其突出优点是节能、可实现无级调速，调节范围宽；但变频器较复杂，初投 资大，而且要求使用、维护、管理技术水平高。另外，对于替代r 2 2 的新混合工质制冷 系统，变频器控制问题的研究仍属空白，而变频系统的电磁兼容性问题也急待解决【1 3 】。 ( 3 ) 压缩机容积量调节 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。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。 气缸卸载是通过顶开机构，使吸气阀片在顶开时间里脱离阀座，从而让气缸无法实 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。因为顶开吸气润片的气缸虽 然不输气，但活塞连杆仍在运动，存在机械摩擦损失。气体虽没有被压缩，但随着活塞 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。 此外，涡轮压缩机也存在容积量控制。如c o p e l a n d 公司最先开发出的涡管调制技 术就是采用两步调制技术。它的原理是计量吸入流量，在满负荷操作时压缩机以1 0 0 的容量操作：而在非满负荷时以压缩机的6 5 容量进行操作f7 1 。 ( 4 ) 压缩机进排气侧流量旁通调节 这种装置主要用于没有能量调节装置的中小型压缩机。其调节原理是：若负荷下降 8 浙江人学硕士学位论文洪 岳 第一章绪论 时，吸气压力将降低。当低于能量调节阀的给定压力时，阀自动手 开，使部分高压冷剂 气体直接旁通到f 吸气管。同时，为了防止排气温度过高，所以需在储液器的出口和压缩 机吸，管之间装七注液阀。在排气温度超限时，注入一定量液态制冷剂，将排气温度控 制在允许的范围内。这样既能防止吸气压力进一步降低，又能使压缩机的净制冷量下降。 但从节能的角度来说，压缩杌对旁通的制冷帮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，一般不宜采用这种调节方法。 ( 5 ) 压缩机吸气压力控制调节 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，使压缩机实际吸入的制冷剂质量流量发生变化，从而改变系 统的制冷量。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1 1 5 。 近二十年来，随着混合工质在制冷热泵系统中的应用日益广泛，又为我们提供了一 种全新的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 利用混合工质本身的特性来达到改变系统容量的目的。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