（制冷及低温工程专业论文）变浓度容量调节热泵的实验研究.pdf

， ， i i 浙江大学硕士学位论文 变浓度容量调节热泵的实验研究 丛海营 ( 浙江大学制冷及低温研究所，中国杭州) 摘要 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。本文从实 验方面研究了一种新的变浓度热泵系统，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及国内外研究现状，在传统混 合工质变浓度容量调节系统的基础上，研究了在系统高压侧安装变浓度装置的变 容量调节系统。 2 搭建了新型变浓度容量调节热泵系统实验台，研究了采用r 3 2 瓜1 3 4 a 为工 质时变浓度热泵系统的实际运行效果。 3 讨论了p d 控制的原理和算法，并在理论的基础上实现了实验台冷凝器进 水温度和蒸发器制冷剂侧出口温度的自动控制。 关键词：混合工质、交浓度、容量调节、p i d 自动控制 h ( 怎 一 r ， ， 浙江大学顾十学位论文 e x p e r i m e n t a ls t u d y o n c a p a c i t yc o n t r o l o f ah e a tp u m p s y s t e mb yc h a n g i n g t h e c o m p o s i t i o n o f r e f r i g e r a n t m i x t u r e s c o n gh a i y i n g 仍倒m 如o f 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 f f , h a n s z l m u ，3 1 0 0 2 7 ) a b s t r a c t t h ec a p a c i t yc o n t r o lb yc h a n g i n gt h ec o m p o s i t i o no fr e f r i g e r a n tm i x t u r e sc a nb e d e f i n e da st h em o d u l a t i o no fc o o l i n go r h e a t i n gc a p a c i t yo f as y s t e mt h r o u g h c h a n g i n gt h ec o m p o s i t i o no ft h em i x t u mr e f r i g e r a n t s i nt h es y s t e ma c c o r d i n gt o c h a r a c t e r i s t i c so ft h ez c o t r o p i cm i x t u r e s ag o o dm o d u l a t i o ne f f e c tc o u l db eo b t a i n e d t h r o u g ht h i sm e t h o di nc o m p a r i s o nw i t ho t h e rc a p a c i t yr e g u l a t i o nm e t h o d s t bb e s p e c i f i c , a d d i t i o n a le n e r g yc o n s u m p t i o nb e s i d e sm a n yp r o b l e m ss 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 , r e f r i g e r a n tl e a k a g e e c t c a l lb ea v o i d e d s oi th a sap r o m i s i n g a p p l i c a t i o nf u t u r e t h i st h e s i ss t u d i e se x p e r i m e n t a l l yo nt h ep e r f o r m a n c eo fan o v e l v a r i a b l ec o m p o s i t i o nh e a tp u m ps y s t e m t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： 1 t h ed e v e l o p m e n ta n dr e c e n ts t a t u so fc a p a c i t yc o n t r o lb yc h a n g i n gt h e c o m p o s i t i o no fr e f r i g e r a n tm i x t u r e sa th o m ea n da b r o a da r eb r i e f l yr 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 ，an o v e lc a p a c i t yc o n t r o lh e a tp u m ps y s t e mw a sr e s e a r c h e d , i n w 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 eh i g hp r e s s u r es e c t i o no ft h ec y c l e 2 a ne x p e r i m e n ta p p a r a t u sf o rt h i sn o v e lc a p a c i t yc o n t r o lh e a tp u m pi sb u i l tu p t h eo p e r a t i o np e r f o r m a n c eo ft h es y s t e mi si n v e s t i g a t e d 部i n gr 3 2 瓜1 3 4 am i x t u r e sa s r e f r i g e r a n ti nt h es y s t e m 3 t h ep i da u t o m a t i cc o n t r o lp r i n c i p l e sa n da l g o r i t h m sa r ed i s c u s s e d b a s e do n t h et h e o r y , t h ea u t o m a t i cc o n t r o lo ft h et e m p e r a t u r e so fi n l e tw a t e rt oc o n d e n s e ra n d o u t l e tr e f r i g e r a n tf r o me v a p o r a t o ri sa c h i e v e & k e y w o r d s ：r e f r i g e r a n tm i x t u r e ；v a r i a b l ec o m p o s i t i o n ；c a p a c i t yc o n t r o l ；p i d a u t o m a t i cc o n t r o l 0 j 学号2 q 璺q 墨2 兰q 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豹研究成果，也不包含为获得迸姿盘鲎或其他教育机 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谢意。 学位论文作者签名：丛，海曹 签字日期： 年厂月乃目 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解迸鎏盘堂有关保留、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。本人授权堂姿盘堂可以将学位论文的全郝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) 学位论文作者签名：钛毒逢 签字目期：么。磊年踊死 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话 邮编 导师张殍嬲 签字日期：二剃年6 月即日 浙江大学硕七学位论文 第一章绪论 本章简要介绍了本文的研究背景和意义，然后对变容量方式和近年来国 内外混合工质变浓度容量调节热泵系统的研究状况进行了归类分析，最后介绍了 本文的主要研究内容。 1 1 研究背景及意义 2 1 世纪国民经济可持续性发展的两个重大的课题是节能和环保。随着经济 的飞速发展，世界能源形势越来越严峻，全世界都在致力于低能耗、低污染和新 能源技术的研究与应用。近年来，我国的经济发展迅速，人民的生活水平不断提 高，对住宅和办公环境的舒适性要求越来越高，热泵空调作为改善室内舒适度的 必备工具，正广泛使用在各种建筑物中，随之而来的能源和环保问题日益突出， 于是热泵空调设备的节能性和环保性成为世界普遍关注的热点问题。 1 1 1 热泵技术的研究背景 热泵是把处于低温部分的热能输送到高温部分的设备。其工作原理和制冷机 相同，都是从低温热源吸取热量并向高温热源排放，同时消耗一定的能量。早在 1 8 世纪初热泵就己出现，由于热泵具有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中的热量，有效减少了输入能，因而可以节省空调、 采暖、供热水等所需的高品味能源，有广阔的发展前景。许多国家把推广应用热 泵作为减少c 0 2 排放的一种有效手段。美、日、西欧等国是热泵发展和应用的 主要国家，他们占领了绝大部分的热泵市场。目前全世界热泵总数大约有5 5 0 0 万台( 其中日本4 0 0 0 万台，美国9 0 0 万台) 【1 1 。从1 9 9 2 年起，世界热泵使用量以 每年1 5 的速度增长，热泵承担着总供热量的6 的份额，在美国该比例约为 8 4 ，而在日本该比例则高达2 8 6 。这些热泵中，大多数用于房屋采暖空调， 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适合热泵采暖1 2 l 。我国黄河、长江流域的 广大地区夏季需要制冷，冬季需要供暖，这促进了空调向冷热两用的方向发展。 目前，我国热泵型空调已经占有相当大的比例。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 浙江大学硕 学位论文 济发展，提高能源利用效率，节约能源，保护环境，实现人类与自然和谐发展具 有重大意义。 1 1 2 空气源热泵使用中的主要问题 目前用于住宅和商务楼宇的热泵系统尤其是空气源热泵系统，大多都是电力 驱动的，其在运行性能上存在着两方面的局限：一方面，在冬季时，当环境温度 接近0 1 2 时，蒸发器易结霜，这样融霜时容易影响室内环境的舒适性并增加了额 外损失：另一方面，在较低温度环境下，热泵没有充足的制热量，这样必须利用 补充热源。图1 1 给出了典型的建筑物热负荷和热泵容量变化随室外温度的变化 情况t 3 1 。在平衡点附近，制热量和建筑负荷相等；当环境温度高于平衡点温度时， 热泵制热量过剩；当低于平衡点温度时，热泵制热量下降，就必须使用补充能源， 这必然会导致效率降低。 室外叠度 c 图1 1 建筑物热负荷与热泵容量变化的关系 在寒冷地区，冬季采暖期长且气温低，根据气象资料1 4 】，如推广使用空气源 热泵，则必须要求其能在一1 5 的室外温度下能高效、可靠地长期运转，才可以 满足寒冷地区冬季采暖的需求。传统热泵系统无法在这样的低温环境中正常工 作传统热泵制冷工质r 2 2 本身存在热力性质的局限，在蒸发温度很低时，蒸 发压力太低，热泵吸热量变得很小，室内供热量下降，导致室温降低，影响室内 环境的舒适性，同时引发排气温度过高，而且蒸发器在低温下还容易结霜，影响 换热性能。 2 懈暖鬈骑删 一 十 ， 浙江大学硕t 学位论文 另一方面从环保角度考虑，热泵系统中常用的r 2 2 工质属于h c f c 工质， 不满足环保要求，国际上已经规定了其停止使用的时间。目前所研究出的r 2 2 工质替代物中，还没能找到一种各方面性能与r 2 2 相当的纯质，大多都为混合 工质。 基于以上的分析，研究一种既满足环保要求，又能根据室内环境要求改变机 组容量的高效热泵系统成为空调制冷技术工作者研究的一个重要课题。采用环保 混合工质的热泵系统具有上述的两个特点，这方面的研究已成为一个热点研究课 题。 1 1 3 热泵系统中采用混合工质的意义 利用环保型非共沸混合工质的组成特性，通过改变系统中工质的组成浓度， 可以有效地调节系统的容量，这种调节方式具有环保和节能潜力大的优点。在热 泵系统中运用非共沸混合工质变浓度容量调节，其意义主要体现在以下三个方 面： 环保性：目前大量使用的c 黜类物质会破坏环境，如臭氧层的破坏和温室 效应。自1 9 8 7 年“蒙特利尔协议”对c f c s 和h c f q 类物质提出明确的限制计 划以来，纯质r 2 2 由于不满足环保要求正面临淘汰。而采用环保的混合工质( 如 硪1 既类混合工质) 替代传统的纯质a l c s 和h c f c a 类制冷剂，可以大幅减少 c f c s 和h c f 岱类工质对环境产生的破坏作用，具有极为显著的环保意义。 节能性：在我国中部及北方地区，冬季室外气温达到0 。c 以下后，热泵运行 时室外换热器容易结霜，随着外界气温的进一步降低，热泵制热量急剧减小，导 致无法提供足够的热量，这就需要除霜装置和辅助加热设备，从而大大增加成本 和能源消耗。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，抑制制热量的下降，保证了系统运行的经济性。 我国长江流域以南地区夏季炎热( 七月室外平均温度范围2 5 。c 3 0 。c ) ，冬 季不太冷( 一月室外平均温度范围0 0 c 1 0 。c ) ；年平均室外温度5 。c 的时间 为0 9 0 天，年平均温度2 5 。c 为4 0 1 1 0 天，这一地区热泵使用非常广泛。 但是因为室外机受环境空气季节性温度变化的影响，夏季制冷负荷越大对应的冷 凝温度越高，而冬季制热负荷越大对应的蒸发温度越低，这就导致制冷、制热效 率低，增加能耗。采用非共沸混合工质，系统中工质的组分可以随着外界环境温 3 浙江大学硕士学位论文 度的变化而改变，使得在冬季恶劣的环境温度下提高压缩机吸气压力，减少系统 能耗。 热泵系统中冷凝器和蒸发器一般是通过空气或者水换热的，在冷凝器和蒸发 器中制冷工质与水或者空气换热时其温度不会保持恒定，所以系统不可能实现近 卡诺循环，在换热器内冷热源与制冷工质之问会产生比较大的熵产。而利用非共 沸混合工质具有温度滑移的特性，通过合适的配比实现逆流换热，使工质与热源 温度相匹配，减少平均换热温差，达到近似洛伦兹循环的目的，这样可以减少换 热器与制冷工质之间的熵产，提高换热效率。 舒适性：人们对空调改善室内环境的舒适度要求在不断提高。在冬季，当室 外温度过低时，普通热泵空调的制热量会下降，室内会因为供热量的下降而产生 不舒适感，而在热泵系统中使用混合工质可以有效抑制冬季制热量下降的弊端。 又因为混合工质可以根据室外温度和室内负载的变化连续地调节制热( 冷) 量， 从而减少室内的温度波动，提高室内环境的舒适性。 总之，基于以上环保、节能及舒适性的要求，研究一种使用环保型混合工质 的变浓度容量调节热泵系统成为了一种新的市场需要。该系统可以让系统容量随 外界环境温度的变化而变化，为热泵空调系统的容量调节提供了一个新的发展方 向。 1 2 国内外研究概况 1 2 1 常用的几种容量调节方法 空调系统是按照一定负荷设计的，但是在大多数情况下，其并不是在设计 负荷下运行，而且空调系统自身的负荷调节能力也有限，不能满足实时负荷变动 的要求。如果系统提供的负荷与外界变动的负荷相匹配，就会减少房间的温度波 动，进而提高室内环境的舒适性，所以这一问题具有很实际的研究价值。所谓“容 量调节”就是通过一系列技术手段来改进循环系统的性能，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。早在上世纪 六十年代，就有人提出了热泵系统的容量调节的想法1 5 1 ，并且得到了许多研究者 的重视。 压缩式热泵系统是压缩机、节流机构和热交换器的串联组合。因而，使热泵 4 浙江大学硕士学位论文 系统改变自身负荷与所需负荷相适应的方法，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) 换热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输液量来进行能量调节的：热交 换器换热能力调节表现为对冷凝压力和蒸发压力的控制；压缩机能量调节是改变 压缩机的实际产冷能力。这些调节是为了满足实际的制冷、供热能力随着负荷变 化的要求。 1 2 1 1 制冷剂流量调节 制冷剂流量调节就是控制进入蒸发器的制冷剂流量，使其与蒸发器的负荷相 匹配，即按照蒸发器中的实际可能汽化的液体量调节进入蒸发器的制冷剂量，又 被称为蒸发器供液量调节。常见的节流机构主要有毛细管、热力膨胀阀、电子膨 胀阀和浮球阀等。 1 2 1 2 热交换器换热能力调节 热交换器换热能力调节表现为蒸发压力调节和冷凝压力调节； ( 1 ) 蒸发压力调节 制冷系统的蒸发温度会随着外界温度和负荷的变化而改变。蒸发温度的控制 是通过调节蒸发压力来实现的。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。 ( 2 ) 冷凝压力调节 制冷装置运行时，制冷系统冷凝压力的变化会影响到系统的性能，比如当冷 凝压力偏高，压缩机排气温度会上升，压比增大，制冷量减少，耗功增加。冷凝 压力越高，上述影响程度越大。在夏季，冷凝压力容易偏高，这时应尽量降低冷 凝压力，保证系统运行的经济性；但在冬季时，冷凝压力有可能过低，这会影响 到热力膨胀阀的正常工作：阀前后压差太小，供液动力不足，阀前液体还很容易 汽化，严重影响热力膨胀阀的流通能力。因此，对于全年运行的制冷装置而言， 冷凝压力的调节是非常必要的。 不同类型的冷凝器的冷凝压力调节方法是不同的，但调节的实质都是通过改 5 浙江大学硕士学位论文 变冷凝器的热交换能力来调节的。减小冷凝器的热交换能力，冷凝压力升高；增 强冷凝器的热交换能力，冷凝压力降低。对风冷式冷凝器而言，可以通过改变流 过冷凝器的有效风量来进行调节，常用的方法有风机变转速调节、改变风机运行 台数调节和在冷凝器进风口或出风口上设置阻风阀等。对水冷式冷凝器，可以通 过调节冷却水的流量来调节冷凝压力，水的流量由流量调节阀控制。 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。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 这种调节方式就是压缩机启、停控制的容量调节方法。这种调节方式一般用 在配用无变容能力压缩机的小型制冷装置上，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，以达到新的平衡状态，同时电 机的启动负荷一般高出平均负荷好几倍，这都增加了系统的功耗；在关机以后， 节流设备仍然处于流通状态，在压差的作用下，冷凝器中的高压工质向蒸发器流 动，这会导致可用能的损失。压缩机在部分负荷运行时其效率会下降，同时节流 装置造成的过高的冷凝压力和过低的蒸发压力都会使得压缩机功耗增加，这些增 加的能耗称为偏离工况损失。启停控制方式虽然简单易行，但电动机启动时伴随 有较大电流冲击，电能损失增加。频繁启停还会影响压缩机的寿命。 ( 2 ) 压缩机变速调节 根据压缩机工作的原理，压缩机的制冷量及消耗功率与转速成比例。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嘲。 6 浙江大学硕p 学位论文 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 是速度调节范围大，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，其主要优点是运行可靠、结构简单、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 用于风机水泵的调速。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，可分段启动、减速、节能效果好；主要缺点是调 速无法连续，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 时转速功率大、效率低、调速特性软、调速范围小。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。且对于替代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， 而变频系统电磁兼容性问题也亟待解决l 。”。 ( 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 合的办法来实现能量调节。 活塞式压缩机的气缸卸载是通过顶开机构让气缸无法实现对吸入蒸气的压 缩，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，这种调节方式并不理想。因为顶开吸气阀 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 7 浙江大学硕十学位论文 ( 4 ) 热气旁通能量调节 热气旁通能量调节是将制冷系统高压侧气体旁通到低压侧的一种能量调节 方式。其调节原理是：若负荷下降时，吸气压力将降低，当低于能量调节阀的给 定压力时，阀自动打开，使部分高压制冷剂气体直接旁通到吸气管。同时，为了 防止排气温度过高，需在储液器的出口和压缩机吸气管之间装上注液阀，在排气 温度过高时，注入一定量液态制冷剂，将排气温度控制在允许的范围内。从节能 的角度来说，压缩机对旁通的制冷剂做了功却没有产生有效冷量，显然是不经济 的。它主要应用于压缩机无变容能力的小型制冷装置。 ( 5 ) 压缩机吸气压力控制调节 一种最直接的方法就是在压缩机的吸气管上安装调节阀，通过调节节流阀开 度来改变吸气压力和吸气口工质的密度，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。这种能量调节方式虽然简单，但是会使系统的 能效下降，故只能用作小范围的容量调节。 另一种方式是改造压缩机自身的结构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喷注孔进行液体喷注或气体喷注，造成中间压力，从而达到 改变吸气压力，改善循环性能的目鲥羽。 近年来，混合工质在制冷系统中的广泛应用，又为我们提供了一种全新的调 节方式一即通过调节混合工质的浓度配比来调节压缩机的吸气压力，充分利用混 合工质本身的特性来达到调节系统容量的目的。该调节方式使用定转速和定容积 的压缩机，循环工质采用混合工质，避免了因采用混合工质而造成的交频器控制 难题，又避免因压缩机流量旁通调节而造成的能量损失。这种变浓度调节方式具 有简单、实用和节能的优点。 1 2 2 混合工质交浓度容量调节的研究概况 混合工质变浓度容量调节是利用非共沸混合工质的组成特性，通过改变系统 中混合工质组分的浓度来达到系统容量调节的目的。这种调节方式不但利用了环 保型混合工质有效地调节了系统的容量，而且不产生附加的能量损失，且基本可 以避免因压缩机共振、密封不良等重新设计的问题，与其它容量调节方式相比， 有可能获得更好的调节效果晰 8 浙江大学硕 学位论文 根据变浓度装置在系统中所处的位置分类，混合工质变浓度容量调节系统大 致可分为以下四类：变浓度装置在冷凝器出口与节流机构进口之间、冷凝器出口 与压缩机吸气口之间、冷凝器出口与蒸发器进口之间和蒸发器出口与压缩机吸气 口之间。以下将分别对这四类系统的予以介绍。 l 在冷凝器出口与节流机构进口之间 如图1 2 所示，这类装置的主要特点是将冷凝器出来的高压液体通过精馏柱 或气液分离器等分离装置来改变高压液体中高、低沸点工质组分的浓度，以此来 实现改变系统中循环工质组分的目的。 2 l 压缩机2 冷凝器舅昀l 度装置4 节流装置5 蒸发器 图1 2 变浓度装置在冷凝器出口与节流机构进口之间 1 9 8 9 年，中国的游英、马一太f 1 川在国际电气电子工程协会上提出了一种新 的变浓度调节装置。他们将两个储液罐放置在冷凝器出口与节流阀进口问，并用 两根l 型的管道连接两个储液罐，这两根l 型的管道主要起液封和溢流的作用， 而储液罐起到气液分离器的作用。在工况改变时，系统通过储液罐和l 型管道 来改变混合工质的浓度，从而达到改变系统容量的目的。 1 9 9 5 年，游英等人【l l 】又对上述装置进行了改进，如图1 3 所示。他们利用高 压过热气加热代替两储液罐中的外部加热源，使装置更具节能效果。但利用储液 罐中的气液分离作用来改变系统的浓度，效果不明显。而且浓度改变的幅度受储 液罐的大小及储液罐中溶液量多少限制，难于达到较好的容量调节效果。因而， 这两种装置只在于构想，并没能真正实施。 9 浙江大学硕士学位论文 图1 3 文献【1 1 】系统示意图 2 在冷凝器出口与压缩机吸气口之间 如图1 4 所示，这类系统主要特点是通过系统流量的变化来改变系统中循环 工质组分的浓度。连接交浓度系统与制冷系统的两根毛细管是在冷凝器出口与压 缩机吸气口之间。 2 1 压缩机2 冷凝器3 变浓度装置4 节流装置5 蒸发器 图1 4 变浓度装置在冷凝器出口与压缩机吸气口之间 2 0 0 0 年，日本的m i c h i y o s h i 、k u s a k a 等人为提高r 4 0 7 c 的夏季工况季节能 效比( s e e r ) 采用的变浓度调节系统就属这一类。如图1 5 所示，它是将冷凝 器出来的高压液体利用毛细管进行中间节流，在中闻压力处接入变浓度装置。高 压液体经过毛细管节流后，气态组分在精馏塔中上升发生精馏作用。利用该装置 浙江大学硕t 学位论文 能把r 4 0 7 c ( r 3 2 r 1 2 5 瓜1 3 4 a ) 的浓度配比从2 3 2 5 5 2w t 改变到6 1 4 8 0w t ， 来达到改变系统容量的目的。实验证实了采用该变浓度装置比常规定转速压缩机 系统的季节能耗比高2 5 1 1 2 1 毛细管 室外换热嚣 图1 5 文献 1 2 中变容量调节系统 3 在冷凝器出口与蒸发器进口之间 如图1 6 所示，这类系统将变浓度装置并联在节流机构的两端。其主要特点 是利用工况的变化来改变膨胀阀的开度，使系统循环流量发生变化，从而达到改 变系统中循环工质组分的目的。 2 l 压缩机2 冷凝器3 变浓度装置4 节流装置5 蒸发器 图1 6 变浓度装置在冷凝器出口与蒸发器进口之间 1 9 9 5 年，天津大学的杨昭【1 3 1 在吉田雄二提出的装置【1 4 1 上进行了四方面的改 进：一是在精馏柱底部放置了一个储液罐，其中装有一定量的工质，从而保证了 工质总储量；二是在精馏柱底部的储液罐中，用压缩机排气作为再沸器的加热热 源。使精馏过程不再使用外界能源；三是用两个节流阀代替了连接精馏系统与制 冷系统的两根毛细管，从而避免两路工质的相互干扰；四是采用蒸发器过热度来 1 1 浙江大学硕t 学位论文 控制流入流出精馏系统工质的流量，并通过两个双反馈温控阀来保证制冷系统工 质总量的相对稳定。实验台分别采用混合工质r 2 2 r 1 4 2 b 及r 3 2 r 1 2 4 进行了同 工况和变工况的实验。在同工况下系统浓度调节结果表明：该变浓度装置可以在 一定范围内改变混合工质组分的浓度，可实现稳定运行。变工况稳态实验结果表 明：采用该变浓度装置来改变混合工质的浓度，可实现系统容量输出与负荷变化 较好的匹配，如：以r 2 2 标准工况制冷量为基准，r 2 2 r 1 4 2 b 和r 3 2 r 1 2 4 容量 调节范围分别为5 7 3 9 1 8 及7 1 5 1 0 1 。在部分负荷区，r 2 2 r 1 4 2 b 有着 理想的变浓度容量调节效果，且能明显提高系统的稳态性能系数。 1 9 9 9 年，韩国的m m 等人使用h f c s 混合工质r 3 z 瓜1 3 4 a 进行变容量实 验研究1 1 5 1 ，他们在系统的冷凝器和蒸发器之间分别接入两种分离装置进行对比 实验：一种是简单的分离器，另一种是采用分离器和精馏柱结合的分离装置，如 图1 7 所示。当采用简单分离系统时，初始充灌浓度分别为4 0 6 0 和7 0 3 0 ( y 贡 量浓度) ，变浓度范围分别为从3 5 6 5 到4 8 5 2 和从6 5 3 5 到7 5 2 5 ；而当采 用混合分离装置时，初始充灌浓度为5 0 5 0 ，变浓度范围为3 9 6 1 到7 4 2 6 。 实验发现结合精馏柱的交浓度装置的变浓度效果明显优于简单的分离器。而且该 系统完全采用了i i f c s 混合工质，但系统中使用的设备较多，结构复杂，同时分离 装置还要消耗额外的能量，故其实用性较差。 图1 7 文献 1 5 1 变浓度装置图 浙江大学硕士学位论文 4 在蒸发器出口与压缩机吸气口之间 如图1 8 所示，这类系统的主要特点是在改变系统中循环工质的组分时，蒸 发器出口必须要有液态工质流出。流出的液体通过精馏柱或气液分离器等变浓度 装置改变其浓度配比，从而达到调节系统容量的目的。 2 l 压缩机2 冷凝器3 变浓度装置4 节流装置5 蒸发器 图1 8 变浓度装置在蒸发器出口与压缩机吸气口之间 1 9 7 9 年，c o p e r w d 1 1 q 所提出的变浓度容量调节系统就属于此类。其原理是 利用二元非共沸混合工质的气液组分的差异( 即气相组分中含较多的低沸点工 质) ，使低沸点组分增多的混合工质进入压缩机的吸气口，来改变压缩机的吸气 比容，以实现提高系统容量的目的。然而，这种变浓度装置受到气液组分差和储 液器中工质总量的限制，因而没能达到令人满意的实验结果。 1 9 9 9 年，弗兰克r 比安卡尔迪等人m 申请了一项专利，如图1 9 所示，该 热泵系统采用多组分混合制冷剂，其中的一个低压组分相对混合物的其余组分是 非共沸的。这种系统通过设置在蒸发器后的精馏装置分离低压组分，来增强在低 温环境下的供热能力。此外，该系统在精馏装置之后、压缩机吸气口之前还设有 闪蒸箱，闪蒸箱有两个入口，一个出口：出口与压缩机吸气口相连；两个入口中， 一个入口与精馏装置上部气相空间相连，另一个与精馏装置底部液相空间相连。 但文中没有给出该装置的实验结果。2 0 0 0 年，h e w i t t n j 1 s l 提出一种用于热泵系 统的混合工质新型循环，其特点是在普通的热泵系统中加入变浓度装置。与 c 0 1 ) c r o w d 所提出的变浓度装置不同的是，该装置采用精馏柱来改变混合工质的 组分，避免了采用气液分离器改变浓度效果差的缺点，可在较大范围内提高压缩 机的吸气比容，增加系统容量。该变容量系统在精馏柱的顶部和底部各设有储液 浙江大学硕上学位论文 罐，在底部储液罐中还安装外部热源加热装置。精馏柱顶部的储液罐主要起气液 分离作用，底部的储液罐主要起贮存工质和提供精馏发生所需气态工质的作用。 其精馏系统是通过由电子膨胀阀控制的蒸发器出口过热度来进行动作的。其不足 之处在于，因混合工质成分的改变，难于控制蒸发器出口的过热度。 图1 9 文献【1 8 】提出的热泵系统 2 0 0 0 年，日本的小林贤二等人【1 9 1 申请了一种热泵空调系统装置的专利，其 系统容量调节不仅仅是通过变浓度装置来实现，它还结合了换热器的外部换热流 体的控制调节，该装置采用非共沸混合制冷剂。该装置的变浓度装置为气液分离 器，位置在压缩机吸气口与室内换热器之间。当室内热交换器内的制冷剂温度大 于l 时，系统容量维持不变；当室内热交换器内的制冷剂温度在o c 和1 0 之 间时，通过增大膨胀阀的开度来实现混合工质浓度的改变，以此达到增大系统容 量的目的；当室内熟交换器内制冷剂温度低于o c 时，又通过增大室内风扇的速 度来增强换热，提高系统容量。 2 0 0 4 年浙江大学制冷与低温研究所陈光明教授和陈斌博士一起提出了一种 新型的变浓度容量调节装置的构想 2 0 - 2 3 1 ，并搭建了实验台，进行了相关实验研究， 如图1 1 0 所示该装置的变浓度装置通过一个电磁阀连接在冷凝器和压缩机之 1 4 浙江丈学硕士学位论文 问，位于系统的低压侧，使得结构更加简单，控制相对容易，运行更加稳定可靠。 实验证明这种变浓度结构具有一定的变浓度效果，能够改变系统的容量。但是由 于系统中工质充注量较大，所以变浓度过程较长；此外，该系统难以实现压缩机 的自动回油。 图1 1 0 文献 2 0 变浓度容量调节空调热泵系统循环示意图 1 压缩机2 四通换向髑3 室外换热器4 室内换热器5 高压储液罐6 节流装置 7 、8 、9 、l o 单向阀1 1 ，1 8 ，1 9 电磁阀1 2 电子调节阎1 3 分离装置 1 4 气液分离器1 5 糟馏柱1 6 低压储液罐1 7 电加热器1 9 减压旁通管路 1 3 本文的主要研究工作 在上述国内外研究现状的基础上，本课题组提出了一种新型的变浓度容量调 节系统的构想，该系统的变浓度容量调节装置接在系统的高压侧，结构更加简单， 控制较容易，从而使系统的运行更加稳定，更具有实用性。 本文的主要研究工作是在这一新想法的指导下，搭建了一个变浓度热泵的实 验台，并进行相关实验研究。 本文从实验方面对该新型变浓度容量调节热泵系统展开研究，主要研究内容 如下： 浙江大学硕十学位论文 搭建了新型变浓度容量调节热泵实验台，研究了该系统以 r 3 2 r 1 3 4 a 为工质时的实际运行效果和性能； 研究了p i d 控制的基本原理和算法，设计并实现了变浓度热泵系统 的冷凝器进水温度自动控制和蒸发器出口温度自动控制； 在实验室虚拟仪器集成环境l a b v i e w 下，为实验系统的测量和自动 控制开发了一套集数据测量、数据自动记录和自动控制的实验辅助 软件 浙江大学硕十学位论文 第二章混合工质变浓度调节的基础理论 本章主要分析了混合工质变浓度容量调节的原理和调节特性，并对目前最常 用的两种分离装置一简单分馏和精馏分离变浓度装置进行阐述。 2 1 混合工质变浓度容量调节的原理 2 1 1 变浓度容量调节的原理( 2 3 1 制冷系统的制冷量可以用以下公式来描述： 编。a 詈。吼 ( 2 1 l ，1 式中，表示理论容积输气量，a 表示输气系数，鼋0 表示单位质量制冷量，v 表示压缩机的吸气比容，吼表示实际容积输气量，吼表示单位容积制冷量。 由上式可知，在给定的工况下，要调节系统的制冷量，就必须改变压缩机的 实际输气量，或者改变系统的单位容积制冷量吼。对于采用定转速和定容积压 缩机的系统，若忽略输气系数a 的影响，则压缩机的实际输气量只由压缩机的结 构参数和转速决定，与系统的工质和工作条件无关，因此单位容积输气量乱是 无法改变的。在一定的工况下，使用纯工质的制冷系统改变单位容积制冷量q o 也 是不能实现的，但是对于由两种或者两种以上纯工质组成的混合工质系统来说， 改变单位容积制冷量是可行的。在相同的工况下，一般沸点高的工质具有比较 低的单位容积制冷量，而沸点低的工质具有较高的单位容积制冷量，把高低沸点 的工质以不同的配比组合起来时，混合工质的单位容积制冷量就可以在一定范围 内变化，这样就实现了系统容量调节的目的。 由混合工质气液相平衡理论可知，相同压力下饱和温度不同的两种组元，在 气相和液相中它们的组分浓度是不同的，沸点较高的组分在气相中的浓度小于其 在液相中的浓度，沸点较低的组分在气相中的浓度大于其在液相中的浓度。因此， 可以选择热力学性质相近且组元合适的纯工质组成泡露点温差较大的非共沸混 合工质，并在系统中安装特定的混合物分离和重组装置，实现通过改变系统中工 质组分的浓度来获得所需的容积制冷量，这样就达到了调节系统容量的目的。 1 7 浙江大学硕士学位论文 2 1 2 变浓度容量调节的调节特性1 2 4 l 为了更好的理解变浓度容量调节的节能机理，先介绍以下两个概念； ( 1 ) 标准负荷曲线 以r 2 2 为工质，标准工况下压缩机理论单位容积制冷( 热) 量的9 0 作为 标准热负荷得到的负荷曲线，称为标准负荷曲线。 ( 2 )可适应环境温度 可适应环境温度是指不同工质满足容量的室外干球温度。 枣 口 料 捌 图2 1 单位容积制冷量，负荷与室外温度的关系 如图2 1 ，工质对9 3 2 瓜1 3 4 a 采用相同的制冷系统，在不同的浓度及室外环 境温度下，对其单位容积制冷量进行理论预测。对于纯质r 2 2 来说，只有当室 外干球温度为3 5 4 左右时，才能满足制冷量等于负荷，而对混合工质r 3 2 r 1 3 4 a 来说，其适应的环境温度范围为3 0 5 4 2 5 。图中的虚线表示标准负荷曲线与 等浓度的理论单位容积制冷量线的交点，其所对应的浓度为各室外环境温度条件 下满足冷量与负荷相等的浓度。以标况下r 2 2 的单位容积制冷量为基准，混合工 质r 3 2 r 1 3 4 a 在理想精馏条件下的理论最大容量调节范围为7 1 4 - 1 4 1 。 变浓度容量调节具有以下特性； ( 1 ) 混合工质变浓度容量调节可以解决由外界条件变化而引起的制冷( 热) 量供求的矛盾。 浙江大学硕十学位论文 ( 2 ) 在变工况时，采用匹配浓度的混合工质可以协调制冷( 热) 量的供需。 在低负荷区，可以使循环效率高于纯质，在高负荷区，可满足纯工质所不能达到 的负荷要求，这样可以减少压缩机的开停次数，提高季节能效比，减小室内温度 波动。 ( 3 ) 变浓度容量调节特别是用在经常以部分负荷工作的系统，具有较大范围 容量调节的优势。 2 1 3 交浓度容量调节的节能原理【2 4 l 如图2 2 ，采用不同浓度r 3 2 r 1 3 4 a 的系统，在五种浓度下的理论稳态能效 比与室外干球温度的关系。从图中可知，在相同的室外温度下，当工质中r 3 2 浓度降低时，稳态能效比明显提高。而且在部分负荷区采用变浓度容量调节的稳 态能效比要高于纯质r 2 2 。可见采用混合工质变浓度容量调节可以提高系统的能 效比，获得较好的节能效果。 酗 缸】 、 室外温度( o c ) 图2 2 理论稳态能效比与室外干球温度的关系 浙江大学硕士学位论文 2 2 常用分离系统的原理分析闭 2 2 1 简单分馏系统 简单分馏系统是早期研究变浓度容量调节常用的一种系统，它由一个或多个 储液罐组合而成。其特点是结构简单，但是改变浓度的范围有限，不能在较大范 围内实现浓度和容量的调节。图2 3 为非共沸混合工质r 3 2 r 1 3 4 a 的温度一摩尔 分数图。储液罐内部的制冷剂是处于热平衡状态的，所以出储液罐的气体和留在 罐内的混合工质液体必定位于同一水平线上，也就是说单个储液罐所能改变系统 工质浓度的能力不会超过一个简单相平衡过程。如图2 3 所示，当系统在某个浓 度下运行时，理想的浓度变化范围在上下两条平行线之间。当储液罐内温度等于 ，7 混合工质的泡点温度时，此时对应储液罐出口处的制冷剂蒸汽含有的低沸点工质 的浓度最高。 l 充i 生浓度f t 敏瓤丹 嚏 图2 3r 3 2 r 1 3 4 a 的温度一摩尔分数图 2 2 2 精馏分离系统 精馏分离系统保留了单个储液罐系统结构简单的优点，同时系统中组分的最 大浓度不再局限于初始充灌浓度的泡点所对应的蒸汽浓度，因此留下来的制冷剂 液体和离开的蒸汽也不用必须位于同一条水平线上。精馏分离系统使得被储存的 制冷剂液体中含有很少的低沸点组分而接近纯工质。 精馏设备目前主要有板式塔和填料塔两种闭。本文定性的将填料塔看成分 离等效的板式塔，然后对板式塔的分离效果进行了定性的描述板式塔与填料塔 浙江大学硕士学位论文 不同的是它由多块板组成，每一块板的操作方式如同普通的储液罐系统，处于一 个热平衡阶段( 称为理论板) 。这样，多个的单级平衡分离系统组成了精馏分离 系统【2 7 捌。 韩国的m m 等人使用h ? c s 混合工质r 3 2 瓜1 3 4 a 对简单的储液罐分离器