編程計(jì)算法研究?jī)杉?jí)壓縮低溫?zé)岜眯阅?/h1>

2021-03-06 13:05:44紀(jì)煜哲

廣州化學(xué)訂閱 2021年1期 收藏

關(guān)鍵詞：系統(tǒng)

劉 振， 陳 曦， 鄭 樸， 紀(jì)煜哲

（上海理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200093）

空氣源在建筑應(yīng)用技術(shù)中，是一種可再生能源，由于其高效、節(jié)能、無(wú)污染的環(huán)保優(yōu)勢(shì)，空氣源熱泵是替代燃煤鍋爐的首選，已被廣泛地應(yīng)用于建筑供熱中[1-2]。隨著生活水平的提高，冬季采暖已成為北方居民生活中重要的一部分，但是采暖需要消耗大量能量。在2008 年，建筑物的能源消耗約占社會(huì)總能耗30%，而北方地區(qū)的建筑采暖能耗占全國(guó)建筑物總能耗的24.63%[3]。因此，如何有效降低北方地區(qū)采暖所需能耗是一個(gè)關(guān)鍵的問(wèn)題，采用低能耗且高效的熱泵系統(tǒng)可以有效地解決該問(wèn)題。但是，在北方寒冷地區(qū)，空氣源熱泵的應(yīng)用存在一定的挑戰(zhàn)，隨著環(huán)境溫度的降低，壓縮機(jī)的壓比不斷增大，排氣溫度不斷升高，從而導(dǎo)致系統(tǒng)頻繁啟停，制熱量和能效比等都會(huì)相應(yīng)降低[4]。另外，低溫導(dǎo)致的結(jié)霜問(wèn)題，也會(huì)使空氣源熱泵機(jī)組的制熱能效比迅速地衰減。

針對(duì)上述問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了許多深入研究。陳子丹等[5]提出一種采用CO2的空氣源熱泵，使用MATLAB 優(yōu)化算法及分析，得出在進(jìn)/出水溫度為35℃/60℃工況下，環(huán)境溫度為－5℃時(shí)，熱泵制熱效率COPh可達(dá)2 以上；Wei 等[6]基于哈爾濱地區(qū)的熱泵應(yīng)用提出了一種新型控制策略，用于降低兩級(jí)壓縮空氣源熱泵排氣溫度；馬國(guó)遠(yuǎn)等[7]進(jìn)行了自然冷源過(guò)冷補(bǔ)氣的空氣源熱泵實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明過(guò)冷補(bǔ)氣系統(tǒng)比單級(jí)壓縮系統(tǒng)COPh要高，但是比普通補(bǔ)氣壓縮系統(tǒng)要低。Zhao 等[8]采用線(xiàn)性壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)熱泵系統(tǒng)，并對(duì)其進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果顯示在環(huán)境溫度為－20℃，熱端溫度為50℃時(shí)，能夠輸出260W 制熱量且COPh達(dá)到2.1，當(dāng)環(huán)境溫度為0℃時(shí)，COPh可達(dá)到3。Ho-Saeng Lee 等[9]采用R32/R152a 混合制冷劑建立了水源熱泵試驗(yàn)臺(tái)，并與R22 系統(tǒng)以－7℃/41℃的相同工況進(jìn)行了比較。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，使用這種混合制冷劑可以使壓縮機(jī)的能耗降低13.7%，COPh達(dá)到3.0 以上，與R22 系統(tǒng)相比COPh提高了15.8%。Giovanni Ciampi等[10]使用模擬軟件TRNSYS，根據(jù)變化的運(yùn)行條件分析了服務(wù)于住宅用戶(hù)的兩種不同的太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)和太陽(yáng)能制冷系統(tǒng)。

另外，許多學(xué)者還比較了系統(tǒng)使用不同制冷劑的性能，希望達(dá)到更好的制熱效果。王濤等[11]理論分析了R32 用于空氣源熱泵熱水器的可行性，并從壓力、黏度、導(dǎo)熱系數(shù)等方面進(jìn)行分析和實(shí)驗(yàn)。劉永忠等[12]對(duì)比了R600a/R290 和R290 用于復(fù)疊式循環(huán)和兩級(jí)壓縮式循環(huán)熱泵時(shí)系統(tǒng)的性能，但只是分析了中間溫度對(duì)COPh的影響，對(duì)于工況變化的情況下，中間溫度對(duì)COPh的影響，以及兩級(jí)壓縮混合點(diǎn)溫度對(duì)COPh的影響還需要繼續(xù)深入研究。Jin 等[13]比較了使用R744 和R410A 作為制冷劑的熱泵系統(tǒng)的年度能源性能。結(jié)果表明，R744 混合系統(tǒng)的年度COPh為3.32，其性能比R744 空氣源熱泵高42%，但混合系統(tǒng)中地?zé)嵩吹睦梅绞?、原理以及可能產(chǎn)生的后果還需要繼續(xù)研究，而R410A 的空氣源熱泵系統(tǒng)的年度性能系數(shù)比R744 混合系統(tǒng)好。

如今，熱泵系統(tǒng)中多用R32、R290 以及R410A 作為制冷劑，因此，本文采用編程計(jì)算，對(duì)采用R32、R290 以及R410A 三種制冷劑的兩級(jí)壓縮一級(jí)節(jié)流中間不完全冷卻、兩級(jí)壓縮一級(jí)節(jié)流中間完全冷卻、兩級(jí)壓縮兩級(jí)節(jié)流中間不完全冷卻、兩級(jí)壓縮兩級(jí)節(jié)流中間完全冷卻的熱泵系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比和性能研究。

1 兩級(jí)壓縮熱泵循環(huán)系統(tǒng)

圖1a 為本文進(jìn)行數(shù)值分析所建立的兩級(jí)壓縮一級(jí)節(jié)流不完全冷卻熱泵系統(tǒng)循環(huán)流程圖，后文會(huì)對(duì)其他系統(tǒng)性能進(jìn)行對(duì)比。該循環(huán)由一臺(tái)兩級(jí)渦旋式壓縮機(jī)、水冷冷凝器、中間冷卻器、節(jié)流閥、蒸發(fā)器和回?zé)崞鹘M成。高壓液體從冷凝器出來(lái)后被分成兩部分，一部分流向中間冷卻器，通過(guò)盤(pán)管與管外中間壓力下蒸發(fā)的制冷劑蒸氣進(jìn)行熱交換，實(shí)現(xiàn)過(guò)冷的目的。然后再進(jìn)入回?zé)崞鬟^(guò)冷，并由節(jié)流閥節(jié)流，使其從冷凝壓力降到蒸發(fā)壓力后再進(jìn)入蒸發(fā)器內(nèi)蒸發(fā)制冷。蒸發(fā)器出來(lái)的制冷劑飽和蒸氣經(jīng)回?zé)崞鲝?fù)熱后，被壓縮機(jī)吸入，并壓縮到中間壓力，與中間冷卻器流出的另一部分飽和蒸汽在壓縮機(jī)內(nèi)混合后進(jìn)一步壓縮到冷凝壓力，在水冷冷凝器中冷凝成為高壓液體，然后再次進(jìn)行循環(huán)?？諝饨?jīng)過(guò)冷凝器換熱后，通過(guò)風(fēng)機(jī)排送進(jìn)室內(nèi)進(jìn)行供暖。本文的兩級(jí)壓縮裝置也可通過(guò)采用噴氣增焓方式進(jìn)行工作[14-16]。圖1b 為制冷劑在一級(jí)節(jié)流系統(tǒng)循環(huán)過(guò)程中的p-h圖，圖1c 為制冷劑在兩級(jí)節(jié)流系統(tǒng)循環(huán)過(guò)程中的p-h圖。

圖1 兩級(jí)壓縮熱泵系統(tǒng)流程圖及不同節(jié)流方式下的p-h 圖

熱泵工況下的COPh：

式中：Qk為設(shè)計(jì)的額定制熱量，kW；W1為低壓級(jí)的功率，kW；W2為高壓級(jí)的功率，kW。

熱泵工況下的能效比EERh：

式中：η為壓縮機(jī)等熵效率，本文取0.7。

中間冷卻器的熱量平衡可得：

式中：qm為系統(tǒng)的總質(zhì)量流量，kg/s；qm1為低壓級(jí)的質(zhì)量流量，kg/s；qm2為高壓級(jí)的質(zhì)量流量，kg/s；h5為冷凝器出口焓值，kJ/kg；h6為中間冷卻器往蒸發(fā)器的出口焓值，kJ/kg；h10為中間冷卻器往壓縮機(jī)高壓級(jí)的出口焓值，kJ/kg。

2 結(jié)果與討論

2.1 額定工況下兩級(jí)壓縮制熱性能對(duì)比

本文主要研究的是北方地區(qū)使用的低溫空氣源熱泵，可用于北方地區(qū)熱水制備，干燥以及采暖，根據(jù)GB/T37480-2019[17]規(guī)定額定工況下出水溫度為41℃，故可取冷凝器溫度為50℃，室外進(jìn)風(fēng)溫度為－12℃，故可取蒸發(fā)溫度為－20℃，中間溫度?。?℃，不完全冷卻循環(huán)混合溫度取20℃。分別對(duì)三種工質(zhì)不同壓縮方式的性能進(jìn)行分析。

圖2a 所示為蒸發(fā)溫度對(duì)一級(jí)節(jié)流中間不完全冷卻熱泵系統(tǒng)COPh的影響，可以看出R290 熱泵系統(tǒng)的效率最高，與R32 和R410A 系統(tǒng)在額定工況下相比COPh分別要高5.6%和7%，但是R290 具有可燃性，限制了其在系統(tǒng)的充注量，故僅可用于小型熱泵系統(tǒng)。另外，可看出蒸發(fā)溫度為－20℃，中間溫度為－5℃時(shí)，熱泵系統(tǒng)的COPh隨著冷凝溫度tk的增大而下降，冷凝溫度從50℃增大到70℃時(shí)，COPh下降了約26%，這是由于冷凝溫度增大時(shí)，壓縮機(jī)的排氣溫度和功耗也會(huì)上升，雖然制熱量也有所上升，但功耗增大帶來(lái)的負(fù)面效果大于制熱量增大帶來(lái)的正面效果。在額定工況下，以R290 為制冷劑的熱泵系統(tǒng)的COPh要比其他兩種制冷劑熱泵系統(tǒng)的COPh高約6%。圖2b 所示為冷凝溫度對(duì)一級(jí)節(jié)流中間不完全冷卻熱泵系統(tǒng)COPh的影響，可以看出在冷凝溫度為50℃，中間溫度為－5℃時(shí)，熱泵系統(tǒng)的COPh值隨著蒸發(fā)溫度t0的增大而增大，蒸發(fā)溫度從－30℃上升到－10℃時(shí)，COPh增大了約30%，但由于北方地區(qū)冬天環(huán)境溫度的限制，蒸發(fā)溫度不能過(guò)高，故在額定工況下，不完全冷卻熱泵系統(tǒng)的COPh約為3.8，上述分析表明冷凝溫度和蒸發(fā)溫度對(duì)熱泵系統(tǒng)的影響較大。由于其它兩級(jí)系統(tǒng)的COPh隨冷凝溫度和蒸發(fā)溫度變化趨勢(shì)相同，故此處不再贅述。

圖2 冷凝溫度和蒸發(fā)溫度對(duì)一級(jí)節(jié)流中間不完全冷卻熱泵系統(tǒng)COPh 的影響

圖3a 所示為不同中間溫度對(duì)兩級(jí)壓縮中間不完全冷卻熱泵系統(tǒng)COPh的影響，可以看出在額定工況下，隨著中間溫度tm的增大，熱泵系統(tǒng)的COPh先增加后減小，即存在最佳中間溫度，使得熱泵系統(tǒng)的COPh能夠達(dá)到最大值。在以R290 為制冷劑的一級(jí)節(jié)流不完全冷卻的熱泵系統(tǒng)中，當(dāng)中間溫度達(dá)到0℃時(shí)，COPh超過(guò)了3.8。而如圖3b 所示，在完全冷卻系統(tǒng)中，當(dāng)中間溫度達(dá)到3℃時(shí)，COPh超過(guò)了3.7。以R32 為制冷劑的熱泵系統(tǒng)中，當(dāng)中間溫度分別為1℃和－3℃時(shí)COPh最大，但在完全冷卻系統(tǒng)中，中間溫度偏離最佳值時(shí)，COPh下降較快。而以R410A 工質(zhì)為制冷劑的熱泵系統(tǒng)中，當(dāng)中間溫度均在1℃時(shí)，COPh最大。中間溫度對(duì)COPh的影響出現(xiàn)先上升后下降的原因是當(dāng)冷凝溫度和蒸發(fā)溫度確定時(shí)，冷凝壓力和蒸發(fā)壓力也隨之確定，而中間溫度對(duì)應(yīng)一個(gè)中間壓力，當(dāng)中間壓力不同，兩級(jí)壓縮機(jī)內(nèi)的高壓級(jí)壓比和低壓級(jí)壓比也會(huì)隨之變化，即存在一個(gè)最優(yōu)的中間壓力，使得壓縮機(jī)的耗功達(dá)到最小，此時(shí)COPh值會(huì)達(dá)到最大。

圖3 不同中間溫度對(duì)兩級(jí)壓縮熱泵系統(tǒng)COPh 的影響

各制冷劑在額定工況下系統(tǒng)的最優(yōu)COPh對(duì)比如表1 所示。從表1 可以看出，在額定工況下，R32 系統(tǒng)的COPh變化不大，采用不同的系統(tǒng)對(duì)COPh的影響較小。而對(duì)于R290 和R410A，采用中間不完全冷卻系統(tǒng)時(shí)的COPh要明顯大于采用中間完全冷卻系統(tǒng)，提高了約6.5%，故在實(shí)際使用中，采用R290 和R410A作為熱泵系統(tǒng)的制冷劑時(shí)，應(yīng)選用中間不完全冷卻系統(tǒng)。另外，由中間不完全冷卻系統(tǒng)時(shí)的COPh大于采用中間完全冷卻系統(tǒng)的規(guī)律可以得出制冷劑在中間冷卻器出口混合后的溫度與系統(tǒng)的COPh是相關(guān)的，本文將在后面對(duì)該溫度與COPh的關(guān)系進(jìn)行討論。另外，還可以看出，兩級(jí)節(jié)流系統(tǒng)的COPh要大于一級(jí)節(jié)流系統(tǒng)，從循環(huán)的經(jīng)濟(jì)性而言，兩級(jí)節(jié)流優(yōu)于一級(jí)節(jié)流；但是一級(jí)節(jié)流循環(huán)具有供液壓差大，系統(tǒng)簡(jiǎn)化，節(jié)流閥前不易閃蒸等優(yōu)點(diǎn)，故節(jié)流方式的選擇應(yīng)根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用來(lái)確定。

表1 各制冷劑在額定工況下系統(tǒng)的最優(yōu)COPh 對(duì)比

2.2 變工況下兩級(jí)壓縮制熱性能對(duì)比

2.2.1 以R32 為制冷劑的兩級(jí)壓縮熱泵系統(tǒng)性能分析

圖4 所示為在蒸發(fā)溫度為－20℃的條件下，以R32 為制冷劑的兩級(jí)壓縮的熱泵系統(tǒng)在不同冷凝溫度下COPh隨中間溫度tm的變化曲線(xiàn)，圖5 所示為四個(gè)系統(tǒng)在不同冷凝溫度下最高COPh所對(duì)應(yīng)的最佳中間溫度tm隨冷凝溫度變化曲線(xiàn)。

圖4 R32 的兩級(jí)壓縮熱泵系統(tǒng)在不同冷凝溫度下COPh 隨中間溫度tm 的變化曲線(xiàn)

圖5 R32 的兩級(jí)壓縮熱泵系統(tǒng)在不同冷凝溫度下最高COPh 所對(duì)應(yīng)的最佳中間溫度tm

從圖4 和圖5 可以看出，隨著冷凝溫度增大，最佳中間溫度tm值也增大，這是由于冷凝溫度變大時(shí)，壓縮機(jī)的高壓級(jí)耗功增大，占總耗功的比例也增大，此時(shí)需要增大中間溫度，適當(dāng)減小低壓級(jí)耗功，提高高壓級(jí)耗功，使耗功之和達(dá)到最小。但是從圖5 可以看出，中間溫度變化值不大，當(dāng)冷凝溫度從45℃上升到65℃時(shí)，最大的最佳中間溫度變化值僅為7℃，而且從圖4 可以看出在最佳中間溫度峰值兩側(cè)，溫度變化較小時(shí)，COPh變化僅在5%以?xún)?nèi)。

2.2.2 以R290 和R410A 為制冷劑的兩級(jí)壓縮熱泵系統(tǒng)性能分析

同理，本文計(jì)算了以R290 和R410A 為制冷劑的兩級(jí)壓縮熱泵系統(tǒng)的每個(gè)冷凝溫度下最高COPh時(shí)的最佳中間溫度tm，如圖6 所示。從圖中可以看出，隨著冷凝溫度的增大，最佳中間溫度tm值也在增大，當(dāng)冷凝溫度從45℃上升到65℃時(shí)，不完全冷卻系統(tǒng)最佳中間溫度變化較小，而完全冷卻系統(tǒng)最佳中間溫度變化較大，但在最佳中間溫度峰值兩側(cè)，溫度變化小于±5℃時(shí)，COPh變化僅在5%以?xún)?nèi)。

圖6 R290、R410A 的兩級(jí)壓縮熱泵系統(tǒng)在不同冷凝溫度下最高COPh 所對(duì)應(yīng)的中間溫度tm

表2 總結(jié)了在變工況溫度下，各制冷劑在各系統(tǒng)中最優(yōu)中間溫度范圍，在實(shí)際應(yīng)用中，可根據(jù)該表進(jìn)行不同制冷劑的兩級(jí)熱泵系統(tǒng)中間溫度選取。

表2 不同工質(zhì)在兩級(jí)壓縮循環(huán)中的的最優(yōu)中間溫度范圍

2.3 混合溫度t3 對(duì)系統(tǒng)性能的影響

圖7a 所示為混合溫度對(duì)COPh的影響，從圖中可看出，隨著混合溫度t3的升高，COPh不斷增大，這是由于混合溫度上升，進(jìn)入蒸發(fā)器的流量減少，壓縮機(jī)低壓級(jí)功耗減少，雖然高壓級(jí)單位耗功增加，但系統(tǒng)總流量減小，故高壓級(jí)功耗的增大的速度比低壓級(jí)功耗減小的速度要小，所以系統(tǒng)COPh上升。其中R290系統(tǒng)的COPh增大速度較快，而R32 系統(tǒng)的COPh增大速度較慢。在混合溫度較低時(shí)，R32 系統(tǒng)的COPh比R410A 要高，但隨著混合溫度的上升，R410A 系統(tǒng)的COPh逐漸高于R32 系統(tǒng)。

圖7b 所示為混合溫度對(duì)壓縮機(jī)排氣溫度的影響，從圖中可看出，R32 系統(tǒng)的壓縮機(jī)排氣溫度較高，混合溫度為5℃時(shí)排氣溫度已達(dá)100℃，比同混合溫度下的R410A 系統(tǒng)的排氣溫度高約20℃，但由于R32 系統(tǒng)提高混合溫度對(duì)COPh影響較小且排氣溫度過(guò)高容易造成壓縮機(jī)潤(rùn)滑油碳化，從而導(dǎo)致壓縮機(jī)燒壞。為避免壓縮機(jī)排氣溫度過(guò)高，可以恰當(dāng)?shù)亟档蚏32 系統(tǒng)的混合溫度。而R290 系統(tǒng)的排氣溫度較低，且隨著混合溫度的升高，COPh增長(zhǎng)較快，可適當(dāng)提高R290 系統(tǒng)的混合溫度以提高系統(tǒng)效率。

圖7 混合溫度t3 對(duì)系統(tǒng)的影響

3 總結(jié)

本文采用編程對(duì)以R32、R290 以及R410A 為制冷劑的兩級(jí)壓縮熱泵系統(tǒng)性能進(jìn)行了計(jì)算分析，得出以下結(jié)論：

1）對(duì)于兩級(jí)壓縮熱泵系統(tǒng)，存在一個(gè)最優(yōu)的中間溫度值，使得COPh最大，且該中間溫度值會(huì)隨著冷凝溫度的增大而增大，所以在變工況運(yùn)行時(shí)，可以考慮添加控制系統(tǒng)控制中間溫度的大小以提高系統(tǒng)的效率。

2）在采用R32、R290 以及R410A 的兩級(jí)壓縮熱泵系統(tǒng)中，不完全冷卻系統(tǒng)比完全冷卻系統(tǒng)效率要高，這是由于混合溫度的大小影響了COPh，在高溫工況中，采用R290 的熱泵系統(tǒng)效率會(huì)比R32、R410A要好。但是R290 具有可燃性，故在小型低溫空氣源熱泵中可采用R290 作為制冷劑，而在大型熱泵系統(tǒng)中應(yīng)采用R32 和R410A 作為制冷劑。

3）兩級(jí)節(jié)流系統(tǒng)的COPh值要大于一級(jí)節(jié)流系統(tǒng)，從循環(huán)的經(jīng)濟(jì)性而言，兩級(jí)節(jié)流優(yōu)于一級(jí)節(jié)流。但是一級(jí)節(jié)流循環(huán)具有供液壓差大，系統(tǒng)簡(jiǎn)化，節(jié)流閥前不易閃蒸等優(yōu)點(diǎn)，故節(jié)流方式的選擇應(yīng)根據(jù)實(shí)際的系統(tǒng)來(lái)確定。

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