補氣增焓準二級壓縮空氣源熱泵熱水器實驗測試方法

劉向龍，曾 智，王 艷，李文菁，曾麗萍，鄒 昊

(湖南工程學院 建筑工程學院，湘潭 411104)

0 前言

空氣源熱泵熱水器是一種非常節(jié)能的制取熱水的設備，可從空氣吸收低位熱量而制取熱水用于供暖或者制取生活熱水.常規(guī)的空氣源熱泵在低溫高濕地區(qū)運行時會出現(xiàn)結(jié)霜問題以及低溫環(huán)境下制熱效率急劇下降的問題.為此，很多機構(gòu)對于如何提升冬季的熱泵效率做了非常多的研究，利用補氣增焓技術(shù)提高冬季空氣源熱泵制熱是非常有效的途經(jīng)[1-3].

對于補氣增焓的準二級壓縮空氣源熱泵的研究，主要從理論分析或者實驗研究與理論分析相結(jié)合研究的方式.對于準二級壓縮補氣增焓系統(tǒng)的理論研究，早在2006年北京工業(yè)大學就有研究發(fā)現(xiàn)，通過前節(jié)流閃發(fā)器系統(tǒng)在低溫工況下可以提高空氣源熱泵的低溫制熱性能和運行可靠性[4].天津商業(yè)大學通過對帶經(jīng)濟器的熱泵系統(tǒng)進行分析,建立了帶經(jīng)濟器熱泵系統(tǒng)用渦旋壓縮機的數(shù)學模型且根據(jù)模型的仿真結(jié)果給出了補氣口起始的角度和補氣口面積的計算式[5].北京大學做了類似的研究[6]，分析了準二級壓縮系統(tǒng)的動態(tài)特性.依據(jù)上述的理論研究，很多學者對采用實驗和理論分析相結(jié)合的方法對補氣增焓的準二級壓縮空氣源熱泵的系統(tǒng)進行了研究.艾默生環(huán)境優(yōu)化技術(shù)(蘇州)研發(fā)有限公司結(jié)合噴氣增焓渦旋壓縮機技術(shù)[7],著重對帶閃發(fā)器的噴氣增焓熱泵機組運行時的特有問題進行了分析，為開發(fā)噴氣增焓的空氣源熱泵熱水機組中的應用打下了很好的基礎.廣東長菱空調(diào)冷氣機制造有限公司研制了低溫強熱型空氣源熱泵熱水器[8]，該系統(tǒng)能在-20～43 ℃環(huán)境下正常運行,制取65 ℃的熱水.天津商業(yè)大學對以R32為工質(zhì)帶經(jīng)濟器的中間補氣壓縮空氣源熱泵系統(tǒng)進行了研究[9]，結(jié)果表明環(huán)境溫度在-6 ℃的條件下，該系統(tǒng)的制熱性能具有明顯的優(yōu)勢.蘭州理工大學在蘭州地區(qū)建立了噴氣增焓空氣源熱泵實驗臺[10]，結(jié)果表明系效率在噴氣電磁閥關(guān)閉時基本呈線性變化關(guān)系，最高可達6.5.北京工業(yè)大學搭建了R134a為工質(zhì)的渦旋壓縮機閃蒸器補氣制冷/熱泵系統(tǒng)試驗臺，對壓縮機排氣溫度、功耗、制冷量、制熱量及制冷、制熱性能系數(shù)進行研究[11].太原理工大學通過對某工程實例的運行檢測，驗證了噴氣增焓空氣源熱泵應用于東北部分地區(qū)的技術(shù)可行性[12].

通過上述研究可知，利用補氣增焓技術(shù)可以提升冬季空氣源熱泵的效率，但是實驗研究的測試方式都不相同，多關(guān)注系統(tǒng)的效率問題.如需將補氣增焓的準二級壓縮進行深入的熱力學研究，還需找出壓焓圖各個狀態(tài)點.一般來說，如將噴氣增焓空氣源熱泵進行壓力測試，測試程序和工藝較為復雜，很多測試機構(gòu)不提供類似服務.針對上述問題，本文對補氣增焓的準二級壓縮空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)的壓縮機吸氣、排氣溫度、電子膨脹閥節(jié)流前、節(jié)流后溫度以及補氣溫度進行測試，采用實驗和計算的方式得出系統(tǒng)壓焓圖各個狀態(tài)點，最終求出系統(tǒng)的COP值.

1 準二級壓縮補氣增焓熱泵熱水器測試原理

對于現(xiàn)有的準二級壓縮補氣方式來說，一般采用谷輪壓縮機，將壓縮機的進氣口采用2個進氣口，中間進氣口補氣.這種方式盡管系統(tǒng)復雜一些，但是能夠提升空氣源熱泵在低溫環(huán)境下的熱效率.

1.1 準二級壓縮補氣增焓熱泵熱水器系統(tǒng)

圖1所示的補氣增焓壓縮機出口的高溫高壓氣體分為兩部分，一部分經(jīng)過冷凝器經(jīng)膨脹閥降壓后進入蒸發(fā)器，然后進入壓縮機吸入端，另外一部分通過冷凝器后進入經(jīng)濟器的閃發(fā)蒸汽進入壓縮機的輔助吸入口補氣.系統(tǒng)一方面通過提高蒸發(fā)器過冷度增加了熱泵機組在空氣中吸收熱量的能力，另一方面也通過補氣系統(tǒng)提高進入壓縮機工質(zhì)的溫度，從而增加系統(tǒng)的效率.這是對冬季提升空氣源熱泵的一個嘗試，從實際效果來說，運行較為穩(wěn)定，系統(tǒng)效率及防霜效果良好.

圖1 準二級壓縮補氣增焓熱泵熱水器系統(tǒng)圖

根據(jù)圖1的準二級壓縮系統(tǒng)，轉(zhuǎn)換成壓焓圖如圖2所示.本文采用閃蒸器前節(jié)流的噴氣增焓系統(tǒng)，從冷凝器冷凝之后的質(zhì)量流量為m+i的液體經(jīng)過膨脹閥第一次節(jié)流后進入閃蒸器，在閃蒸器中制冷劑分成兩部分:(1)主回路部分，質(zhì)量流量為m的飽和液體，再經(jīng)第二次膨脹閥節(jié)流后進入蒸發(fā)器中吸熱，最后進入壓縮機吸氣口;(2)補氣回路部分，質(zhì)量流量為i的某一中壓壓力下的飽和蒸汽，經(jīng)過截止閥后被壓縮機補氣口吸入，與主回路部分的氣體混合后進行壓縮.在工質(zhì)混合過程中壓力值變化不明顯，故可將其視為等壓過程.

圖2 補氣增焓準二級壓縮系統(tǒng)工作循環(huán)壓焓圖

1.2 準二級壓縮補氣增焓熱泵熱水器測試計算原理

如將上述壓焓圖進行熱力學分析，要將狀態(tài)點全部獲取，需要建立試驗臺進行測量與計算.一般來說，建立試驗臺測試氟利昂系統(tǒng)，需將所有狀態(tài)點的壓力和溫度測得，還需對系統(tǒng)各個狀態(tài)點的關(guān)系進行分析.根據(jù)理論分析，可以找出系統(tǒng)間的熱力學關(guān)系，從而找出最簡單的測試方法.對于工程應用，需要作出如下假定：(1)假定蒸發(fā)器出口的過熱段的壓力不變；(2)假定冷凝器的的壓力不變；(3)假定補氣增焓壓縮過程中為定熵壓縮，且補氣前后的熵不變.因此，本文根據(jù)測試原理圖布置好五個溫度測點，分別測試壓縮機吸氣、排氣溫度、電子膨脹閥節(jié)流前、節(jié)流后溫度以及壓縮機補氣溫度，共對應的溫度用t1、t3、t4、t5′、t6表示.

依據(jù)測得的溫度參數(shù)t1、t3、t4、t5′、t6，直接通過壓焓圖查得各個點的壓力參數(shù)：P1、P2、P2′、P4′、P5、P5′，可以查出對應的狀態(tài)點1、5、6點.壓焓圖對應的狀態(tài)點2、2′、3、4、4′、5′還需進行計算獲得.

狀態(tài)點2點(假定系統(tǒng)屬于等熵壓縮)：

S2=S1

(1)

圖3 準二級壓縮補氣增焓熱泵熱水器測試計算原理圖

假定狀態(tài)點2′點到3點的壓縮過程為等熵壓縮，且假定S2=S1=S2′=S3，則狀態(tài)點2′點：

S2′=S1

(2)

(3)

狀態(tài)點3點：

S3=S1

(4)

狀態(tài)點4點：

P4=P3

(5)

狀態(tài)點4′點：

h4=h4′

(6)

狀態(tài)點5′點：

h5=h5′

(7)

將上述循環(huán)過程中的狀態(tài)點代入到產(chǎn)熱過程，可以得出循環(huán)的產(chǎn)熱量：

Q=(m+i)(h3-h4)

(8)

做功過程為：

W0=(m+i)(h3-h2′)+m(h3-h2′)

(9)

因此，

(10)

式中，ηR為熱泵效率，本文取0.8.

2 實驗測試與驗證

本文根據(jù)圖3所示的實驗測試過程，對某廠家的準二級壓縮空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)進行了測試，測試的準二級壓縮的空氣源熱泵熱水器的基本參數(shù)如表1所示.

表1 測試機型參數(shù)

2.1 測試狀態(tài)點布置

根據(jù)測試原理圖布置好五個溫度測點，分別測試壓縮機吸氣、排氣溫度、電子膨脹閥節(jié)流前、節(jié)流后溫度以及補氣溫度.上述溫度也就是系統(tǒng)圖上對應的t1、t3、t4、t5′、t6，則測試布點情況如圖4所示.

圖4 準二級壓縮補氣增焓熱泵熱水器測點布置圖

根據(jù)圖4的測試點布置要求，圖5與圖6為供回水管接頭與感溫探頭的保溫處理.測試線為導線，溫度測試探頭為導線的裸露金屬絲，將探頭與測點對應，探頭緊貼熱水機銅管外管壁，用鋁箔紙及絕緣膠帶固定，并用發(fā)泡材料進行保溫處理.測試時，開啟試驗室頂部的環(huán)控系統(tǒng)對試驗室進行降溫，并開啟水泵及熱泵熱水器.

圖5 供回水管接頭測點與保溫處理

圖6 銅管感溫探頭保溫處理

2.2 測試工況及測試數(shù)據(jù)

由于測試是在焓差室測量，故可以調(diào)整冷凝器的空氣溫度.經(jīng)過一段時間降溫后，試驗室內(nèi)部環(huán)境溫度達到設定值的要求.本次實驗共計測試了5種工況，具體情況如表2所示.

表2 測試工況表

本次測試試驗主要目的在于，測試該機組在南方地區(qū)濕冷氣候條件下的結(jié)霜和化霜性能.測試工況一和工況二通過控制裝置保持環(huán)境干濕球溫度不變，而改變并控制進出水溫度，從工況一的進出口水溫15 ℃/20 ℃，改為工況二的進出口水溫50 ℃/55 ℃.測試工況三則是在極端條件下的測試結(jié)果，測試在湖南地區(qū)這種條件下空氣源熱泵熱水器的性能.根據(jù)《商業(yè)或工業(yè)用及類似用途的熱泵熱水機》(GB/T 21362—2008)中的相關(guān)規(guī)定，環(huán)境干球溫度設置為2 ℃，濕球溫度為1 ℃時的情況下最容易結(jié)霜，測試工況四與工況五在此情況下做了測試.

2.3 測試數(shù)據(jù)分析

依據(jù)表2的5種測試工況，對測得的溫度參數(shù)t1、t3、t4、t5′、t6進行分析，研究不同工況下各個溫度參數(shù)的變化情況.由于各個溫度之間波動較大，且由于時間的關(guān)系，測試的工況參數(shù)有限，故本文采用壓縮機吸氣溫度作為基準溫度，與其他幾個溫度進行對比分析.

從圖7可以看出，冷凝器與蒸發(fā)器的換熱端的溫度對壓縮機吸氣溫度t1、壓縮機排氣溫度t3影響較大，測試工況一與測試工況二其他參數(shù)都相同，工況二的冷凝器進出口水溫，兩者差距不大，排氣溫度略有上升.從圖7可知，當壓縮機的吸氣溫度升高對應的排氣溫度下降，吸氣溫度下降排氣溫度反而上升，這說明當環(huán)境溫度下降時，壓縮機的壓比會急劇上升，系統(tǒng)的效率會持續(xù)下降.與此對應的節(jié)流閥前的溫度t4與壓縮機進氣溫度成正比；經(jīng)過兩次節(jié)流后的溫度t5′，根據(jù)環(huán)境溫度的變化而自我調(diào)整，目的是為了從室外吸收熱量；補氣溫度t6則是一次節(jié)流后的溫度，與t5′的變化趨勢一致.

在環(huán)境干球溫度為2 ℃，濕球溫度為1 ℃的濕冷環(huán)境中運行的熱水器風冷翅片上出現(xiàn)結(jié)霜，但是霜層比較薄.其中，正面翅片為分層結(jié)霜，結(jié)霜部位出現(xiàn)在翅片的上半部分，下半部分未結(jié)霜；背面翅片基本都結(jié)了霜.結(jié)霜一段時間后機組進入化霜工況，化霜時間很短，僅需要5 min左右的時間，化霜后機組很快達到穩(wěn)定狀態(tài).試驗中先后進行了兩次除霜，在整個過程中機組運行狀況良好.

2.4 測試數(shù)據(jù)驗證

通過上述的實驗數(shù)據(jù)，依據(jù)圖3可以求取各個狀態(tài)點進行熱力學分析.本文主要研究的目的是驗證該實驗方法是否正確，故將最終以狀態(tài)點計算出來的COP(公式10)與實驗室測量出來的COP進行比較.

從圖8看出，環(huán)境溫度與COP值是成正比，當環(huán)境溫度是20 ℃時的系統(tǒng)COP超過6，而溫度為2 ℃時，系統(tǒng)的COP值為2.0左右，這說明空氣源熱泵對環(huán)境的溫度要求很高.如果用很小的代價來提升環(huán)境溫度，可以很好的提升系統(tǒng)的熱效率.由于補氣增焓的作用，環(huán)境溫度為-10 ℃時，系統(tǒng)的效率在2左右，這說明補氣增焓對于空氣源熱泵在超低溫狀態(tài)時也能正常運行.從計算的COP與測試的COP之間對比看出，本文提出的測試方法較為可行，盡管ηR的選取偏小，但是計算結(jié)果符合實際情況.

圖7 t1與t3、t4、t5′、t6之間的關(guān)系

圖8 環(huán)境溫度與COP之間的關(guān)系

3 結(jié)論

本文提出了一種簡單測試補氣增焓空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)的方法，即測試壓縮機吸氣、排氣溫度、電子膨脹閥節(jié)流前、節(jié)流后的溫度以及補氣溫度，通過測試上述5個溫度來確定系統(tǒng)壓焓圖上的各點參數(shù)，從而計算系統(tǒng)COP值.通過理論和實驗的測量，得出下列結(jié)論：

(1)測試壓縮機吸氣、排氣溫度、電子膨脹閥節(jié)流前、節(jié)流后的溫度以及補氣溫度這5個溫度來確定系統(tǒng)壓焓圖上的各點參數(shù)方法是可行的，與實際測量的COP值的誤差較??；

(2)對于補氣增焓準二級壓縮空氣源熱泵熱水器來說，系統(tǒng)在環(huán)境溫度-10 ℃的情況下能夠正常運行，說明該方法能夠提升空氣源熱泵冬季效率；

(3)環(huán)境溫度對空氣源熱泵的效率影響很大，提高進入蒸發(fā)器的空氣溫度是提升空氣源熱泵效率有效的途經(jīng).