（热能工程专业论文）涡旋压缩机闪发器热泵系统的理论分析与实验研究.pdf

摘要 摘要 经济器可以有效地改善空气源热泵在低温环境下制热性能和运行可靠性差 的问题。本文根据涡旋压缩机准二级压缩热泵系统的研究现状，采用理论分析和 实验验证相结合的方法，对涡旋压缩机闪发器热泵系统的性能进行了详细的研 究。 本文首先对涡旋压缩机闪发器热泵系统进行了详细的介绍。从准二级压缩热 泵系统涡旋压缩机的工作机理出发，考虑到压缩机增设补气口后，增加了一个补 气一压缩的过程。由于涡旋压缩机的补气过程持续时间很短，因此分析时可将补 气过程近似看作是绝热的。在补气过程中，压缩机工作腔的容积不断缩小，同时 由于补气作用又使工作腔内制冷荆质量持续增加，因此，压缩机的补气一压缩过 程实质上是一个在容积不断变化的变质量系统内进行的非稳定流动过程。根据此 特点建立了包含影响压缩机性能的主要因素且适用于闪发器热泵循环的数学模 型。在建立数学模型的基础上，进行了仿真模拟计算，分析了补气口的位置对闪 发器系统性能的影响，并得出了闪发器系统与普通单级压缩系统的最佳切换区 域。另外，当压缩机采用中间补气后，影响其压缩功的因素变得较为复杂，因此 电效率等系数的计算已不再满足原来提出的经验公式，补气压力的大小、补气口 的位置等因素都影响到这些系数的变化。本文在实验数据的基础上拟合出了适用 于闪发器热泵系统涡旋压缩机的电效率公式，为以后经济器的理论研究提供了参 考依据。 在理论分析的基础上，设计出涡旋压缩机闪发器热泵系统实验方案，对研制 的原型机进行了全面的动态性能测试。通过对实验结果的分析，验证和修正了理 论分析的结果和方法，分析闪发器热泵系统和过冷器热泵系统的性能差异，并明 确造成这两种系统性能差异的原因，弄清楚了闪发器热泵系统的内在规律。结果 表明：随着蒸发温度的降低，原型机的制热量有所减少，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：闪发器前节流系 统在低温工况下比过冷器系统和闪发器后节流系统可以更有效地提高空气源热 泵的低温制热性能，是寒冷地区用小型空气源热泵比较适宜采用的系统。 本研究有助于加快我国热泵行业的发展步伐，扩大空气源热泵的使用范围， 摘要 提高寒冷地区冬季采暖的能源利用效率，降低能源消费对环境带来的负面影响， 满足可持续发展的要求。 关键词：热泵闪发器过冷器涡旋压缩机 u a b s t r a c t a b s t r a c t e c o n o m i z e rc y c l ec a r le f f e c t i v e l yi m p r o v et h em a i nd e f i c i e n c i e so fc o n v e n t i o n a l a i r s o u r c eh e a tp u m ps u c ha sl o we f f i c i e n c ya n dp o o rr e l i a b i l i t yw h e nr u n n i n gi n c o n d i t i o n so fl o wa m b i e n tt e m p e r a t u r eb yi m p r o v i n gi t si n t e r n a lc o m p r e s s i o np r o c e s s i nt h i sp a p e r b a s e do nt h es t a t u si nq u oo fq u a s i t w os t a g eh e a tp u m ps y s t e m 、析出 s c r o l lc o m p r e s s o r , t h eh e a tp u m ps y s t e mw i t hf l a s h - t a n k c o u p l e dw i t h s c r o l l c o m p r e s s o ri sc o m p r e h e n s i v e l ya n a l y z e d ，a n dt h ee x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o nf o rt h e p r o t o t y p ei sp r e s e n t e d i nt h i sp a p e r , f i r s t l y , t h eh e a tp u m ps y s t e mw i t hf l a s h - t a n kc o u p l e d 州t hs c r o l l c o m p r e s s o ra n di t sw o r k i n gp r i n c i p l ew e r e i n t r o d u c e di nd e t a i l c o n s i d e r i n ga s u p p l e m e n t a r yi n l e ta d d e d ，t h u sap r o c e s so fs u p p l e m e n t i n g - c o m p r e s s i n gw a sa d d e d t h ep r o c e s so fs u p p l e m e n t i n g c o m p r e s s i n gw a su n s t e a d y f l o ww i t hm u l t i v a r i a t e c o m p r e s s i o np r o c e s st h a tq u a l i t yf l o wo fw o r k i n gm e d i u ma n dv o l u m eo fw o r k i n g c h a m b e rc o n t i n u o u s l yc h a n g e d b a s e do nt h i sc h a r a c t e r i s t i c ，t h em a t h e m a t i cm o d e l w a ss e tu p ，a n dt h em a i np e r f o r m a n c e sw e r ec a l c u l a t e db ye m u l a t i n ga n ds i m u l a t i n g f o rh e a tp u m ps y s t e mw i t hf l a s h - t a n kc o u p l e dw i t hs c r o l lc o m p r e s s o ru n d e rl o w t e m p e r a t u r ec o n d i t i o n s ，a n dw i t h a i do ft h er e s u l t sc a l c u l a t e d ，t h eo p t i m a l s w i t c h i n g - p o i n tb e t w e e no n e - s t a g es y s t e ma n dq u a s it w o s t a g es y s t e mw a sf o u n d a d d i t i o n a l l y , w h e ns u p p l e m e n t a r yi n l e tw a sa d d e do nt h es c r o l lc o m p r e s s o r , f a c t o r s a f f e c t i n ge l e c t r i cp o w e ri n p u tb e c a m ec o m p l e x ，t h e r e f o r e ，t h ec o e f f i c i e n t ss u c ha s e l e c t r i ce f f i c i e n c yh a dn o tm e tt ot h ee m p i r i c a lf o r m u l a , q u a n t i t yo fs u p p l e m e n ta n d t h ep o s i t i o no fs u p p l e m e n t a r yi n l e ta l la f f e c t e dt h e s ec o e f f i c i e n t s i nt h i sp a p e r , t h e c o r r e l a t i o no fe l e c t r i ce f f i c i e n c yw a sf i tb yl e a s ts q u a r em e t h o do nt h eb a s i so f m e a s u r e dd a t ao ft h eh e a tp u m pp r o t o t y p e w h i c hc a ns u p p l yr e f e r e n c e sf o r t h e o r e t i c a ls t u d yo f e c o n o m i z e ri nt h ef u t u r e b a s e do nt h e o r e t i c a la n a l y s i s ，t h ee x p e r i m e n t a lp r o j e c to fh e a tp u m ps y s t e mw i t h f l a s h - t a n ke c o n o m i z e rc o u p l e dw i ms c r o l lc o m p r e s s o rw a sd e v e l o p e d ，a n dt h e p r o t o t y p ew a sc o m p r e h e n s i v e l ye x p e r i m e n t e da n di t sb e h a v i o rw a sa n a l y z e db yt h e 1 1 i a b s t r a c t m e a s u r e dd a t a b yt h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dm e a s u r e dd a t a , e x p e r i m e n t a lr e s u l tw a s v e r i f i e da n dt h em e t h o do ft h e o r e t i c a la 1 1 a l y s i sw a sc o r r e c t e d i nt h i s p a p e r , t h e p e r f o r m a n c ed i f f e r e n c e sb e t w e e nf l a s h t a n kh e a tp u m ps y s t e ma n ds u b c o o l e rh e a t p u m ps y s t e mw e r ea n a l y z e d ，a ts a m et i m e ，t h er e a s o nf o rt h ed i f i e t c d c ew a sf o u n d e d f u r t h e r m o r e ，t h ei n h e r e ml a wo fh e a tp u m ps y s t e mw i t hf l a s h t a n ke c o n o m i z e r c o u p l e dw i t hs c r o l lc o m p r e s s o rw a sc o m p r e h e n d e d t h er e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tt h e h e a t i n gc a p a c i t y o ft h ep r o t o t y p ed e c r e a s e sw i t hd e c r e a s eo ft h e e v a p o r a t i n g t e m p e r a t u r e ，b u tt h ed e c r e a s i n gr a t ei sm u c hs l o w e rt h a nt h a to fc o n v e n t i o n a la i r s o u r c eh e a tp u m ps y s t e m ；t h ee l e c t r i cp o w e ri n p u ti n c r e a s e sw i t hd e c r e a s eo ft h e e v a p o r a t i n gt e m p e r a t u r e ，b u ti t si n c r e m e n ti sv e r ys m a l l ；t h eh e a tp u m ps y s t e mw i 也 f l a s h - t a n kc a ni m p r o v et h eh e a t i n gp e r f o r m a n c e sm o r ee f f i c i e n t l yt h a nt h es y s t e m w i t hs u b - c o o l e rc a nu n d e rl o wa m b i e n tt e m p e r a t u r ec o n d i t i o n s ，s oi ti sm u c hs u i t a b l e t ot h es m a l la i rs o u r c eh e a tp u m p t h i sr e s e a r c hw i l lq u i c k e nt h ed e v e l o p m e n tp a c e so fh e a tp u m pi n d u s t r i e s ，a n d e x p a n dt h ea p p l i c a t i o no fa i r - s o u r c eh e a tp u m p m e a n w h i l e ，i tw i l li n c r e a s et h e e f f i c i e n c yo fe n e r g ys o u r c e sa n dr e d u c et h e1 a e g a t i v ei m p a c to ft h ee n e r g ys o l i c e s c o n s u m p t i o no nt h ee n v i r o n m e n t , s oi tc a nm e e tt h er e q m r e m e n t so ft h es u s t a i n a b l e d e v e l o p m e n t k e yw o r d s ：h e a tp u m p ；f l a s h - t a n k ；s u b c o o l e r ；s c r o l lc o m p r e s s o r i v 独创性声明 本人声明所呈交的沦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4 i 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 2 , i k 大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我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浣明并表示了谢意。 签名： 型盒童 f 1 期： ! q ! i 生j 旦 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) 签名：耋鱼莛导师签名：望固丝r 期：竺! ：兰 第1 章引言 1 1 课题的背景和意义 第1 章引言 当今时代，能源问题已上升到国家的安全战略高度，并演变成敏感的国际政 治、经济和外交问题，甚至成为发动现代战争的根本目的。能源生产和消费所引 发的全球性环境问题更受到了世界各国的普遍关注。进入2 l 世纪，随着可持续 性发展理念的日益深入人心，以及煤炭等常规能源直接燃烧给环境所带来的负面 效应，如大气污染、酸雨和温室效应等的日益加剧，追切要求改善大气环境、提 高空气质量。因此开发高效、清洁的能源技术成为人们关注的焦点。 在全球的能量消耗中，建筑物能耗约占4 0 左右“3 。其中，用于建筑采暖的 能源消耗量占了主要部分。而在我国寒冷地区，建筑采暖长期以来大部分一直依 靠燃煤、燃油锅炉房来解决，不仅能源利用效率低，而且对大气造成了很大的污 染。近年来，由于我国建筑发展迅猛。我国现有集中采暖建筑面积达1 9 4 亿m 2 ( 占建筑采暖面积的6 8 ) ，据我国目前供暖技术水平、管理水平和年平均采暖 耗能水平( 2 4 k g m z y 标准煤) 测算，年耗煤总量达4 6 5 6 万t 标准煤( q = 1 8 4 0 w k g ) 。按我国目前建筑发展速度( 近1 亿m 2 年) ，建筑采暖耗煤量也将大 为增加。因此随着我国经济的迅速发展和人们生活水平的不断提高，人们对自 身居住环境和热舒适的要求也日益提高。建筑采暖在经济发达和人口稠密的都市 目前已成为冬季头号的耗能和污染大户，在这种背景下，对满足可持续发展的洁 净建筑采暖技术的研究尤为迫切。 目前，国内的主要采暖方式为：以燃料为热源的供暖方式、电热供暖方式和 热泵采暖方式。 ( 1 ) 以燃料为热源的供暖方式 a 燃煤集中采暖是我国北方寒冷地区采用的最主要的采暖方式。这神采暖 方式具有建设速度快，技术要求低，运行费用也相对较低等特点，而且在我国积 累了大量的建设和运行管理的经验。其主要问题在于燃烧产生大量的c 0 ：、s o z 、 n o ；以及粉尘等有害物，严重污染空气质量，对人类的身体健康造成了危害。同 时，集中供热采暖方式由于外网管道设计、施工等原因，楼与楼之间、户与户之 北京工业大学工学硕士学位论文 间甚至每个房间之间，热度是不一样，还有因为供热距离产生的热损耗，浪费了 大量的热能。另外，供热计量困难和无法满足用户按需供暖也成为集中采暖不得 不解决的问题。 b 燃气采暖是指以单户家庭作为采暖主体的独立采暖系统。这种采暖方式 足以天然气，液化石油气和人工煤气为燃料，在我国是一种全新的采暖方式。燃 气具有清洁、方便、高热能等优点。这种采暖方式可以实现自主调节，解决集中 供暖热计量困难的问题。但这种采暖方式运行费用较高。 ( 2 ) 电热供暖方式 电热采暖的供热方式主要包括；分散式直接用电采暖、电热膜采暖、电热地 板辐射等形式。这种采暖方式的主要特点在于使用热阻效应将电能转化为同量的 热能用于采暖。此方式具有使用方便、灵活和易于实现自动化等优点。尽管电采 暖不直接耗用煤、天然气和水等一次能源，而供热过程也不直接造成环境污染， 运行费用低但是用电采暖是直接将高品位电能转化为低品位的热能，所以一次 能源利用效率低。 ( 3 ) 热泵采暖方式 热泵采暖主要是指以电作为动力，利用热泵原理吸收室外空气中的热量， 通过压缩机驱动，推动制冷剂循环，将热量从低温环境送到高温环境，达到制热 的目的。这种采暖方式具有电采暖和燃气分散采暖的所有优点，极少污染，便于 控制等，同时它的另外一个完全不同于其他采暖方式的优点是所获得的热量要远 大于主动输入的能量。 从以上的分析可以看出，热泵采暖是新型的满足可持续发展的采暖方式， 也将会是未来建筑采暖方式的优先选择方式。热泵作为一种节能技术受到了世界 各国的普遍重视，而空气源热泵可从环境大气中吸取丰富的低品位能量，使用便 利，因此空气源热泵成为热泵诸多型式中应用最为广泛的一种0 3 。但是，空气源 热泵的应用范围受到了气候条件的约束，在热泵技术较为领先的日本曾有“采暖 度日数h d d 3 ，0 0 0 ”的推荐使用标准，在我国使用范围曾一度被划定在长江中 下游地区，目前指导工程设计的各种文献将冬季室外计算温度t w = 一3 c 定做热泵 使用的最低线“1 。因此，传统的空气源热泵如果不加任何改进就应用于黄河流域、 华北等寒冷地区，它将无法在冬季正常运行：系统的制热量随着室外环境温度的 第1 章引言 下降而迅速下降，而需热量却随着室外环境温度的下降而迅速上升，当室外温度 很低时，系统的制热量将小到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，压缩机的压力比会越来越大，导致机组制热c o p 急剧下 降、排气温度不断升高，长期运行必然会严重损坏压缩机，而且还会使人们产生 空气源热泵不能在寒冷地区使用的误区。在能量利用效率和温室效应受到世界各 国普遍关注的时代，我们有理由相信热泵技术的应用范围将会得到更大的扩展。 鉴于传统的空气源热泵在低温环境下制热性能和运行可靠性差的问题，因此国际 上将低温空气源热泵技术列入2 1 世纪很有发展前途的5 0 项技术之一“1 。 低温空气源热泵技术的核心就是使机组能够在压力比变化范围比较大的工 况下运行。当然，如果只是为了解决空气源热泵在低温环境下制热性能和运行可 靠性差的问题，可以采用高压比的压缩机或者双级压缩系统，然而系统在较高的 环境温度下制热运行时的系统能效以及制冷运行时的系统能效将大为降低，由于 环境温度特别低的情况持续时间般较短，因而系统的整体经济性变得非常差。 如何兼顾机组在正常的制冷制热以及低温制热工况下运行时的经济性和可靠 性，即机组既能保证在室外环境温度相对较高工况下的性能系数，同时当室外环 境温度较低时仍然能长期、安全可靠运行，是本课题研究的主要目的。 1 2 空气源热泵在低温条件下制热能力衰减的原因分析 导致空气源热泵供热出力衰减的原因可归纳为“原理性因素? 与“非原理性 因素”两大类“，本文提出这两个概念是为了在针对各因素寻求改善措施时有明 晰的方向。 1 2 1 原理性因素 所谓原理性因素，是指把变化条件( 室外气温降低) 放到理想的热泵循环中来 考虑仍会产生相应结果( 供热出力下降) 的因素。由理想热泵循环制热系数e = t h ( t h - t 1 ) 知，t h ( 高温热源温度) 的升高、t l ( 低温热源温度) 的降低都会导致 e 减小，可见在室外气温下降时热泵的工作原理就决定了工作性能会有所下降。 当然具体到实际的热泵，实际的c o p 值还受其它因素的影响，为了挖掘空气源热 北京工业大学工学硕士学位论文 泵的节能潜力，必须设法使实际的c o p 更加接近理想的e ( 室外气温越低，阻碍c o p 接近e 的因素越多，在寻求改善措施时人们立足于减小这些因素的影响，而不是 要使低温条件下的c o p 更高) ，提高热泵系统热力完善度。 1 2 2 非原理性因素 凡是理想循环没有决定其必然性的导致热泵制热能力衰减的因素均称作非 原理性因素。改善空气源热泵低温制热能力的关键在于针对非原理性因素提出技 术上可行，经济上允许的改进措施。 a 蒸发温度下降，蒸发压力下降以及由此而致的制冷剂流量减少、压缩比增 大，系统压缩过程严重偏离正常压缩过程，导致机组排气温度急剧上升，压缩功 耗减小。这些因素可在原理方面归因于低温热源温度降低，但从系统方面可在蒸 发器吸热环节、压缩机工作性能方面寻求改进。 b 低温环境下的结霜问题。在室外气温低的条件下，热泵工作在较低的蒸发 温度下，蒸发器肋片表面温度低于o ，在空气相对湿度较高时结霜问题变得突 出。霜层积聚显然会恶化蒸发器的换热过程，如果不能及时有效地除霜，系统会 保护性停机。 c 系统静态设计导致低温工况下节流元件严重不匹配。所谓静态设计指在产 品设计时按照标准的制冷、制热工况来选取部件，而系统在运行条件发生变化时 缺乏相应的调节机制，使得系统偏离设计工况运行，性能低下。 1 3 国内外低温空气源热泵系统型式的发展现状与进展 为了解决空气源热泵在低温环境下制热性能不足的问题，针对导致其在低温 条件下制热能力衰减的原因，相继提出了各种解决的办法： 1 3 1 采用非共沸工质 开利公司研制出两种类型的使用非共沸工质的带精馏塔的空气源熟泵系统 。“1 ，如图卜l 所示。随着环境温度的变化可以改变参加循环的制冷剂组分，在 低温环境温度下制热运行时可以通过精馏塔除去混合物中大部分低压力组分，把 制冷剂改成更具有挥发性的混合物，室外温度较高时让这部分低压组分的制冷剂 第1 章引言 参与循环，从而有效的扩大了系统的工作范围，使机组在各个工况下的经济性均 可得到极好兼顾。此系统型式复杂，采用此技术的障碍是如何根据实际状况确定 制冷剂的组成、充灌量，如何解决制冷剂的泄漏速度差异对系统热力性能的影响。 图i - i - a 变量热泵制冷剂的蒸发分离 f i g 1 1 - ae v a p o r a t i n gs e p a r a t i o no f r e f r i g e r a n ti nv a r i a b l eh e a tp u m p 匿 薅 阢 图l - 1 b 可变制冷剂、级内压缀热泵 f i g 1 一l - b c o m p r e s s i n g h e a t p u m p w i t h r e f r i g e r a n t v a r y i n g 1 3 2 采用变频技术 随着变频技术在空调器行业的应用。推出了变频低温空气源热泵，在低温环 境下工作时，通过采用变频技术提高压缩机转速来增加机组的循环工质流量来提 高制热量，此时考虑到涡旋压缩机必然会产生高排气温度，为此系统采取了在低 温工况下投用喷液旁路循环的保护措施“h ，在涡旋压缩机的压缩腔中直接喷入 从冷凝器来的液体制冷剂。但该方案只是解决了空气源热泵在低温工况下的运行 北京工业大学工学硕士学位论文 可靠性问题，而不能保证低温工况下的经济性，总体上讲此时系统的c o p 下降幅 度是非常大的，随着转速的增加还会相应带来噪声的增加、对压缩机制造工艺要 求的提高，此外系统高频运行时的回油问题、电磁兼容问题以及昂贵的变频器价 格都是这一方案大规模推广的一个障碍。 1 3 3 采用辅助加热器 通过采用辅助加热器来提高机组的蒸发温度，解决由于蒸发温度过低和外压 缩比过大而造成的系统制冷荆循环量不足以及欠压缩问题，改善机组的运行环 境。日本k a t s u j iy a m a g a m i 提出利用燃油、燃气燃烧器辅助加热的热泵空调器来 解决低温工况下制热性能差的问题，如图卜2 所示0 1 。在这个系统中燃气、燃油 加热的工作方式主要有两种：在供暖时停止热泵系统运行，仅启动送风系统，依 靠燃料在空调器中的燃烧器中燃烧，加热流过的空气，从而送出暖风：在供暖时 热泵系统仍然运行，室外机组内的燃气、燃油加热器加热室外蒸发器，制冷剂将 吸收到的热量以及压缩机所傲的功一并带到室内。这一系统型式较为复杂，燃油 系统需要配备储油罐等辅助设施，因此基于安全性的考虑，同时系统冬季运行燃 烧器投运时，系统获取的是有代价的热源，且也不是百分之百的能够得到利用， 其应用前景并不令人看好。 室 内 热 交 换 嚣 图i - 2 燃油、燃气辅动加热热泵空调 室 外 热 交 换 嚣 f i g a - 2h e a tp u m pf o r a i r c o n d i t i o n i n gw i t hk e r o s e n e - f i r e db u m e r 1 3 4 采用带双压缩机的双级压缩系统 哈尔滨建筑科技大学马最良提出采用空气源热泵与水一水热泵或水一空气 热泵组成耦合的双级热泵供暖系统来解决在寒冷地区低温制热时热泵性能恶化 6 第1 苹；i 言 问题“。在冬季，用放置在室外的空气源热泵冷热水机组制备1 0 2 0 。c 的温水， 通过水环路送至室内的水一空气热泵或水一水热泵系统从水中提取热量，以求达 到供暖目的。整个系统通过水回路将空气源热泵和水源热泵组成耦合的双级热泵 供暖系统。采用这种系统结构的主要问题在于极大的增加了系统的投资，同时， 低温工况到正常工况之间的连续转化问题是它依然面对的难题。 1 3 5 采用经济器系统 国内在8 0 年代中期就有学者提出了带经济器的准二级压缩系统，并在螺杆机 组中得到成功应用“”1 ”3 。研究指出这种系统在低温工况下的节能效果显著，在 - 3 0 。c 的工况下，该系统完全可以取代双级压缩系统。但是由于螺杆机组容量一 般较大，同时这种系统相对于双级压缩系统的优点随着蒸发温度的上升将逐渐趋 于下降，因而这种准二级压缩的研究长期以来一直局限于低温制热的情况，其制 冷工况的可行性一直未能得到足够的关注。 文献“3 j 提出利用带辅助进气口的涡旋压缩机实现带经济器的准二级压缩空 气源热泵系统来提高空气源热泵在低温工况下的制热性能( 如图卜3 所示) ，并 研制出原型机，通过全面的实验研究发现：原型机能够在一1 5 的低温环境中稳 定可靠运行，具有足够的制热量，能够满足低温环境的采暖要求。 压缩机 冷 凝 器 蒸 发 器 膨胀阀b ( a ) 流程图( b ) 循环图 图1 3 带辅助进气口的低温空气源热泵系统示意圈 f i g 1 3a i r - s o u r c eh e a tp u m ps y s t e mw i t hs u p p l e m e n t a r yi n l e t 带辅助进气口的涡旋压缩机排出的高温、高压的制冷剂气体，经冷凝器将热 量传递给水后变为液体，升温后的水用于采暖或者作为生活热水。冷凝器出来后 北京工业大学工学硕士学位论文 的高压制冷剂分为两路：主回路为制冷回路、辅助回路为补气回路。辅助回路的 制冷剂液体经膨胀阀b 节流降压后变为低压气、液混合物并与来自主回路的温度 较高的制冷剂液体发生热交换。辅助回路的制冷剂液体变为气体后通过压缩机的 辅助进气1 3 喷入压缩机工作腔，主回路的制冷剂得到过冷却，这部分过冷的制冷 剂依次经过膨胀阀a 后进入蒸发器。在蒸发器中，主回路的制冷剂吸收低温环境 中的热量而变为低压气体进入压缩机吸气腔，经过压缩机的一段内部压缩后，主、 辅回路的制冷剂在压缩机工作腔中混合，然后随着工作腔的转动这两部分制冷剂 一边压缩一边混合直至混合过程结束，混合后的制冷剂经压缩机进一步压缩后排 出压缩机，至此形成一个完整的封闭循环。 与传统的空气源热泵机组相比，该类型的机组有以下几个特点： a 涡旋压缩机带有辅助进气口，主、辅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却，同时经过系统的冷凝器的制冷剂流量也有所增加， 因而和常规系统相比，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，系统在极限工况下的安全性会有所改进。 b 如果切断辅助回路上的截止阀，该机组按照常规系统的循环模式工作，和 普通的单级压缩空气源热泵没有区别：如果辅助回路上的截止阀打开，辅助回路 投入运行，那么机组按照准二级压缩热泵模式进行工作，这样我们可以根据实际 情况的需要，选择系统按照常规模式运行或者按照准二级模式运行，使系统在正 常的制热脯0 冷以及低温制热工况下的经济性均可较好兼顾。 衡量改进方案经济有效的标准就是：系统的结构简单、易于实施；系统在较 低环境温度时能够安全、稳定、可靠的运行，制热量能够满足需热量的要求；在 较高的环境温度时仍然有较高的性能系数。综合比较以上几种改善空气源热泵低 温制热性能的措旅，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，且通过辅助回路上截止阀的开启关闭，可 以根据实际情况在准二级压缩模式和单级压缩模式之间切换，使系统在正常的制 热制冷以及低温制热工况下的经济性均可较好兼顾，因此，带经济器的准二级 压缩空气源热泵系统是目前较为经济、有效的改善措旌“。 经济器系统有闪发器和过冷器两种基本型式。在文献“”中作者进行了大型风 8 第1 苹引言 冷热泵冷热水机组螺杆压缩机经济器运行的实验研究，对比了换热器式经济器与 闪蒸式经济器的特点，得出结论：采用经济器运行有助于提高风冷热泵的运行效 果，而闪蒸式经济器的效果更好。纵观国内外研究结果，由于目前对准二级压缩 热泵系统性能的研究主要集中在过冷器准二级压缩热泵系统上，而对闪发器准二 级压缩热泵系统没有过多的研究。因此本文主要在过冷器准二级压缩热泵系统的 基础上，对涡旋压缩机闪发器热泵系统的性能进行了详细的研究。 1 4 国内外准二级压缩循环理论研究的文献综述 对于准二级压缩循环的理论研究，重点首先应该集中于压缩机补气一压缩热 力过程的研究。对于不含中间补气的压缩机而言，压缩过程可以简单概括为一个 多变压缩过程。但是当压缩机增设补气口后，增加了一个补气一压缩的过程，使 其压缩过程变得比较复杂。由于涡旋压缩机的补气过程持续时间很短，因此分析 时可将补气过程近似看作是绝热的。在补气过程中，压缩机工作腔的容积不断缩 小，同时由于补气作用又使工作腔内制冷剂质量持续增加，因此，压缩机的补气 一压缩过程实质上是一个在容积不断变化的变质量系统内进行的非稳定流动过 程，即为一包含时间因素的动态过程。 1 ) 在文献【16 】中前苏联学者a b b m k o b 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，由此得到了反映该循环主要特征的一些数学模型。 2 ) 在文献【1 7 】中国内学者邬志敏将理想气体状态方程以及等熵压缩过程方程 引入到中间补气过程的能量平衡方程。但是该文没有考虑补气过程压缩机工作腔 容积变化的问题，而是简单的用一个等容混合一绝热增压过程来分析这一实际容 积变化较大，补气过程持续时间较长的补气混合过程，此外，该文推导出的补气 量的计算公式也存在一定的问题，将补气量简单的正比与辅助回路的压力与开始 混合式工作腔中的压力。 3 ) 在文献【1 8 l 中比较详细地考虑了补气过程的容积变化较大的特点以及压缩 机泄漏、喷油以及油的导热等影响因素对系统制冷性能的影响，分析了不同制冷 工质、压缩机转速、补气孔口大小等因素对系统制冷量和制冷系数等的影响，得 9 北京工业大学工学硕士学位论文 到了准二级压缩制冷系统的性能变化以及准二级压缩制冷系统设计时应该注意 的事项。但该研究的主要不足之处是：文章未考虑过压缩、欠压缩这个在经济器 系统中起至关重要影响的因素的分析；另外，文章的分析只集中于系统的制冷性 能，而对于准二级压缩系统的制热性能如何变化没有涉及【i 9 】。 4 ) 在文献1 13 】中作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，并以过冷器型经 济器系统为基础，设计和研制出了寒冷地区用空调机组的工作系统的原型机，通 过全面的实验研究发现：原型机能够在一1 5 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。在文献【z o 】中还提到采用涡旋压缩 机经济器系统的意图不同，其适宜的设计参数和方案也不同：若意图是为了增加 制冷量和提高系统的性能系数，那么相对补气压力的适宜值约为1 2 ；若意图是 为了增加制热量和降低排气温度，则应选用较高的补气压力。 5 ) 在文献1 2 1 l 中作者详细分析了涡旋压缩机准二级压缩热泵系统压缩机的工 作过程，并以辅助回路节流元件为热力膨胀阀的情况对涡旋压缩机准二级压缩热 泵系统的性能进行了理论分析，推导出了最优的辅助进气口位嚣。以及系统在辅 助进气1 3 位置为最优的情况下的系统制热、制冷性能，同时还考虑了补气口大小、 类型和辅助回路节流元件的类型等一些因素对准二级压缩热泵性能的影响。作者 在理论分析的基础上并进行了实验验证，从而得出结论：准二级压缩热泵系统制 热模式下的制热量和制冷模式下的制冷量均比单级压缩热泵系统高；在大部分制 热模式下运行时准二级热泵系统的能效要比单级压缩热泵系统好，且随着环境温 度的降低，制热量和制热效率改进的幅度有所增加，然而在大部分制冷模式下准 二级热泵系统的能效则比常规系统略差；对于涡旋压缩机准二级压缩热泵，其最 优的辅助进气口位置位于吸气腔刚刚闭合时第2 - 1 - 作腔的起始段；压缩机辅助进 气口的大小对准二级压缩热泵经济器系统的热力性能影响小。 要想准确揭示准二级压缩热泵系统工作过程的实质，必须从涡旋压缩机的 工作机理出发建立相应的数学模型。对于准二级压缩热泵系统，由于补气一压缩 过程是一个十分复杂的过程，不能简单的简化为稳定流动的绝热压缩过程，并且 补气压力的大小、补气1 3 的位置等因素对系统的性能有着很大的影响。另外，涡 l o 第1 苹引言 旋压缩机是一个具有固定内容积比的压缩机，因而只有在设计工况下其压缩过程 才不会发生过压缩或欠压缩。综合分析以上建立的准二级压缩模型可以发现存在 许多问题和不足，因此建立包含影响压缩机性能的主要因素且适用于准二级压缩 系统的数学模型是一项具有实际意义的工作。 1 5 本文的研究思路与主要工作 根据涡旋压缩机准二级压缩热泵系统的研究现状，本文在过冷器型经济器热 泵系统研究的基础上，采用理论分析和实验验证相结合的方法，对涡旋压缩机闪 发器热泵系统的性能进行了详细的研究。本课题的研究思路主要如下： ( 1 ) 从准二级压缩热泵系统涡旋压缩机的工作机理出发，考虑到压缩机补 气过程时间较短、容积变化较大的特点，此外，再考虑到补气压力差，补气孔口 通道面积不断变化，因此，压缩机的补气一压缩过程实质上是一个在容积不断变 化的变质量系统内进行的非稳定流动过程，即为一包含时间因素的动态过程。据 此建立包含影响压缩机性能的主要因素且适用于闪发器热泵系统的数学模型。 ( 2 ) 根据所建立的数学模型，对闪发器热泵系统进行仿真模拟计算，分析 了补气口的位置对闪发器系统性能的影响，并得出了闪发器系统与单级压缩系统 的最佳切换区域。 ( 3 ) 在实验数据基础之上，拟舍出适用于闪发器热泵系统涡旋压缩机的电 效率公式，为以后经济器的理论研究提供参考依据。 ( 4 ) 在理论分析的基础上，设计出涡旋压缩机闪发器热泵系统实验方案， 进行一系列原型机随流程型式、补气因素改变的动态性能测试，通过对实验结果 的分析，验证理论分析的结果和修正理论分析的方法，分析闪发器热泵系统和过 冷器热泵系统的性能差异，并明确造成这两种系统性能差异的原因，弄清楚涡旋 压缩机闪发器热泵系统的内在规律。 本研究有助于加快我国热泵行业的发展步伐，扩大热泵使用的地域范围，提 高寒冷地区冬季采暖的能源利用效率，降低能源消费对环境带来的负面影响。 本章小结 本章首先分析了进行空气源热泵低温制热性能研究的背景和意义以及造成 北京工业大学工学硕士学位论文 空气源热泵在低温环境下制热能力衰减的原因，介绍了国内外相继提出的各种解 决空气源热泵低温制热性能差的方法，通过综合的比较，得出带经济器的准二级 压缩空气源热泵系统是目前较为经济、有效的改善措施。最后介绍了国内外学者 在准二级压缩循环方面已有的理论研究，指出了这些理论研究存在的一些问题或 不足，提出了本文的研究思路与主要工作。 第2 章闪发器热泵系统的理论分析 第2 章闪发器热泵系统的理论分析 与常规的空气源热泵系统相比，无论是闪发器系统还是过冷器系统，增设经 济器后，由于补气回路的存在使得流过冷凝器的制冷剂流量增加，可以增加系统 的制热量但是我们关心的不仅仅是系统的制热量，而更加关心的是系统的制热 c o p 。和准二级压缩系统的性能直接相关的因素有补气口的位置和补气压力的大 小等因素另外，随着蒸发温度的上升，补气所带来的效果将逐渐趋于下降。而 通过补气回路上截止阀的开启关闭，可以根据实际情况在准二级压缩模式和单 级压缩模式之间切换，使系统在正常的制热脯0 冷和低温制热工况下的经济性和 可靠性均可较好的兼顾。因此本章理论分析了补气口的位置对闪发器系统性能的 影响，得出了闪发器系统和单级压缩系统的最佳切换点。 对于不含中间补气的压缩机电功率的传统计算方法是采用由等熵压缩过程 的焓差除以电效率，而电效率的获得可采用经验公式的计算方法。但当压缩机增 设补气口后，增加了一个补气一压缩过程，影响其压缩功的因素变得较为复杂， 因此电效率等系数的计算也不再满足原来提出的经验公式，补气压力的大小、补 气口的位置等因素都影响到这些系数的变化，该如何确定设有补气口的涡旋压缩 机的电效率，这些问题也是本章的理论分析所要解决的。 2 1 经济器系统的基本型式 2 1 1 闪发嚣( f i a s h t a n k ) 系统 带闪发器的空气源热泵系统可分为闪发器前节流系统和闪发器后节流系统。 当中间补气压力的大小是靠调节闪发器前节流膨胀阀的开度来实现时为闪发器 前节流系统，靠调节闪发器后( 即补气回路上) 节流膨胀阀的开度来实现时为闪 发器后节流系统。 闪发器前节流的空气源热泵系统如图2 1 所示，该系统采用带辅助进气口的 涡旋压缩机。涡旋压缩机排出的高温、高压制冷剂气体( 3 点) ，经冷凝器将热量 传递给载热介质后变为液体( 4 点) ，升温后的载热介质可用于采暖或其它用途。 从冷凝器出来的高压制冷剂液体经膨胀阀a 节流到某一压力变为汽液混合物( 4 北京工业大学工学硕士学位论文 点) 后进入闪发器，在闪发器中，处于上部的闪发蒸气通过辅助进气口( 6 点) 被压缩机吸入，此回路称为辅路：蒸气的不断闪发致使闪发器下部的液体过冷， 过冷后的液体( 5 点) 再经膨胀阀b 节流到蒸发压力( 5 点) 后进入蒸发器，此回 路称为主路。在蒸发器内，主路的制冷剂吸收低温环境中的热量而变为低压气体 通过吸气口( 1 点) 被压缩机吸入，压缩到一定压力后( 2 点) 和辅路吸入的制冷剂( 6 点) 在压缩机工作腔内混合( 2 。点) ，再进一步压缩后排出压缩机外( 3 点) ，从而 构成了封闭的工作循环。 压缩机 冷