准二级压缩 - 喷射热泵的设计与实验研究 - 图文-

1、第38卷第1期2010年1月化 学 工 程C H E M IC A L ENG I N EER I NG (CH I NA V o.l 38N o .1Jan .2010基金项目:国家自然科学基金资助项目(50776001作者简介:许树学(1981 ,男,博士研究生,主要从事制冷热泵技术的研究,E m ai:l xs xe m ai.l b j ut .edu .cn ;马国远(1963 ,男,教授,博士生导师,通讯联系人,主要从事制冷热泵技术、建筑物余热回收研究,电话:(01067391613。准二级压缩 喷射热泵的设计与实验研究许树学,马国远,彭 珑(北京工业大学环境与能源工程学院,北京

2、100124摘要:为回收利用普通准二级压缩热泵系统中补气回路的有用能,提出了准二级压缩 喷射热泵系统。文中对其设计方法进行了介绍,搭建了蒸发温度-20 样机实验台。测试结果表明,在保证制热量的情况下,能效比较普通补气系统增加3% 5%,设计方法能为其他工质、其他容量的涡旋压缩机准二级压缩 喷射复合热泵系统的设计提供参考。关键词:热泵;喷射器;系统设计中图分类号:TB 6 文献标识码:A 文章编号:1005 9954(201001 0099 04Experim ental research and design of quasi two st age heatpu mp syste m coup

3、led wit h ejectorXU Shu xue ,MA Guo yuan ,PENG Long(Co llege of Env ironm ental and Energy Eng i n eer i n g ,Be iji n g Un i v ersity of Techno l o gy ,B eiji n g 100124,Chi n aAbst ract :I n or der to recover the ava ilab le energy i n the supp le m entary circuit of the quasi t w o stage co m pre

4、ssion heat pu m p syste m,a quasi t w o stage co m pression heat pu m p syste m coupled w ith ejector w as brought for w ard ,andt h e desi g n m ethod o fw hich w as presented and experi m enta l setup was established w ith t h e evaporation te m perature of -20 .The resu lts de m onstrate that the

5、 heati n g energy effic iency ratio (EER o f the heat pum p syste m w ith e j e ctor can be 3% 5%h i g her than thatw ithout ejector wh il e the heati n g capacity keeps nearl y constan.t The design m ethod is he l p fu l to desi g n quasi t w o stage heat pum p coupled w ith ejector for different w

6、ork i n g fl u i d s or other capacity co mpresso rs .K ey w ords :heat pum p ;e jector ;syste m desi g n 为解决空气源热泵系统在低温环境下制热运行时制热量小、能效比低的问题,研究者做了大量的工作。在众多方案中,涡旋压缩机补气的准二级压缩热泵系统被认为是技术上合理、实际可行的解决方案。21世纪初,研究者建立了准二级压缩热泵的热力学分析模型,确定出了最优的中间压力范围,通过实验或理论分析了不同型式的准二级压缩各自的运行特性1 3。但普通的补气热泵系统,辅助回路中的节流元件具有较大的有效能损失,

7、为回收此部分能量,在普通补气系统基础上提出了带有喷射器的涡旋压缩机补气热泵系统,即准二级压缩 喷射热泵系统。文献4搭建了喷射器补气热泵系统的试验台,试验结果表明,带喷射器的热泵系统较普通补气系统,制热量可增大10%左右,制热性能系数提高4%左右。喷射器应用在氟利昂类工质中,是近几年喷射式制冷的研究热点5 6。它解决了普通以水为工质的喷射制冷不能制取0 以下低温的问题,并使回收更低温度的余/废热成为可能。20世纪80 90年代,国内的研究者将喷射器应用在冰箱中,回收压力能并制取冷冻温度7 8。应用在涡旋压缩机准二级压缩热泵系统中的喷射器,工作、引射流体以及压缩流体参数均不同于喷射式制冷机组或喷射

8、真空设备,须重新考虑喷射器的结构参数设计及工质流量的匹配。本文以一台国内某厂生产的R22涡旋压缩机为例,对准二级压缩 喷射复合热泵系统设计进行系统介绍,其中重点介绍所用喷射器的设计方法,并测试样机的运行性能。1 准二级压缩 喷射复合热泵系统的设计准二级压缩 喷射复合热泵系统原理如图1所示。与普通的准二级压缩不同之处是补气回路中用喷射器代替普通的节流阀。由于喷射器具有回收高压流体压力能的作用,并改变补入压缩机内气体的状态, 因此可在更大程度上改进热泵性能。图1 准二级压缩 喷射热泵系统图F i g .1 Pri nci p le of quasi t w o st age co m pressi

9、 on h eat pumps yste m coup l ed w it h eject or1.1 补气口的设计补气口位置在一定的范围内变化对于系统的运行安全不造成影响,但为保证系统在低温下的制热性能,最合理的开孔位置在吸气腔刚闭合处1 2。开孔的形状对性能影响不大,考虑可加工性选择圆形即可,开孔时在涡旋盘的相邻2个工作腔成对开设,并确保不使2个相邻的工作腔连通发生级间串气的严重后果。依靠油膜进行密封的压缩机,壁厚较大可以加工尺寸稍大些;靠密封圈进行密封的压缩机,密封圈的厚度较小(大多为2mm ,补气口要开得相对小一些。1.2 喷射器的设计图2为喷射器示意图。在喷射器中,高压的工作流体经喷

10、射器内的喷嘴后速度增大压力降低,靠低压及高速将引射流体吸引到吸收室内,在扩压室内,混 合流体进行扩压过程,最终以压缩压力从喷射器射出。对于涡旋压缩机来说,压缩压力p C 即为压缩机的补气压力。压缩机进行了部分程度的预压缩后,腔内气体压力变为p 2(状态2处的制冷剂的压力进行第2阶段的边补气边旋转压缩阶段。且在补气管路上设置有避免腔内气体倒流的单向阀,则有p C p 2(1A p 喷嘴喉部面积;A p1 喷嘴出口截面面积;A 2 混合室入口截面面积;A 3 混合室圆柱段截面面积图2 喷射器F i g .2 Sk etch of ej ector描述喷射器性能的重要参数是喷射系数u ,其定义为引射

11、流体的质量流量与工作流体的质量流量之比。当工作流体压力及引射流体压力一定时,喷射系数主要受压缩压力的影响,喷射系数u 随压缩压力p C 的变化关系如图3所示。图3 喷射器喷射系数与压缩压力变化关系F i g .3 V ariati on of entrai nm ent rati o w it h co m p ress press u re由图3可知,喷射系数随压缩压力的增加而降低,当压缩压力增大到1.0M Pa 后,喷射系数将降低到0.1以下;相同的压缩压力下,引射压力越高喷射系数越大。为保证喷射器的效果,使之工作在一定的喷射系数下,在本研究范围内取喷射系数不小于0.14,相应的压力p C

12、 u 为p C p C u(2在图1所示的准二级压缩 喷射热泵系统中,打开阀3,同时关闭阀1,2,则系统按普通的补气方式运转。补气增加了压缩机的排气量,从而使压缩机的制热量增加;同时,补气还改善了压缩机的工作过程,提高了压缩机的效率,因此制热性能系数EER 有所提高。但补气压力不是越高越好。研究表明,补气压力存在一个最佳值2,超过某值后补气压力100 化学工程 2010年第38卷第1期的增大会带来压缩机耗功量的增加,使制热EER 降低。综上即可确定压缩压力,进而确定喷射器的喷射系数。给定热泵的蒸发温度与冷凝温度,压缩流体焓值由下式确定:H C =H p +u H H1+u(3式中:H p 为工

13、作流体焓值,kJ/kg ;H C 为压缩流体焓值,kJ/kg ;H H 为引射体焓值,kJ/kg ;u 为喷射系数,等于引射量与工作流体量之比。根据刚性容器的补气原理求得相对补气量:=q m 2 -q m 2q m 2=v 2RKT 6(p C -p 2 p(4式中:q m 2为状态2处的制冷剂质量流量,kg /s ;q m 2 为状态2 处的制冷剂质量流量,kg /s ;R 为制冷剂的气体常数,kJ/(kg K ;T 为制冷剂温度,K ;K 为等熵指数;v 2为状态2处的制冷剂的比体积,m 3/kg ; p 为补气过程的损失系数,取0.2。工作流体流量由喷射器内喷嘴喉部截面积及流体参数决定:

14、q m p =A p p q p(5式中:q m p 为喷射器工作流体流量,kg /s ;A p 为喷嘴喉部面积,m 2; p 为喷嘴喉部工作流体密度,kg /m 3;q p 为喷嘴喉部工作流体速度,m /s通过喷射器计算出的相对补气量a 如式(6所示:a =q m d -q m s q m s =q m p (1+u n s V V /60(6式中:q m s 为压缩机吸气量,kg /s ;q m d 为压缩机排气量,kg /s ;n 为压缩机转速,r/m i n ; s 为吸气密度,kg /m 3;V 为压缩机吸气腔容积,m 3; V 为压缩机容积效率。联立式(5 (6,并代入压缩机的技术

15、参数:吸气容积、容积效率、压缩机转速,则可求出喷射器喷嘴喉部面积A p 进而求得喷射器各个截面的尺寸10。2 样机设计与测试以国内某厂生产的的涡旋压缩机为例进行准二级压缩 喷射复合热泵系统设计。所用压缩机技术参数如下:吸气容积为80c m 3/r ,额定输入功率为4.55k W,转速2800r/m i n ,运行工况为蒸发、冷凝温度分别为-20,45 。喷射器截面尺寸如表1所 示。表1 喷射器主要截面尺寸T able 1 D i m ension o fm a i n section o f e j ecto rA p /mm 2A p1/mm 2A 2/mm 21p C 为喷射器出口压力。样

16、机由热泵系统、冷水系统和热水系统3部分组成。冷、热水系统分别形成热泵的低温端和高温端,利用加热器、冷却塔等设备并通过微电脑稳定其温度。被测或计算的参数包括机组的制热量、压缩机输入功率、制热能效比EER 等。实验的目的是测试样机在低温工况下的运行性能,实验方法符合GB10870 89 容积式冷水机组性能实验方法 及J B /T4329 1997 容积式冷水(热泵机组 。样机测试结果整理在图4 6的曲线中。图4为相对补气量随蒸发温度变化关系。普通补气系统和喷射器系统的补气量均随蒸发温度的增101 许树学等 准二级压缩 喷射热泵的设计与实验研究加而降低,其原因是蒸发温度越低,补气压力与压缩机腔内压差

17、越大;同一补气压力下,喷射器系统的补气压力大于普通补气系统,原因是喷射器引射了来自蒸发器的低焓蒸汽,导致补入压缩机的气体过热度低比体积较小;在-20 喷射器处在设计工况附近,喷射器的引射性能最佳,使得喷射器系统的相对补气量与普通补气系统的差值存在一最大点。图5表示制热量随蒸发温度变化关系。喷射器系统的制热量稍高于普通补气系统,并随蒸发温度的降低差距有扩大的趋势。原因是虽然喷射器系统补气量高于普通的补气系统,但由于补入的低焓值气体导致了排气焓值的降低,而制热量等于排气焓差与流量的乘积,即只有当排气焓差与流量的乘积大时制热量才会增大。图6表示制热性能系数EER随蒸发温度变化关系。补气后压缩机的输入

18、功率变化不大,但比单级系统要提高约1.5% 3.4%。这主要是随着蒸发温度的降低,补气量同时增加的结果;相同蒸发温度下,喷射器热泵系统的输入功率低于普通系统约4%,原因是喷射器系统引射了低焓值的气体,对压缩机的冷却作用更大程度上提高了压缩机的指示效率。喷射器热泵系统制热量相对普通补气系统不减少,因此制热能效比EER平均提高3% 5%。并且随着蒸发温度的降低,喷射器补气对EER的改善程度会增大。充分体现了喷射器补气对热泵系统制热性能的改善效果。另一方面,随着蒸发温度的升高,喷射器补气对热泵系统制热性能的相对改善效果会减弱,当蒸发温度-15 时与普通补气效果趋同。其原因是蒸发温度较高时(本实验用压

19、缩机为-15 及以上,由图4可知,对压缩机的相对补气量会减小,从20% 30%减至10%以下,使得无论普通补气还是喷射补气,对系统性能改进均减弱,并使喷射器的相对效果不再明显。3 结论(1保证最佳制热性能,补气口设在吸气腔刚闭合的位置,并保证不造成级间串气。(2以普通准二级压缩机组为依据,结合喷射器的最佳运行工况,确定喷射器系统的最佳补气压力。 (3喷射器内的工质流量与压缩机补气流量要相匹配,以此为依据确定喷射器截面尺寸。对蒸发温度为-20 的某涡旋压缩机进行了系统设计,样机测试结果表明,通过此方法设计出的喷射器热泵系统,较普通补气热泵系统,提高了相对补气量,进一步降低了压缩机的排气焓值,保证

20、了机组在低温环境下的稳定性;同时,在保证了机组的制热量的前提下,使热泵系统的能效比提高3% 5%。有关方法对准二级压缩 喷射复合热泵系统的设计具有指导意义。参考文献:1 W I NAN DY E L,LEBRUN J.Scro ll com pre sso rs usinggas and li qu i d i n j ec ti on:expe ri m en tal analysis and m ode llingJ.In ternati onal Journa l of R efr i gerati on,2002,24:1143 1156.2 M A Guoyuan,CHA I Q i nhu.Character i stics o f an i m provedhea t pu mp cyc l e for co ld reg ionsJ.A pp lied Ene rgy,2004,77(3:235 247.3 M A G uoyuan,Z HAO H u i x ia.Experi m enta l study o f a heatpu m p syste m w ith fl ash t