閃發(fā)器熱泵系統(tǒng)與單級(jí)壓縮系統(tǒng)性能比較

劉桂蘭， 袁 泉， 梁平原

（1.廣州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械與電子學(xué)院，廣東 廣州 510430；2.吉首大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 吉首 416000）

閃發(fā)器熱泵系統(tǒng)與單級(jí)壓縮系統(tǒng)性能比較

劉桂蘭1， 袁 泉1， 梁平原2

（1.廣州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械與電子學(xué)院，廣東 廣州 510430；2.吉首大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 吉首 416000）

文章建立了帶閃發(fā)器前節(jié)流的渦旋壓縮機(jī)熱泵系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，以哈爾濱的氣象參數(shù)為例，利用迭代算法，對(duì)帶閃發(fā)器的熱泵系統(tǒng)進(jìn)行了模擬仿真計(jì)算，比較了補(bǔ)氣系統(tǒng)和單級(jí)壓縮系統(tǒng)的性能，得出閃發(fā)器系統(tǒng)模式和普通單級(jí)壓縮系統(tǒng)模式的最佳切換區(qū)域。

熱泵系統(tǒng)；閃發(fā)器；單級(jí)壓縮；渦旋壓縮機(jī)；低溫制熱

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)近幾年的高速發(fā)展，國(guó)民的生活水平有了顯著的提高。熱泵空調(diào)機(jī)組尤其是空氣源熱泵空調(diào)機(jī)組在我國(guó)長(zhǎng)江中下游地區(qū)得到廣泛的應(yīng)用［1］。而對(duì)于我國(guó)北方寒冷地區(qū)，長(zhǎng)期依靠燃煤、燃油取暖，嚴(yán)重的空氣污染給環(huán)境帶來(lái)巨大壓力，因此，對(duì)于以上地區(qū)，探尋出一種清潔、節(jié)能的取暖方式已成為當(dāng)務(wù)之急。空氣源熱泵是環(huán)保型高效節(jié)能的供熱裝置，其低位熱源是環(huán)境空氣，具有無(wú)污染物排放的特點(diǎn)，符合供暖的理想模式。目前，我國(guó)空氣源熱泵應(yīng)用日趨廣泛，在建筑節(jié)能、替代燃煤供熱等工程中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。空氣源熱泵以電能為驅(qū)動(dòng)力，將室外環(huán)境空氣作為冷、熱源，向被調(diào)節(jié)對(duì)象提供冷、熱量。這種環(huán)保、高效的能源供給方式在低位能源利用方面具有明顯的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。但在北方冬季采暖季節(jié)隨著環(huán)境溫度的降低，其制熱系數(shù)受蒸汽壓縮循環(huán)特性的限制，會(huì)迅速衰減，無(wú)法正常工作，從而限制了空氣源熱泵的應(yīng)用范圍。針對(duì)這一問(wèn)題，有學(xué)者提出了帶經(jīng)濟(jì)器的渦旋熱泵系統(tǒng)，有效地解決了空調(diào)熱泵系統(tǒng)在低溫工況下制熱能力不足和壓縮機(jī)排氣溫度過(guò)高等問(wèn)題［2－6］，使熱泵系統(tǒng)的應(yīng)用范圍得到了擴(kuò)展。但由于環(huán)境溫度特別低的情況持續(xù)時(shí)間一般較短，因而系統(tǒng)的整體經(jīng)濟(jì)性變得非常差。如何兼顧機(jī)組在正常的制冷／制熱以及低溫制熱工況下運(yùn)行時(shí)的經(jīng)濟(jì)性和可靠性，使系統(tǒng)根據(jù)室外溫度的變化，進(jìn)行不同運(yùn)行模式的切換，有關(guān)這方面的研究比較少，為此，筆者建立了帶閃發(fā)器前節(jié)流的渦旋壓縮機(jī)熱泵系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，以哈爾濱的氣象參數(shù)為例，利用迭代算法，對(duì)帶閃發(fā)器的熱泵系統(tǒng)進(jìn)行了模擬仿真計(jì)算，比較了閃發(fā)器補(bǔ)氣系統(tǒng)和普通單級(jí)壓縮系統(tǒng)的性能，得出閃發(fā)器系統(tǒng)模式和普通單級(jí)壓縮系統(tǒng)模式的最佳切換區(qū)域，使系統(tǒng)根據(jù)室外溫度的變化進(jìn)行運(yùn)行模式的切換，保證系統(tǒng)既可靠又經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行，提高系統(tǒng)的整體運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。

1 閃發(fā)器前節(jié)流系統(tǒng)循環(huán)

經(jīng)濟(jì)器系統(tǒng)的基本型式有2種：閃發(fā)器系統(tǒng)和過(guò)冷器系統(tǒng)，閃發(fā)器系統(tǒng)又可分為閃發(fā)器前節(jié)流系統(tǒng)和閃發(fā)器后節(jié)流系統(tǒng)，閃發(fā)器前節(jié)流是兩級(jí)節(jié)流的經(jīng)濟(jì)器系統(tǒng)［7］。

閃發(fā)器前節(jié)流系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 閃發(fā)器前節(jié)流系統(tǒng)

該系統(tǒng)采用帶輔助進(jìn)氣口的渦旋壓縮機(jī)。渦旋壓縮機(jī)排出的高溫、高壓制冷劑氣體（3點(diǎn)），經(jīng)冷凝器將熱量傳遞給載熱介質(zhì)后變?yōu)橐后w（4點(diǎn)），升溫后的載熱介質(zhì)可用于采暖或其他用途。從冷凝器出來(lái)的高壓制冷劑液體經(jīng)膨脹閥A節(jié)流到某一壓力變?yōu)槠夯旌衔铮?′點(diǎn)）后進(jìn)入閃發(fā)器，在閃發(fā)器中，處于上部的閃發(fā)蒸汽通過(guò)輔助進(jìn)氣口（6點(diǎn)）被壓縮機(jī)吸入，此回路稱為輔路；蒸汽的不斷閃發(fā)致使閃發(fā)器下部的液體過(guò)冷，過(guò)冷后的液體（5點(diǎn)）再經(jīng)膨脹閥B節(jié)流到蒸發(fā)壓力（5′點(diǎn)）后進(jìn)入蒸發(fā)器，此回路稱為主路。在蒸發(fā)器內(nèi)，主路的制冷劑吸收低溫環(huán)境中的熱量而變?yōu)榈蛪簹怏w通過(guò)吸氣口（1點(diǎn)）被壓縮機(jī)吸入，壓縮到一定壓力后（2點(diǎn)）和輔路吸入的制冷劑（6點(diǎn)）在壓縮機(jī)工作腔內(nèi)混合（2′點(diǎn)），再進(jìn)一步壓縮后排出壓縮機(jī)外（3點(diǎn)），從而構(gòu)成了封閉的工作循環(huán)［8］。

2 數(shù)學(xué)模型的建立

這里以帶閃發(fā)器前節(jié)流的渦旋壓縮機(jī)熱泵系統(tǒng)為例，將渦旋壓縮機(jī)的補(bǔ)氣過(guò)程模型簡(jiǎn)化為絕熱增壓、等容混合的過(guò)程，不考慮補(bǔ)氣過(guò)程的壓力損失，應(yīng)用變工質(zhì)的熱力學(xué)第一定律，則壓縮機(jī)所能容納的中壓相對(duì)補(bǔ)氣量可以表示為：

計(jì)算時(shí)，若考慮補(bǔ)氣過(guò)程中壓力損失，則（1）式成為：

其中，mb為通過(guò)補(bǔ)氣回路的制冷劑流量；m0為蒸發(fā)器的制冷劑流量；mk為冷凝器的制冷劑流量；v2為點(diǎn)2的制冷劑比容；R為制冷劑的氣體常數(shù)；k為制冷劑的等熵指數(shù)；T6為點(diǎn)6的制冷劑溫度；p2、p6為點(diǎn)2、6的制冷劑壓力；ξp為補(bǔ)氣過(guò)程的壓力損失系數(shù)，其值由實(shí)驗(yàn)確定，取值范圍為0.2～0.4。

影響補(bǔ)氣過(guò)程的壓力損失系數(shù)的主要因素為中間補(bǔ)氣壓力，中間補(bǔ)氣壓力越大，取值越小；反之，取值越大。

根據(jù)閃發(fā)器的能量平衡方程（1＋a2）h4＝a2h6＋h5，閃發(fā)器能夠供給的相對(duì)補(bǔ)氣量即循環(huán)相對(duì)閃發(fā)蒸汽量可以表示為：

其中，h4、h5、h6分別表示狀態(tài)4點(diǎn)、5點(diǎn)、6點(diǎn)的焓值。由（2）式可知，壓縮機(jī)所能容納的中壓相對(duì)補(bǔ)氣量隨中間補(bǔ)氣壓力的升高而升高，而由（3）式可知，閃發(fā)器的相對(duì)閃發(fā)蒸汽量隨中間補(bǔ)氣壓力的升高而降低，因此必然存在中間補(bǔ)氣壓力使a1＝a2，此時(shí)系統(tǒng)達(dá)到平衡并處于穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)，所對(duì)應(yīng)的中間補(bǔ)氣壓力稱為平衡補(bǔ)氣壓力。

3 模擬仿真計(jì)算

3.1 迭代算法與計(jì)算流程

平衡補(bǔ)氣壓力的求得可通過(guò)迭代的方法，計(jì)算時(shí)應(yīng)先假定中間補(bǔ)氣壓力pm，根據(jù)補(bǔ)氣－壓縮過(guò)程的計(jì)算模型、閃發(fā)器的能量平衡方程式分別計(jì)算出a1、a2，看a1、a2的誤差是否小于設(shè)定值，并且保證補(bǔ)氣－壓縮結(jié)束時(shí)壓縮腔中的制冷劑壓力小于中間補(bǔ)氣壓力pm，結(jié)束迭代過(guò)程，否則重新假定中間補(bǔ)氣壓力pm，繼續(xù)迭代計(jì)算。整個(gè)補(bǔ)氣－壓縮過(guò)程的迭代算法如圖2所示。

圖2 補(bǔ)氣－壓縮過(guò)程迭代算法

以國(guó)內(nèi)某廠生產(chǎn)的渦旋壓縮機(jī)為例，對(duì)閃發(fā)器前節(jié)流循環(huán)進(jìn)行了模擬仿真計(jì)算，整個(gè)模擬仿真計(jì)算流程如下所述。

（1）輸入物性常系數(shù)、壓縮機(jī)的參數(shù)和計(jì)算工況；具體數(shù)值見(jiàn)以下3.2。

（2）求出無(wú)補(bǔ)氣的單級(jí)壓縮系統(tǒng)的性能參數(shù)值，進(jìn)行補(bǔ)氣前內(nèi)壓縮過(guò)程的性能計(jì)算；主要計(jì)算指標(biāo)為制熱量、制熱COP、電功率、排氣溫度等。

（3）根據(jù)補(bǔ)氣－壓縮過(guò)程的迭代計(jì)算模型計(jì)算補(bǔ)氣結(jié)束時(shí)的參數(shù)，進(jìn)行補(bǔ)氣結(jié)束后內(nèi)壓縮過(guò)程的性能計(jì)算，計(jì)算出閃發(fā)器系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)；主要計(jì)算指標(biāo)同以上步驟（2）。

（4）計(jì)算結(jié)束。

3.2 蒸發(fā)溫度與壓縮機(jī)參數(shù)的確定

在我國(guó)，帶閃發(fā)器的熱泵系統(tǒng)主要應(yīng)用于我國(guó)長(zhǎng)江以北地區(qū)。以哈爾濱為例，哈爾濱的氣象參數(shù)如圖3、圖4所示，選定蒸發(fā)溫度分別為0、－5、－10、－15、－20、－25℃時(shí)，對(duì)閃發(fā)器前節(jié)流系統(tǒng)和普通單級(jí)壓縮系統(tǒng)進(jìn)行熱力計(jì)算分析。

選定壓縮機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)如下：吸氣容積為80cm3／rev，額定輸入功率為4.55kW，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速為2 800r／min，額定工作電流為8.6A，制冷劑為R22。根據(jù)渦旋壓縮機(jī)的產(chǎn)品樣本，其額定工況的吸入氣體過(guò)熱度為11.1℃，過(guò)冷卻度為8.3℃，因此模擬仿真計(jì)算時(shí)假設(shè)壓縮機(jī)的吸氣過(guò)熱為10℃，冷凝出來(lái)的液體過(guò)冷5℃；壓縮機(jī)的絕熱效率取0.85，冷凝溫度為45℃；蒸發(fā)溫度分別為0、－5、－10、－15、－20、－25℃，中間壓力為0.9MPa［4］。

圖3 哈爾濱全年氣候參數(shù)

圖4 哈爾濱最冷月干球溫度變化

3.3 計(jì)算

根據(jù)制冷劑lgp－h(huán)的性質(zhì)確定各狀態(tài)點(diǎn)的焓：

當(dāng)工作循環(huán)各狀態(tài)點(diǎn)的焓確定之后，根據(jù)各性能參數(shù)之間的關(guān)系，可以求出機(jī)組的主要性能指標(biāo)。

制熱量：

制冷量：

壓縮功：

制熱COP：

4 計(jì)算結(jié)果分析

對(duì)閃發(fā)器前節(jié)流系統(tǒng)和普通單級(jí)壓縮系統(tǒng)進(jìn)行模擬仿真的計(jì)算結(jié)果如圖5～圖8所示。從圖5～圖7的數(shù)據(jù)可以看出，補(bǔ)氣系統(tǒng)模式在室外氣溫較低時(shí)，提高制熱量和制熱COP、降低壓縮機(jī)的排氣溫度方面有著明顯的優(yōu)勢(shì)，但是這種優(yōu)勢(shì)隨著蒸發(fā)溫度的上升將趨于下降。

從系統(tǒng)制熱量的角度來(lái)看，到蒸發(fā)溫度為－5℃時(shí)，補(bǔ)氣一直可以增大系統(tǒng)的制熱量；但是就制熱COP而言，在蒸發(fā)溫度為－10℃時(shí)，閃發(fā)器系統(tǒng)模式的制熱COP僅比單級(jí)系統(tǒng)提高了2.8%，因此當(dāng)蒸發(fā)溫度高于－10℃時(shí)，補(bǔ)氣所帶來(lái)的改善效果比較微弱。

圖5 單級(jí)系統(tǒng)與閃發(fā)器系統(tǒng)制熱量比較

圖6 單級(jí)系統(tǒng)與閃發(fā)器系統(tǒng)制熱COP比較

圖7 單級(jí)系統(tǒng)與閃發(fā)器系統(tǒng)排氣溫度比較

圖8 單級(jí)系統(tǒng)與閃發(fā)器系統(tǒng)電功率比較

從圖8電功率隨蒸發(fā)溫度的變化情況中可以看出，閃發(fā)器前節(jié)流系統(tǒng)和普通單級(jí)系統(tǒng)的電功率隨著蒸發(fā)溫度的變化趨勢(shì)有著很大的不同：閃發(fā)器前節(jié)流系統(tǒng)的電功率隨著蒸發(fā)溫度的降低而升高，只是升高的幅度不大；普通單級(jí)系統(tǒng)的電功率隨著蒸發(fā)溫度的降低基本呈線性降低。其主要原因是：當(dāng)冷凝溫度不變而蒸發(fā)溫度降低時(shí)，意味著壓縮機(jī)的吸氣壓力降低而使其承受的壓力比增加，對(duì)于普通單級(jí)系統(tǒng)，這時(shí)由于壓縮機(jī)輸氣量的明顯減小而使壓縮機(jī)消耗的電功率降低；對(duì)于閃發(fā)器前節(jié)流系統(tǒng)，這時(shí)雖然壓縮機(jī)的吸氣量明顯減少，但是其相對(duì)補(bǔ)氣量隨著蒸發(fā)溫度的降低而明顯增大，因此壓縮機(jī)實(shí)際處理的制冷劑流量變化不大，導(dǎo)致電功率隨著蒸發(fā)溫度的降低而升高，只是升高的幅度不大。

大家關(guān)心的不僅僅是系統(tǒng)的制熱量、電功率，而更加關(guān)心的是系統(tǒng)的制熱COP［9］，因此閃發(fā)器系統(tǒng)模式和普通單級(jí)壓縮系統(tǒng)模式的最佳切換區(qū)域應(yīng)選取當(dāng)兩者的制熱COP比較接近時(shí)的蒸發(fā)溫度范圍。本文選為－10～－5℃：當(dāng)蒸發(fā)溫度低于－10℃時(shí)，普通單級(jí)壓縮系統(tǒng)的制熱量和制熱COP明顯低于閃發(fā)器系統(tǒng)，且排氣溫度隨著蒸發(fā)溫度的降低持續(xù)升高，建議采用補(bǔ)氣系統(tǒng)模式；當(dāng)蒸發(fā)溫度高于－5℃時(shí)，補(bǔ)氣所帶來(lái)的改善效果比較微弱，建議采用普通單級(jí)壓縮系統(tǒng)模式；在－10～－5℃之間時(shí)，閃發(fā)器系統(tǒng)和單級(jí)壓縮系統(tǒng)的制熱COP比較接近，采用補(bǔ)氣系統(tǒng)模式和普通單級(jí)系統(tǒng)模式均可?？梢愿鶕?jù)實(shí)際情況，通過(guò)補(bǔ)氣回路上截止閥的開(kāi)啟／關(guān)閉，在補(bǔ)氣壓縮模式和單級(jí)壓縮模式之間切換，使系統(tǒng)在正常的制熱／制冷和低溫制熱工況下的經(jīng)濟(jì)性和可靠性均可較好地兼顧。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文從準(zhǔn)二級(jí)壓縮熱泵系統(tǒng)渦旋壓縮機(jī)的工作機(jī)理出發(fā)，建立了包含影響壓縮機(jī)性能的主要因素且適用于渦旋壓縮機(jī)閃發(fā)器熱泵循環(huán)的數(shù)學(xué)模型。根據(jù)所建立的數(shù)學(xué)模型，對(duì)渦旋壓縮機(jī)閃發(fā)器熱泵系統(tǒng)在低溫工況下的主要性能進(jìn)行了仿真模擬計(jì)算，得出閃發(fā)器系統(tǒng)模式和普通單級(jí)壓縮系統(tǒng)模式的最佳切換區(qū)域?yàn)椋?0～－5℃。

［1］張于峰，周小珠，王洪磊，等.地下池水用于熱泵空調(diào)系統(tǒng)的研究［J］.合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010，33（11）：1656－1659.

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［3］Heo J，Jeong M W，Kim Y.Effects of flash tank vapor injection on the heating performance of an inverter－driven heat pump for cold regions［J］.International Journal of Refrigeration，2010，33：848－855.

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［8］Wang K，Cao F，Xing Z W.Development and experimental validation of a high－temperature heat pump for heat recovery and building heating［J］.Energy and Buildings，2009，41：732－737.

［9］楊冬冬，張忠斌，黃 虎.一種三熱源熱泵熱水系統(tǒng)及其節(jié)能評(píng)價(jià)［J］.合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010，33（9）：1299－1303.

Comparative study of the performance of heat pump system with flash－tank and single－stage compression system

LIU Gui－lan1， YUAN Quan1， LIANG Ping－yuan2

（1.School of Machinery and Electronics，Guangzhou Institute of Railway Technology，Guangzhou 510430，China；2.School of Information Science and Engineering，Jishou University，Jishou 416000，China）

The mathematical model of front－restrictor heat pump system with flash－tank in scroll compressor is built.Taking the meteorological parameters of Harbin for an example，and using the iteration algorithm，the performance of heat pump system with flash－tank is simulated and calculated.Comparing the performance of reinforcing gas system with that of single－stage compression system，the best transition regions of flash－tank system mode and ordinary single－stage compression system mode are obtained.

heat pump system；flash－tank；single－stage compression；scroll compressor；low temperature heating

TB651.8

A

1003－5060（2012）04－0447－05

10.3969／j.issn.1003－5060.2012.04.004

2011－09－13；

2011－12－05

湖南省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（11JJ6061）

劉桂蘭（1972－），女，湖南漣源人，廣州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師；

梁平原（1972－），男，湖南漣源人，博士，吉首大學(xué)副教授，碩士生導(dǎo)師.

（責(zé)任編輯 張淑艷）