以R32為工質(zhì)的準(zhǔn)二級(jí)壓縮熱泵系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究

許樹(shù)學(xué) 馬國(guó)遠(yuǎn) 趙 博 劉中良

(北京工業(yè)大學(xué) 北京 100124)

當(dāng)前，市場(chǎng)上用于替代R22的制冷劑主要是R410A或R407C，此類(lèi)制冷劑具有較好的熱物性，但其GWP值較高，從目前全球節(jié)能減排的宗旨來(lái)看，其應(yīng)用也面臨著一定的威脅，2007年9月，《蒙特利爾議定書(shū)》第19次締約方會(huì)議通過(guò)了加速淘汰HCFCs的調(diào)整案，發(fā)展中國(guó)家2013年凍結(jié)在2009年～2010年的平均水平。R32以其微燃、低GWP（675）、與R410A非常相近的熱力基本參數(shù)，及價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)而引起廣泛關(guān)注，以致被認(rèn)為是最適合中國(guó)國(guó)情的下一代短期替代制冷劑[1]。

排氣溫度高是R32系統(tǒng)的一大問(wèn)題，在熱泵工況下表現(xiàn)尤甚。文獻(xiàn)[2]提出用控制吸氣過(guò)熱度及使用特種潤(rùn)滑油的方法使排氣溫度降低到適宜的范圍，但實(shí)際操作起來(lái)有些困難。準(zhǔn)二級(jí)壓縮在改善熱泵低溫制熱性能方面起到了很好的效果。其原理是在壓縮機(jī)上（如渦旋壓縮機(jī)）開(kāi)設(shè)一輔助補(bǔ)氣口，從系統(tǒng)高壓端補(bǔ)入一定量的制冷劑。國(guó)內(nèi)外均有研究成果發(fā)表，包括補(bǔ)氣機(jī)組型式[3]，不同類(lèi)型壓縮機(jī)的補(bǔ)氣特征[4]，補(bǔ)氣狀態(tài)（液態(tài)或氣態(tài)）對(duì)系統(tǒng)性能的影響等[5-6]。文獻(xiàn)[7]對(duì)以R410A為工質(zhì)的準(zhǔn)二級(jí)壓縮進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在環(huán)境溫度-17.8℃時(shí)，補(bǔ)氣較單級(jí)系統(tǒng)制熱量可提高30%，制熱性能系數(shù)提高20%。這里將準(zhǔn)二級(jí)壓縮技術(shù)運(yùn)用在R32系統(tǒng)上，著重研究R32作為熱泵工質(zhì)使用時(shí)補(bǔ)氣對(duì)其制熱性能的影響規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置依據(jù)GB/T 21363—2008搭建。流程圖及溫度、壓力測(cè)點(diǎn)如圖1所示。實(shí)驗(yàn)裝置由冷卻水系統(tǒng)、熱泵系統(tǒng)、冷凍水系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。壓縮機(jī)技術(shù)參數(shù)為：吸氣容積為80cm3/r，額定輸入功率為4.55 kW，轉(zhuǎn)速2800r/min。實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)調(diào)節(jié)冷凍水內(nèi)電加熱器的加熱功率來(lái)控制壓縮機(jī)吸氣溫度；通過(guò)調(diào)節(jié)主路手動(dòng)節(jié)流閥開(kāi)度來(lái)控制循環(huán)制冷劑流量，從而控制蒸發(fā)壓力；通過(guò)調(diào)節(jié)冷凝器冷卻水流量及進(jìn)水溫度來(lái)控制冷凝壓力。

圖1 R32準(zhǔn)二級(jí)壓縮熱泵系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 Experimental setup of R32 quasi two-stage compression heat pump system

實(shí)驗(yàn)中控制冷凝溫度40℃，蒸發(fā)溫度to分別為-5℃和-10℃。中間壓力的調(diào)節(jié)通過(guò)調(diào)節(jié)補(bǔ)氣回路中的手動(dòng)節(jié)流閥來(lái)實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)中間壓力從最小（約0.8MPa）至最大（等于冷凝壓力）的調(diào)節(jié)。為防止補(bǔ)氣過(guò)程氣體的倒流，在補(bǔ)氣回路上設(shè)置了單向閥。

為保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的通用性，定義相對(duì)中間壓力δ：

式中：δ—相對(duì)中間壓力，無(wú)量綱； pm—中間壓力，MPa； po—蒸發(fā)壓力，MPa； pk—冷凝壓力，MPa

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

圖2表示制熱量Qk隨相對(duì)中間壓力δ的變化關(guān)系。由圖可知，制熱量隨δ的增加而增大。如蒸發(fā)溫度為-10℃，相對(duì)中間壓力從0.79增加到1.63時(shí)，制熱量從10.97 kW提高到11.61 kW，提高5.8%；蒸發(fā)溫度-5℃時(shí)，相對(duì)中間壓力δ從0.7增至1.52，制熱量從11.64 kW提高至13.15 kW，提高12.9%。蒸發(fā)溫度為-5℃時(shí)，單級(jí)壓縮系統(tǒng)制熱量為11.74 kW，準(zhǔn)二級(jí)壓縮可比單級(jí)系統(tǒng)制熱量提高12%。其原因主要是因補(bǔ)氣帶來(lái)的排氣量的增加。

圖2 Qk隨相對(duì)中間壓力δ變化Fig.2 The variation of Qk with δ

圖3 P隨相對(duì)中間壓力δ變化Fig.3 The variation of P with δ

圖3表示輸入功率P隨相對(duì)中間壓力的變化。-5℃及-10℃，輸入功率均隨中間壓力的增加而增加，原因是壓縮機(jī)的排氣量的增加導(dǎo)致了壓縮機(jī)輸入功率的增加。如-5℃蒸發(fā)溫度下，補(bǔ)氣前、后壓縮機(jī)的輸入功率從5.89 kW變?yōu)?.11 kW，提高20.7%。

圖4 制熱COPh隨相對(duì)中間壓力δ變化Fig.4 The variation of heating COPh with δ

圖4表示制熱性能系數(shù)COPh隨相對(duì)中間壓力δ的變化關(guān)系。制熱性能系數(shù)COPh隨δ的增加而降低。這主要是隨著中間壓力的增加，雖然制熱量增大了，但同時(shí)輸入功率也增加了，且相對(duì)增加的更多。大約以δ為1.04（中間壓力為1.2MPa）為分界線，低于此值時(shí)，制熱性能系數(shù)COPh高于單級(jí)壓縮系統(tǒng)；高于此值時(shí)，制熱性能系數(shù)COPh低于單級(jí)壓縮系統(tǒng)。相對(duì)中間壓力為0.91時(shí)，制熱COPh為2.16，較單級(jí)壓縮系統(tǒng)（COPh為1.99）提高8.5%。

因此，相對(duì)補(bǔ)氣壓力的適宜值應(yīng)在0.9～1.1之間比較適宜，低于此范圍，雖然系統(tǒng)有較高的制熱COPh，但制熱量不高；高于此值時(shí)，補(bǔ)氣對(duì)COPh值的改善不明顯，甚至?xí)陀趩渭?jí)壓縮系統(tǒng)。

圖5 排氣溫度隨相對(duì)中間壓力δ變化Fig.5 The variation of discharge temperature with δ

圖5表示了排氣溫度隨δ的變化規(guī)律。在-5℃蒸發(fā)溫度時(shí)，補(bǔ)氣可使排氣溫度降低10℃～15℃。蒸發(fā)溫度低于-10℃時(shí)，即使在最大的中間壓力下，排氣溫度依然會(huì)上升很快而被迫停機(jī)，因此圖中缺少了蒸發(fā)溫度低于-10℃的數(shù)據(jù)。蒸發(fā)溫度-10℃時(shí)，單級(jí)壓縮系統(tǒng)的排氣溫度將在運(yùn)行3分鐘內(nèi)超過(guò)135℃，此時(shí)打開(kāi)補(bǔ)氣回路，系統(tǒng)以準(zhǔn)二級(jí)壓縮運(yùn)行，確保了壓縮機(jī)的長(zhǎng)時(shí)間安全運(yùn)行，排氣溫度始終沒(méi)超過(guò)130℃。

由上面可知，在蒸發(fā)溫度高于-10℃時(shí)，R32的準(zhǔn)二級(jí)壓縮系統(tǒng)對(duì)降低排氣溫度，提高制熱量并保證制熱COPh處在較高的水平具有優(yōu)良的效果，因此可作為冬季制熱條件下的熱泵空調(diào)使用。

3 結(jié)論

搭建了壓縮式熱泵系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，對(duì)以R32為工質(zhì)的準(zhǔn)二級(jí)壓縮熱泵制熱性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)論如下：

1）冷凝溫度為40℃時(shí)，蒸發(fā)溫度在-10℃時(shí)，系統(tǒng)按準(zhǔn)二級(jí)壓縮方式運(yùn)行可保證機(jī)組正常工作。

2）蒸發(fā)溫度-10℃～-5℃時(shí)，準(zhǔn)二級(jí)壓縮可使得R32機(jī)組排氣溫度降低10℃～20℃，制熱量提高12%。

3）制熱性能系數(shù)COPh隨中間壓力的增加而降低。綜合考慮制熱量及制熱COPh，相對(duì)補(bǔ)氣壓力取值范圍為0.9～1.1。

[1]史琳，朱明善. 家用/商用空調(diào)用R32替代R22的再分析[J]. 制冷學(xué)報(bào), 2010, 31(2): 1-5. (Shi Lin, Zhu Mingshan. Re-analysis on using R32 to substitute for R22 in household/commercial air-conditioning [J]. Journal of Refrigeration, 2010, 31(2): 1-5.)

[2]矢島,龍三郎,吉見(jiàn),等.降低R32壓縮機(jī)排氣溫度的方法[C]//第五屆中國(guó)制冷空調(diào)行業(yè)信息大會(huì)暨推進(jìn)HCFCs加速淘汰國(guó)際論壇論文集.北京:中國(guó)制冷空調(diào)工業(yè)協(xié)會(huì),2010: 166-170.

[3]Ma Guoyuan, Zhao Huixia. Experimental study of a heat pump system with flash-tank coupled with scroll compressor[J]. Energy and Buildings, 2008, 40: 697-701.

[4]許樹(shù)學(xué)，馬國(guó)遠(yuǎn)，彭瓏. 常用制冷壓縮機(jī)的準(zhǔn)二級(jí)壓縮循環(huán)特性分析[J]. 石油化工設(shè)備,2009, 38(4): 1-4.(Xu Shuxue, Ma Guoyuan, Peng Long. Feature study on quasi two-stage compression cycle composed by different type of refrigerant compresser[J]. Petro-Chemical Equipment, 2009, 38(4): 1-4.)

[5]Honghyun Cho, Jin Taek Chung, Yongchan Kim.Influence of liquid refrigerant injection on the performance of an inverter-driven scroll compressor[J].International Journal of Refrigeration, 2003, 26: 87-94.

[6]E L Winandy, J Lebrun. Scroll compressors using gas and liquid injection: experimental analysis and modelling[J].International Journal of Refrigeration,2002,25:1143-1156.

[7]Xudong Wang, Yunho Hwang, Reinhard Radermacher.Two-stage heat pump system with vapor-injected scroll compressor using R410A as a refrigerant[J]. International Journal of Refrigeration, 2009, 32: 1442-1451.