（工程热物理专业论文）用于工质筛选及系统优化的中高温热泵仿真.pdf

中文摘要 作为中高温热泵技术研究的一部分，本文开展了以系统仿真为手段的中高温 热泵工质和系统优化研究。 以橡树林实验室空气空气热泵稳态模型为基础，对压缩机损失效率模型中 的效率系数进行了灵敏度分析，提出了压缩机效率系数的实验辨i 方法，结合基 于p t 状态方程的工质热物性计算模型和基于分布参数的换热器和充灌量的计算 模型，开发出了针对本实验室水一水中高温热泵实验装置的稳态仿真程序。 对工质h f c 2 4 5 f a 进行了水一水中高温热泵循环性能实验研究。提出了用于 模型验证的正交实验工况设计方案，过热度、过冷度和压缩机过热控制方案，和 旨在保证测量精度的二次流体、制冷剂流量的测量与计算方案。实测1 6 组正交 循环性能数据与仿真计算结果的对比表明，部件及系统仿真模型精度较好，误差 一般在士1 0 以内。 应用仿真手段进行了中高温热泵工质筛选和系统优化研究。提出了采用 c o p q ，图和c o p q h 图直观比较工质循环性能的筛选方法；发现系统中工质的最 佳充灌量，对应于冷凝器面积在工质不同相态区域上有合理的分配，并以合理的 过冷度和最大c o p 为表征，并由此给出了最佳充灌量下的实际充灌方法，避免 了精确计算。 关键词：稳态仿真，中高温热泵，工质筛选，系统优化 a b s t r a c t a sap a r to ft h et e c h n o l o g yr e s e a r c ho fm o d e r a t ea n dh i g ht e m p e r a t u r eh e a tp u m p s ，a s t e a d y - s t a t es i m u l a t i o np r o g r a mh a sb e e nd e v e l o p e df o rr e f r i g e r a n ts e l e c t i o na n d s y s t e mo p t i m i z a t i o n b a s e do nt h ea i r - a i rh e a tp u m p sm o d e lo r i g i n a t e da tt h eo a kr i d g en a t i o n a l l a b o r a t o r y ( o r n l ) ，t h es i m u l a t i o np r o g r a mw a ss e tu pf o rw a t e r - w a t e rm o d e r a t ea n d h i g ht e m p e r a t u r eh e a tp u m p s ，b yi n t r o d u c i n gam e t h o dt os p e c i f yt h ec o e f f i c i e n ti nt h e l o s sa n de f f i c i e n c y b a s e dc o m p r e s s o rm o d e l ，p te q u a t i o nt oc a l c u l a t er e f r i g e r a n t t h e r m a lp r o p e r t i e sa n dd i s t r i b u t e d - p a r a m e t e rm o d e lt oc a l c u l a t eh e a te x c h a n g e ra n d r e f r i g e r a n tc h a r g e t ov a l i d a t et h em o d e l 、o r t h o g o n a le x p e r i m e n t sh a v e b e e nc a r r i e do u to no u r l a b o r a t o r yw a t e r - w a t e rm o d e r a t ea n dh i g ht e m p e r a t u r eh e a tp u m pa p p a r a t u sw i t h r e f r i g e r a n th f c 2 4 5 f a 16s e t so fe x p e r i m e n t a ld a t ah a v eb e e no b t a i n e db yd e t a i l e d l y c o n s i d e r i n gt h em e t h o do nc o n t r o l l i n gs u p e r h e a t i n g ，s u b - c o o l i n ga n dt h ec o m p r e s s o r s h e l lt e m p e r a t u r e ，a n dt h em e t h o do r lm e a s u r i n ga n d c a l c u l a t i n gr e f r i g e r a n ta n dw a t e r f l o wr a t e c o m p o n e n ta n ds y s t e ms i m u l a t i o nr e s u l t sw e r ec o m p a r e dt ot h em e a s u r e d t e s td a t a i tw a ss h o w nt h a ta v e r a g ed i f f e r e n c e sw e r eg e n e r a l l yl e s st h a n1 0 t h ev a l i d a t e dm o d e lw a st h e nu s e di nr e f r i g e r a n ts e l e c t i o na n ds y s t e mo p t i m i z a t i o n r e s e a r c h t h ed i a g r a m so fc o p q 。a n dc o p q hw e r ep r e s e n t e dt o c o m p a r et h e p e r f o r m a n c eo fd i f f e r e n tr e f r i g e r a n t sc o n v e n i e n t l y r e f r i g e r a n tc h a r g ee f f e c t so n s y s t e mp e r f o r m a n c ew e r ea n a l y z e d i tw a ss h o w nt h a tt h er e f r i g e r a t i o ns y s t e mh a st h e o p t i m u mr e f r i g e r a n tc h a r g em a r k e dw i t hr e a s o n a b l es u b c o o l i n ga n dm a x i m u mc o r an e wc h a r g em e t h o du n d e rt h i s p r i n c i p l ew a sd e v e l o p e dt o a v o i da c c u r a t e c a l c u l a t j o n k e yw o r d s ：s t e a d y s t a t es i m u l a t i o n ，m o d e r a t ea n dh i 曲t e m p e r a t u r eh e a tp u m p s ， r e f r i g e r a n ts e l e c t i o n ，s y s t e mo p t i m i z a t i o n 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，也不包含为获得苤鲞盘茔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：崩强签字日期：工鲫，年1 月1 曰 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解蠢鲞盘茎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞盘茔可以将学位论文的全部或部分内容编八有关数据库进行检 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： 砖匆5 量、 导师签名： 少哌侮 签字日期：2 阢分年f 月1 日签字日期：p ( 年，月7 日 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 热泵作为一项即高效节能又环保的技术，越来越受到人们的重视，它通过输 入少量电能使得热能的品位得以提升，达到可以利用的水平。目前，常温热泵技 术已经趋于成熟，正处于普及推广阶段，主要用于房屋的采暖、空调和提供生活 热水。热泵技术更广阔的应用空间，要靠提高供热温度来开拓，即发展中高温热 泵技术。 目前，关于中高温热泵，尚没有达成一个明确的定义，姑且这里认为供热温 度在8 0 0 c 以上的热泵为中高温热泵。中高温热泵相关技术研究，已成为近年来 国际热泵研究的热点。在日本的超级热泵计划【l 】、国际能源署( i e a ) 、国际制 冷学会( i i r ) 热泵发展计划及欧洲的大型热泵研究计划【2 】中，供热温度为8 0 0 c 以 上的热泵技术均为重点研究内容，日本则更进一步致力于将热泵的供热温度提高 到3 0 0 0 c 以上。 不论对于我国还是世界上来说，中高温热泵技术的研究还仅仅限于理论研究 和试验应用阶段，其中试验应用部分也仅限于供热温度在1 0 0 0 c 以下。制约中高 温热泵技术发展的瓶颈，是由于材料的限制没有开发出具有较高热输出温度下的 压缩机。如果突破这个瓶颈，则中高温热泵技术的研究即为中高温热泵工质的研 究和与之相关的系统优化。本文的研究目标即为中高温热泵工质筛选和系统优 化，研究重点就是要找到一种高效、低成本的方法对中高温热泵工质及系统进行 研究和开发，而计算机仿真技术正是其有效的研究手段。 计算机仿真能够准确而快速地进行中高温热泵潜在改进的初始评估。从效率 上看，这种分析要优于费力耗时的实验室改进测试，因为改动系统中任何一个部 件的性能都会影响其它各部件的性能，所以要估计单一部件性能变化的影响就必 须在一系列的运行工况下对整个系统进行分析。很明显，这种大量的重复性工作 需要在计算机的辅助下完成。运用计算机仿真不仅能够节约产品开发成本、缩短 产品开发周期，而且还能够突破实验条件的限制，对对象进行研究。计算机仿真 己逐步取代传统的研究开发方法，成为系统产品设计的现代化发展方向。 目前在系统模拟、设计和优化方面应用最广泛、最为成熟的还是稳态仿真。 这是因为稳态仿真稳定性好、模型和算法简单、速度快，而且能够反映对象在大 部分时间内的运行情况。在关注装置稳态性能或者运行工况稳定的情况下，采用 稳态仿真无疑是有利的。对于前面所说的处于起步阶段的中高温热泵系统的研究 第一章绪论 开发而言，采用计算机稳态仿真还可以突破硬件条件的限制。因此本论文将建立 一套用于工质筛选及系统优化的中高温热泵系统的稳态仿真程序，为进一步的产 品开发提供依据。 1 2 研究现状及存在问题 1 2 1 热泵仿真概述 回顾热泵系统仿真的历史，有三个发展趋势：从局部到整体；从稳态到动态； 从集总参数法到分布参数法。 局部仿真就是建立热泵系统各个部件的模型，分别进行性能分析研究，部件 模型有压缩机模型、冷凝器模型、毛细管模型、蒸发器模型和管道模型等。随着 局部仿真的不断完善，越来越多的学者开始转向系统仿真的研究，比如这方面颇 有影响的o r n l 开发的热泵设计与仿真模型1 3 j 等。 稳态仿真就是模拟热泵系统的稳定运行工况，这种仿真不考虑时间参数，没 有考虑到系统的启停等对热泵系统的影响。若要考虑启动、停机、除霜等对热泵 系统的影响，则要引入动态仿真概念。但由于动态仿真要考虑时间参数，使问题 复杂化，计算速度较慢。目前热泵动态仿真对实时陡要求不高，因此近年来国内 研究的也比较多，主要有陈芝久等对汽车空调的动态仿真14 1 、丁国良的小型热泵 装置的动态仿真【5 】、黄虎的风冷热泵冷热水机组的动态模拟陋瞎。 集总参数法就是把某个部件参数视为集总参数，采用经验和半经验公式简化 计算。比如对换热器而言，把整个换热器视作研究对象进行传热计算，而不考虑 不同换热面的换热情况的差异，对换热器的压力降也是如此。这种方法在一定范 围内可以满足工程设计的需要，有模型简单、计算快捷的特点f7 1 。但是，如果要 了解换热器内不同换热面的换热性能、不同换热面的压力降、不同结构的换热器 性能，采用集总参数法就难以下手。现在更多的是采用分布参数法，采用分布参 数法就是把研究对象分成很多微元，把每个微元看作一个研究对象，也就是把研 究对象“微元化”，再根据能量守恒、动量守恒、质量守恒等基本方程耦合、累 加求解。这种方法适应性强，比如不同结构的换热器只要边界条件随之改变就可 以满足要求；计算精度高，由于分布参数法更能反映研究对象的真实运行状态， 一般来说计算结果比集总参数法可靠1 8 j 。 在热泵系统运行过程中，系统内各部分制冷剂工作参数是一一耦合的，仿真 就是要按顺序把各个部件的进出口参数耦合起来，模拟整个系统的运行。图1 1 为压缩、冷凝、节流和蒸发四个模块流量传递参数关系图，图1 2 为压缩、冷凝、 第一章绪论 节流和蒸发四个模块热量传递参数关系图。 另外，热泵系统和室内外环境温度确定后且达到稳定运行时，系统工作参数 和室内外环境温度便会稳定到一定状态。为了描述这些耦合关系，热泵系统仿真 应遵循以下几个平衡条件： 图1 - 1 模块流量传递参数关系图 f i g 1 - 1m o d u l ef l u xt r a n s f e r 菌芝扫j i 日署 | 。e 乙一 图l - 2 模块热量传递参数关系图 f i g 1 - 2m o d u l eh e a tt r a n s f e r 1 ) 能量平衡 能量平衡就是研究对象满足热力学第一定律，即能量守恒定律，当稳定运行 时，外界输入到系统的能量( 例如：蒸发器吸热、压缩机和风扇的输入功率等) 应等于系统传给外界环境的能量( 例如：冷凝器放热，管道散热等) 。 2 ) 压力平衡 由于热泵系统是个封闭的系统，内部制冷剂的压力应该是封闭的、连续的。 例如：压缩机引起的压增应该等于节流部件( 毛细管、节流阀) 产生的压降、换 热器( 冷凝器、蒸发器) 产生的压降以及管道等部件产生的压降之和。 3 ) 质量平衡 由于热泵系统的制冷剂充灌量是一定的，而且热泵系统是封闭的，故热泵系 统内制冷剂在任何一个时刻内总质量一定的，且恒等于充灌量。另外，当稳定运 行时，热泵系统各部件内的制冷剂质量也处于动态平衡之中。 热泵系统仿真时，模型建立各异，输入条件也各不相同，其所遵循的平衡条 件和约束条件也不一样。另外，系统各部件关系复杂，且相互影响，使系统仿真 的难度增加，若约束条件选的过多，系统仿真会难于收敛。只有抓住系统的主要 约束条件，忽略一些次要因素，才能使问题得以解决。 第章绪论 】2 2 热泵仿真实例 对单质和混合物来说，目i j i 有三种基本的蒸气压缩式热泵循环仿真模型： r e f c y c l e 、b i c y c l e 和t r i c y c i 属。为了增大其适用性，大部分采用n i s ，l p r o p e r o p 程序来计算工质热力学性质和输运性质。r e f c y c l e 计算在指定的 换热器温度 玉 过雹鬣。i l 嚣。鬻 d l ol ? j 二 输出结果 工 n 翮 否、l 调整制冷剂 叫出e l 焓假设值 图2 1 4 蒸发器分布参数模型算法流程图 f i g 2 - 1 4f l o wc h a r to f t h ed i m u l a t i o na l g o r i t h m f o rt h ee v a p o r a t o r sd i s t r i b u t e d p a r a m e t e rm o d e l 第二章中高温热泵部件及系统建模 2 4 膨胀阀模型 2 4 1 流量模型 热力膨胀阀的制冷剂流量可以用下式计算： r h v o j = q 一，2 一。峨一e o 。，)( 2 - 2 4 ) 式中： r h 。：通过热力膨胀阀的制冷剂流量，k g s ； c v ：热力膨胀阀的流量系数； a 。：热力膨胀阀的流通面积； m ：热力膨胀阀进口制冷剂液体的密度，k g m 3 ； p 。：热力膨胀阀进口制冷剂压力，p a ； 只。：热力膨胀阀出口制冷剂的压力，p a 。 美国d e t r o i t 公司的d d w i l e 研究了热力膨胀阀的制冷剂流量特性后，认为 制冷剂进口密度和出口比体积决定了膨胀阀的流量系数，并提出了流量系数的经 验公式 1 9 】： c ，= o 0 2 0 0 5 、p m + o6 3 4 v 。 ( 2 2 5 ) 其中，v w 为膨胀阀出口处制冷剂比容，m 3 瓜g 。 2 4 2 能量模型 膨胀阀是一节流装置，制冷剂流过热力膨胀阀之后体积流量会发生变化，但 其比焓基本保持不变，即制冷剂在热力膨胀阀中发生等焓变化，因而有： h 。，= h 。( 2 - 2 6 ) 式中， ，：热力膨胀阀进口制冷剂比焓，k j k g ； ，。：热力膨胀阀出口制冷剂比焓，k j k g 。 2 4 3 算法流程 膨胀阀的算法流程图如图2 1 5 所示： 第二章中高温热泵部件及系统建模 输入膨胀阀的结构参数和进出口参数 2 5 充灌量模型 图2 - 1 5 膨胀阀模块算法流程图 f i g 2 - 1 5f l o wc h a r to f t h em o d u l eo f e x p a n s i o nv a l v e f a r z a d ( 1 9 9 1 ) 【2 叫和及本作者做了大量充灌量对系统运行参数影响的实验， 表明充灌量对系统性能的影响是不容忽视的，大多数热泵系统对充灌量都很敏 感。在结构参数和运行工况给定的情况下，存在最佳充灌量，使系统的制热量和 能效比e e r 达到最优。充灌量过多或过少，系统的蒸发温度、冷凝温度等参数 都会发生变化，从而导致系统的制热量和能效比e e r 下降。所以，系统制冷剂 充灌量的合理确定对于提高系统的性能和功耗的降低来说是很重要的。 本节主要介绍充灌量的仿真求取方法。通过建立稳态分布参数模型，在仿真 计算管道、蒸发器、冷凝器中工质沿程温度、压力、干度、空泡份额等参数的同 时，得出系统制冷剂微元段内存贮量分布，从而求和得到系统的充灌量。 2 5 1 空泡份额模型 计算充灌量最主要的一个困难是不能很好的预测蒸发器和冷凝器两相区制 冷剂的质量，即存在一种不确定性：两相区空泡份额。r i c e ( 1 9 8 7 ) 1 2 2 1 曾综述并讨 论了1 0 种空泡系数模型对制冷剂充灌量分布计算的影响，结果发现空泡份额模 型h u e 虹n a r k 、p r e m o l i 、t a n d o n 和b a r o c z y 的预测结果和测量的系统充灌量吻 合程度最好。f a r z a d 和o n e a l ( 1 9 9 4 ) 2 3 】采用8 个空泡系数模型计算充灌量的值， 结果表明：h u g h m a r k 模型和实验数据在大范围充灌量下吻合最好。 本模型中，空泡份额模型推荐采用p r e m o l i 方法，它可以看作是h u g h m a r k 、 第二章中高温热泵部件及系统建模 t a n d o n 和b a r o c z y 方法的一个合理近似平均吲，其它模型均在程序中有所体现。 2 5 2 充灌量的计算 一、单相区微元段内制冷剂存贮量 a m 甲，= 万。，= a 。乃，妒， ( 2 2 6 ) 单相区每个微元段的平均密度采用微元段进出口平均温度和压力下的密度 求取。 二、两相区微元段内制冷剂存贮量 a m w = a e 佤万+ 历t ( 1 一万) ) ， ( 2 2 7 ) 两相区微元段的气液相平均密度和平均空泡份额采用微元段饱和温度下的 气液相密度和进出口平均干度下的空泡份额。 三、系统中制冷剂总的充灌量 系统中制冷剂总的充灌量为单相区各微元段制冷剂质量和两相区各微元段 制冷剂质量之和，即： m = 幽。十幽 ( 2 2 8 ) 2 6 系统模型 前面几节分别建立了热泵系统四大部件及充灌量的仿真模型，本节将在部件 模型的基础上建立系统仿真模型，并研究相应的仿真算法。 2 6 1 模拟流程 热泵模型可以被分成两个主要部分，一个为高压侧部分，包括压缩机、冷凝 器和流量控制装置，另一个为低压侧部分，包括蒸发器模型。通过对这两个部分 反复的计算直到平衡。 图2 1 6 是简化了的蒸气压缩循环的压焓图。计算此过程，需要指定： 1 蒸发器出口过热度( 或干度) ； 2 冷凝器出口过冷度； 3 冷凝器和蒸发器二次流体进口温度和流量： 4 部件和连接管道的尺寸； 5 连接管道的热损失。 第二章中高温热泵部件及系统建模 另外还需提供如下估计值： 1 制冷剂在蒸发器中的饱和温度； 2 制冷剂在冷凝器中的饱和温度； 这两个估计值被用来作为迭代的初始值。结果并不依赖这两个值选择的好 坏，当然，好的估计值将减少计算时间。 图2 1 6 无压降热泵系统循环焓熵图 f i g2 - 16p r e s s u r ev se n t h a l p yd i a g r a mf o r t h en o n e p r e s s u r e - d r o ph e a tp u m pc y c l e 一、高压侧计算 对高压侧平衡的计算起始于蒸发器出口制冷剂状态( 图2 1 6 中的7 点) ， 该点可通过蒸发温度的估计值和指定的过热度来确定。在压缩机、冷凝器、膨胀 装置和蒸发器的一个计算流程中，这点始终固定。压缩机模型除知道7 点状态外， 还需要知道： 1 冷凝温度； 2 压缩机物理参数及其效率系数( 此都通过实验辨识得到) 。 来计算壳体入口1 、壳体出口2 和冷凝器进口状态3 ，并计算工质质量流量。 二、固定冷凝器过冷度 当冷凝器过冷度设定时，系统就像在流量控制装置拥有可以无穷变化的开度 下工作，也就是说，高压侧压力完全取决于冷凝器侧的换热能力和压缩机对工质 第二章中高温热泵部件及系统建模 的抽吸能力。对于实验系统采用高压贮液器和热力膨胀阀，在设计合理的情况下， 刚好可以满足过冷度恒定为0 。 冷凝器子程序用到： 1 换热器的物理参数描述； 2 压缩机模块计算的制冷剂质量流量； 3 冷凝器二次流体侧入口温度和流量； 4 制冷剂在冷凝器入口处状态3 。 来计算制冷剂在冷凝器出口状态4 。状态4 点过冷度和给定过冷度值比较， 如果两者的值不在误差允许的范围内，则改变冷凝温度，重复进行压缩机和冷凝 器模块的循环。 冷凝温度的改变，压缩机模型计算得到一个新的制冷剂质量流量和新的状态 点1 、2 、3 ，冷凝器模型得到新的状态点4 。一旦目标过冷度得到，就可计算流 量控制装置入口状态5 ，需要用到： 1 冷凝器出口状态4 ； 2 液相管道尺寸和热损失； 3 最近一次计算的制冷剂质量流量。 可以通过点5 的制冷剂状态和系统的质量流量，计算等效的毛细管、热力膨 胀阀的参数，使之产生设定的过冷度。 三、指定流量控制装置 当流量控制装置固定时，高压侧压力也将受到膨胀装置的压降特性控制，所 以，流量控制装置必须连同压缩机和冷凝器的流程来获得合适的高压侧平衡。由 于流量控制装置的质量流量特性依赖于流量控制装置的进口工质状态，而这一状 态又是冷凝器模型采用压缩机模型计算的质量流量得到，故这一质量平衡必须通 过迭代得到。 指定流量控制装置获得高压侧平衡的计算与固定冷凝器过冷度的情形是相 似的。通过假设冷凝温度，来计算压缩机壳体出口状态、冷凝器进出口状态，即 状态2 、3 和4 。由于冷凝器过冷度并不固定，流量控制装置进口状态5 的计算 过程采用： 1 冷凝器出口状态4 ： 2 液相管道尺寸和热损失； 3 压缩机模块计算的工质质量流量 计算流过流量控制装置的工质质量流量，需要流量控制装置的进口状态，即 状态5 ，和蒸发器进口状态6 的压力，即蒸发压力，这些均可得到。如果压缩机 和流量控制装置对工质质量流量的计算结果并不在一定允许误差之内的话，则假 第二章中高温热泵部件及系统建模 设一个新的冷凝温度，重复压缩机、冷凝器和节流装置的计算。一旦两个质量流 量一致，高压侧平衡达到。接着计算蒸发器的性能，则一个循环的计算完成。 四、低压侧计算 蒸发器( 或低压侧) 计算基于： 1 蒸发器二次流体侧入口温度和流量； 2 蒸发器进口点6 处制冷剂的焓； 3 工质的质量流量。 基于估计的蒸发温度，点6 处的焓和工质的质量流量都已经计算。这样就可 通过蒸发器模块计算工质出口温度，得到一个过热度。这个过热度和输入过热度 并不一定相等。改变蒸发温度，重复整个计算过程，直到过热度的计算值和输入 值的误差在设定的范围内。 图2 1 7 综述了整个计算过程。 2 6 2 程序组织 就像图2 1 7 所示的计算过程被分为不同的几个部分，进行计算的子程序也 被分为不同的几个模块。例如，高压侧部分的平衡计算需要计算压缩机、冷凝器 和( 可选) 流量控制装置的特性，接着还需平衡这些部件和连接管道的输出。在 热泵模型中，这些是通过单独的子程序来完成，每个子程序计算一项任务： 1 模拟压缩机； 2 模拟冷凝器： 3 模拟流量控制装置( 或已知过冷度) ； 4 迭代冷凝器饱和温度； 5 模拟蒸发器； 6 迭代蒸发器饱和温度。 而且，上述每个子程序调用其他服务程序来实现内部循环，并计算热力学性 质、热物理性质和传热系数等。 上述程序结构的优点在于： 1 单独可确认的任务通过每个子程序来实现； 2 模块可以很容易的被修改、替代，以增加系统的分析能力； 3 可以很容易的熟悉和修改代码，以做不同的用途。 这种模块化的方法将一个大的程序切割为许多小的子程序，但同时也造成了 大量参数在这些子模块之间传递。 对于已知过热度、过冷度的模块计算，还可采用下面的流程组织。已知蒸发 第二章中高温热泵部件及系统建模 温度迭代冷凝温度作为模块1 ，已知冷凝温度迭代蒸发温度作为模块2 ，通过模 块1 和模块2 的交替进行即可得到最终的蒸发温度和冷凝温度。 图2 - 1 7 热泵系统仿真流程图 f i g 2 - 1 7h e a tp u m ps i m u l a t i o nf l o wc h a r t ( s u p e r h e a t ，s u b - c o o l i n ga si n p u t ，o rs u p e r h e a ta n df l o wc o n t r o ld e v i c ea si n p u t ) 2 6 3 输入和输出描述 作为程序模块化的一部分，大部分输入用子程序来实现。为了减小程序的每 次输入，对程序中不经常变动的参数和物理常量( 包括误差参数、制冷剂代号、 热力学性质和输运性质参数) ，采用单一的子程序来设定，这样可以根据需要来 改变它们。 第二章中高温热泵部件及系统建模 程序具有两种输出。第一个为简单目的输出，将输出结果压缩为c o p 、压 缩机功率、热泵制热量和系统充灌量等。另一种输出为详细输出，可以作研究或 诊断用，如沿程换热系数、温度分布、干度分布及空泡分额分布等。 2 7 小结 本章定量分析了压缩机效率系数对于压缩机排气温度、工质质量流量和压缩 机电功率的影响，提出了压缩机效率系数的实验辨识方法，并以美国橡树岭实验 室( o r n l ) 空气一空气热泵稳态模型为基础，结合基于p t 状态方程的工质热物 性计算模型和基于分布参数的换热器和充灌量的计算模型，开发出了针对本实验 室水一水中高温热泵实验装置的稳态仿真程序。 第三章中高温热泵实验及模型验证 第三章中高温热泵实验及模型验证 仿真软件在实用化之前，必须经过实验验证，这就需要大量的精确的实验数 据。而对于中高温热泵系统来说，得到精确的实验数据并不是太容易，这是因为 某些量很难控制，如过热度、过冷度等，某些量很难准确测量，如工质质量流量、 二次流体体积流量、漏热量等。m i l l e r ( 来自橡树林实验室) 给出：当用转子流量 计测量工质质量流量时，相对于更为精确的涡轮流量计，其偏差为5 - 2 0 。因此， 本章的主要内容就是进行较为精确实验和模型验证的问题。 3 1 中高温热泵实验 3 1 1实验装置和参数测量 一、 实验装置 图3 - 1 中高温热泵实验台系统图 f i g3 - 1e x p e r i m e n t a la p p a r a t u so f m o d e r a t ea n dh i g ht e m p e r a t u r eh e a tp u m p 第三章中高温热泵实验及模型验证 为了测量工质在实际中高温热泵系统中的运行性能，本实验室组建了水一水 中高温热泵实验台。实验装置示意图及测点位置如图3 - 1 所示，部件参数如表3 1 所示，实验工质采用h f c 2 4 5 f a 。实验装置主要分为两个部分：制冷剂循环回路 ( 图中虚线) 和水循环回路( 图中实线) 。 水循环回路分为三部分，蒸发器的水环路、冷凝器的水环路、冷却水环路， 其设计思路是以实现工况、节能、节约用水为出发点的。由于仅靠蒸发器水环路 和冷凝器水环路的热量交换，还不足以将冷凝器出水温度降至冷凝器供水温度， 所以，还要加入冷却水环路。 此外，为了保证较精确的冷凝器和蒸发器进水温度和流量，并对其进行有效 控制，在加热水和冷却水的水路系统中，还设有旁通、补水、排水和自动控制系 统。 表3 - 1 热泵系统部件明细表 t a b 3 - 1d e t a i l e di n f o r m a t i o no f h e a tp u m pc o m p o n e n t s 设备说明 压缩机 冷凝器 膨胀阀 蒸发器 储液器 干燥过滤器 低压侧管道 高压侧气体管道 高压侧液体管道 法国泰康a j 5 5 1 5 e 型，工质h c f c 2 2 ，名义制冷量3 5 k w 套管式换热器，内、外管分别为垂l9 2 m m 、q ，2 5 2 5 m m 的铜管，管 长9 4 0 0 r a m 。内管走水、环道走工质，自制 庐2 热力膨胀阀，工质c f c l 2 ，最大试验压力2 4 m p a ，工作区间 4 0 1 0 c ，浙江三花集团公司 套管式换热器，内、外管分别为唾，1 9 2 m m 、q 2 5 x 2 5 m m 的铜管，管 长9 2 0 0 m m 。内管走工质、环道走水，自制 直径为1 2 0 m m ，高2 0 0 m m ，壁厚1 5 m m 浙江新昌县环球冷冻设备厂 蒸发器出口至压缩机入口，q s l 2 x 1 6 m m ，管长1 1 3 0 r a m 压缩机出口至冷凝器入口，中1 0 1 3 m m ，管长8 6 7 m m 冷凝器出口至热力膨胀阀入口，q ) 1 0 x 1 3 m m ，管长2 1 3 2 m m 二参数测量 在工质的循环性能实验中，需要测量监控几个重要的参数：蒸发器工质侧的 进出口压力咒。、。，冷凝器工质侧的进出1 3 压力圪w 、咒。：工质的平均 蒸发温度，平均冷凝温度；蒸发器水侧的进出口温度r ：，。、f ：。，流量t h 。； 冷凝器水侧的进出口温度r ：。、r ：。，流量廊d ；工质的质量流量砌，；压缩 机的功率；压缩机排气温度 。 第三章中高温热泵实验及模型验证 前续工作 2 4 2 5 】已经给出了大部分参数的测量手段，测量设备精度如表3 - 2 所示，但水流量测量精度较差，工质质量流量缺乏测量和计算方法。 为了保证所测水流量的正确性，本文对不同温度不同刻度下的水流量用称重 法进行了重新标定，给出了标定后的流量计算公式，标定过程及结果见附录c ， 标定后精度在5 。 文献表明，转子流量计很难准确测量工质质量流量，而本实验室又不具备高 精度的涡轮流量计。因此，为了获得质量流量，本章采用换热量和工质状态点来 计算工质质量流量，详细讨论见实验结果分析。 表3 2 热泵系统测量设备明细表 t a b 3 - 2d e t a i l e di n f o r m a t i o no f m e a s u r e m e n ti n s t r u m e n t si nh e a tp u m ps y s t e m 三过程控制 ( 1 ) 过热度控制问题 实验系统中，采用的是r 1 2 的热力膨胀阀。正常使用时，它仅对采用r 1 2 或 压力水平与r 1 2 * r 近的工质，控制过热度有用。对其他与r 1 2 压力水平相差甚远 的工质( 本实验采用的就是h f c 2 4 5 f a ) 来说，都是不可用的。为了能实现r 1 2 的热力膨胀阀对其它工质过热度的控制作用，本文采用了实验室申请的专利技术 来实现热力膨胀阀对过热度的控制。 ( 2 ) 过冷度的控制问题和充灌量问题 热泵系统要获得较大的制热系数，通常要控制过冷度，这时在不同工况下， 要达到设定的过冷度，所需的工质充灌量通常不同。为了减小不同实验充灌的次 数，采用冷凝器出口侧安装高压贮液器的方法。由于高压贮液器内部气液两相， 第三章中高温热泵实验及模型验证 制约冷凝器出口过冷度近似为0 ，且能够匹配不同工况时充灌量的需要。因此， 采用高压贮液器基本解决了充灌量和过冷度的问题。 ( 3 ) 压缩机过热保护问题 在做中高温热泵实验中，压缩机可能工作在较高的温度。如果压缩机壳体温 度超过1 2 0 ，可能压缩机自动保护停机。为了完成中高温热泵的实验，压缩机 工作温度不可避免的会很高，压缩机的过热问题只能通过外加冷却来实现。但对 于实验来说，这种外加冷却必须是可测量或者是可控的，即可以分析这部分冷却 作用对于实验结果的影响。因此，实验中采用了两个档位的风扇，产生恒定的风 速，使得散热量可控，并保证压缩机壳体温度最终恒定。 3 1 2 正交实验方案 正交实验设计 2 6 用于多因素实验的一种方法，它是从全面实验中挑选出部分 有代表的点进行实验，这些代表点具有“均匀”和“整齐”的特点。正交实验设 计是部分因子设计的主要方法，具有很高的效率，可以大大减少实验的次数。正 交实验具有以下特点： a ) 任一因素的诸水平做相同数目的实验( 整齐可比性) ； b ) 任两个因素的水平组合做相同数目的实验( 均匀搭配性) 。 既然正交实验是一种合理而高效的获取实验数据的方法，其少数实验可以替 代多数实验而效果不受影响，那么此方法刚好可以用来获取仿真模型验证所需要 的实验数据。 表3 - 3 实验参数及其对应的水平 t a b 3 - 3e x p e r i m e n t a lp a r a m e t e r sa n dt h ec o r r e s p o n d e n tl e v e l s 本实验将按照正交实验的方法进行，可变参数为冷凝器和蒸发器进口温度和 流量，每个参数又分四个水平，如表3 3 ，这样产生的实验方案为l 1 6 ( 4 5 ) ，如表 3 - 4 。尽管典型实验为1 6 组，但基本可以反映蒸发器侧水流量1 2 0 2 4 0 l h 、进口 水温4 5 6 0 。c 、冷凝器侧水流量1 2 0 2 4 0 l h 、进口温度6 5 8 0 。c 之间所有实验包含 第三章中高温热泵实验及模型验证 的规律。实验过程中满足过热度和过冷度条件。 表3 4 正交实验表 t a b 3 - 4o r t h o g o n a le x p e r i m e n tt a b l e 3 1 3 实验结果分析 一、实验结果 正交实验的实验结果如表3 5 所示，表中主要给出了工质侧状态点的温度和 压力，以及系统输入电功率、输出制冷量和制热量，特别需要指出的是，实验数 据得到的压力为表压力，水侧流量为流量计指示流量，应该通过附录c 的流量标 定公式进行重新计算。 孽萋誊酉誊莩景孽基誊蚕墨 兰曼 景 一一一 n一 一一一一一 n一 一 h n“ i 墓星萤毫暑嚣墨彗娶羹曩萋萋墨量景 导p 是p 导p 三o 。 口 罟 船羽芝 爨 术史口g 鹾制至 怅 崾口 暑 卜船号三苫 描 糕k 1g 剖烹 星高：2 7 - 窝与景尊宝瓮霉客芸譬嚣离 蠢受蓉器蠹墨舞g i 蠹蓉吕 鲁舞看塞至 s = 88 等曼登高饕驾罱 至喜蓉蓉爱套g | 象囊曼墨 v 1 n一口nh nn 寸n卜西“n甘 叶乜卜寸t哟哟t1吐穹魍1峥 西n卜o甘心onv 、一一i no 寸 n 寸寸寸寸寸寸i n 寸寸寸l n 寸寸”i n 口一乱”n。喀n”o卜onn q 1 q qq哩q1q鼍q1 1 q 1 q 。、_ _ o 寸卜一nnan一一n n 寸寸甘寸寸寸l n 寸寸寸l n 寸寸”n = 器= 昌誉誉暑是霜8 譬罱竺苫霜昌 奇翻“幛话一“话。= 一寻凶凶“一 nn寸寸n寸寸寸n寸寸寸n寸寸【n 端骂s 罱sg i 罱罨冀s 兰警书誊罨罨 ooo o o o o o o ov 古odo o 毫g 蚤璺誊一警冀画s 嚣銎遣簿誊鼙 d od 。dd o o o c ；6 o o _ 二一 i 芝；嗣墨堕兰蓦兰望墨嗣虽与暑退 o o o o g d dc ；6g 6 o 6 o 6 o i 呈兰蓦圣；簧窝兰墨筌嚣墨兰簧1 1 潭 odd 古go og d dv c ；c ；c ；6g nn 寸i n 卜口2 = 釜212 1 卜t 西卜寸乱n 叶高q 寸卜n 1 口卜口口n 寸t 西卜寸1 n 寸心卜卜n n o 卜o o o 西瓦【8一t n 的n 一峪一卜卜卜饥n 卜 o o n 西。口o 小n 西n o 西西口口 哪垂$ 捌受器 讲薄曲 咖箍 3 。 口 0 时，为冷凝器出口干度；x 0 时，反映了冷凝器出口 过冷程度，这里姑且统一称之为冷凝器出口干度。 5 2 系统参数随充灌量的变化规律 。、 、 图5 - 1冷凝器出口干度v s 充灌量 f i g 5 - ir e f r i g e r a n tq u a l i t ya tc o n d e n s e ro u t l e t v s r e f r i g e r a n tc h a r g e 图5 2 蒸发、冷凝温度v s 充灌量 f i g 5 - 2t ea n dt kv s r e f r i g e r a n tc h a r g e 图5 1 、图5 2 反映了充灌量对系统内部工况的影响。图5 - 1 给出了冷凝器 出口干度与充灌量的关系，随充灌量的增加，冷凝器出口干度逐渐减小。当充灌 第五章系统充灌量优化 量为0 1 4 k g 时，冷凝器出口工质干度为0 ，充灌量小于0 1 4 k g ，干度为正，且随 充灌量的增加减小较快；超过0 1 4 蚝，干度为负，随充灌量的增加减小变慢。图 5 2 为蒸发温度、冷凝温度与充灌量的关系，随着充灌量的增加，蒸发温度逐渐 减小，冷凝温度逐渐升高。同样，在充灌量小于0 1 4 k g 时，蒸发温度和冷凝温 度变化较大：大于0 1 4 k g 时，蒸发温度变化趋势减小，冷凝温度变化趋势则先 减小后增加。在充灌量为0 1 7 k g 左右时，冷凝温度的变化出现拐点。 图5 - 3 放映了工质质量流量随充灌量的变化。随着充灌量的增加，工质质量 流量逐渐减小，同样，在充灌量小于0 1 4 k g 时，工质循环质量流量减小较大， 大于0 1 4 k g 时，工质循环质量流量减小变得平缓，其主要受制于冷凝温度和蒸 发温度的影响。 图5 - 4 反映了制热量、制冷量和电功率随充灌量的变化趋势。从图中可以看 出，随着充灌量的增加，制热量、制冷量和压缩机电功率均递增，但变化趋势不 尽相同。在充灌量小于0 1 4 k g 时，三者均大幅度增加；大于0 1 4 k g 时，制热量 和制冷量增加变得平缓，其中制冷量趋于定值甚至有稍许减小，而对压缩机电功 率来说，充灌量小于0 1 7 k g 时，增加平缓，而当充灌量大于0 。1 7 k g ，增加加剧， 也就是说，压缩机电功率在充灌量为o 1 4 k g 一0 1 7 k g 之间时出现拐点。 亢灌量k g 图5 - 3 工质循环质量流量v s 充灌量 f i g 5 - 3m a s sf l o wr a t ev s r e f r i g e r a n tc h a r g e 图5 - 4 g ，9 和v s 充灌量 f i g 5 - 4g ，q ，a n dw v s r e f r i g e r a n tc h a r g e 图5 5 反映了性能系数与充灌量为向下的二次曲线关系。在充灌量为o 1 7 k g 附近时，系统性能系数达到最大，充灌量小于o 1 7 k g ，效率随充灌量的增加而增 加，当充灌量超过0 1 7 k g 时，效率则随充灌量的增加而减小。从变化的剧烈程 度可以看出，充灌量小对性能系数的减小程度更大。 第五章系统充灌量优化 0 0 50 1 00 1 50 2 0n 2 5n 3 00 3 50 4 00 4 5 充灌量k 喜 挎节哩坚i 蔓 面可 f 雨_ 接头1 06 接头z 女3 i越 卜 = = 磁一 撸冷凝器 一锕管 一软管 t 手动阀 0 管接头 电碰阀 图5 5 性能系数随充灌量变化曲线图5 - 6 最佳充灌量充灌图 f i g 5 5c o pv s