太陽(yáng)能熱泵干燥系統(tǒng)的熱力學(xué)分析

楊文潔，吳華林，徐康靜

(1.蘭州石化職業(yè)技術(shù)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730060；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001；3.江蘇大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

隨著煤、石油、天然氣等不可再生能源的過(guò)度開發(fā)，世界能源儲(chǔ)備不斷減少，全球氣候變暖的問(wèn)題日益嚴(yán)重，導(dǎo)致各個(gè)國(guó)家逐漸開始意識(shí)到能源危機(jī)以及環(huán)境保護(hù)的重要性；于是，在能源利用的問(wèn)題上，世界人民把重點(diǎn)從不可再生能源轉(zhuǎn)向了可再生無(wú)污染的新能源[1-2].另外，在人們生活中有許多領(lǐng)域會(huì)涉及到干燥技術(shù)的應(yīng)用，但在干燥的過(guò)程中所消耗的能量很大，在一些發(fā)達(dá)國(guó)家的干燥工業(yè)中石油等不可再生能源的耗量占總耗量的10%～20%，而我國(guó)每年用于干燥工業(yè)的煤炭耗量達(dá)300萬(wàn)t.太陽(yáng)能作為新型能源，其具備清潔無(wú)污染等特點(diǎn)，受到各個(gè)領(lǐng)域研究人員的關(guān)注.20世紀(jì)以來(lái)，太陽(yáng)能利用技術(shù)迅猛發(fā)展，其中光熱利用在各領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用，尤其是干燥技術(shù)領(lǐng)域.但是，太陽(yáng)能只有在晴天才能加以應(yīng)用，其穩(wěn)定性差，所以直接利用太陽(yáng)輻射將其轉(zhuǎn)化為熱能的應(yīng)用受到了限制[2].

熱泵[3-5]被認(rèn)為是一種有效的節(jié)能裝置，它具有利用可再生能源的能力.太陽(yáng)能具有成本低、易獲得、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，可作為熱泵的理想熱源.太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)是由太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)和熱泵系統(tǒng)2部分組成的，其中太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)的作用是吸收太陽(yáng)輻射能并轉(zhuǎn)化為熱能，太陽(yáng)能集熱器將收集到的熱量傳遞給導(dǎo)熱介質(zhì)，高溫介質(zhì)通過(guò)導(dǎo)熱材料把熱量傳遞給蒸發(fā)器，蒸發(fā)器吸熱后，熱泵系統(tǒng)產(chǎn)生更高品質(zhì)的熱量供給干燥室進(jìn)行干燥[5].太陽(yáng)能輔助熱泵(solar assisted heat pump，SAHP)系統(tǒng)是蒸汽壓縮熱泵和太陽(yáng)能的整合.事實(shí)證明，SAHP系統(tǒng)可以有效地減少電力消耗，并提高家庭供熱的可再生能源利用率[3-4].

王宇凡[6]從林果干燥實(shí)際需求的角度出發(fā),提出了一種多模式的太陽(yáng)能-熱泵聯(lián)合干燥系統(tǒng),開展了對(duì)應(yīng)的模擬、試驗(yàn)和優(yōu)化研究.王國(guó)杰[7]基于太陽(yáng)能干燥技術(shù)、熱泵干燥技術(shù)及太陽(yáng)能-熱泵協(xié)同干燥技術(shù)的原理與特點(diǎn)，根據(jù)海帶干燥需求設(shè)計(jì)了太陽(yáng)能-熱泵協(xié)同干燥系統(tǒng)，滿足海帶全天候干燥作業(yè)需求.金光等[8]探討了太陽(yáng)能-地源熱泵系統(tǒng)在內(nèi)蒙古地區(qū)的供暖可行性，結(jié)果表明：模擬運(yùn)行5 a內(nèi)，補(bǔ)熱模式與輔助模式下系統(tǒng)COP(coefficient of performance)平均值分別為3.87和4.83，均處于北方地區(qū)熱泵系統(tǒng)供暖COP平均值范圍3～5.金滿等[9]利用太陽(yáng)能光伏光熱系統(tǒng)輔助地源熱泵(PV/T-GSHP)進(jìn)行聯(lián)合供暖，并與傳統(tǒng)的地源熱泵系統(tǒng)(GSHP)模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明PV/T系統(tǒng)的光電、光熱轉(zhuǎn)換效率分別達(dá)到了15.0%和46.6%.以上研究表明，在蒸汽壓縮熱泵系統(tǒng)中應(yīng)用混合熱源是實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的有效途徑.

文中將太陽(yáng)能和常規(guī)熱泵進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，構(gòu)建太陽(yáng)能熱泵烘干系統(tǒng)，給出結(jié)構(gòu)、建立熱力學(xué)模型，進(jìn)行關(guān)鍵參數(shù)的計(jì)算研究.通過(guò)Matlab模擬計(jì)算結(jié)果，使用Origin制圖軟件繪制圖表，研究單級(jí)壓縮熱泵、雙級(jí)壓縮熱泵、以及單雙級(jí)耦合壓縮3種太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)的COP和壓縮機(jī)耗功與太陽(yáng)輻射強(qiáng)度、冷凝溫度以及蒸發(fā)溫度的關(guān)系.

1 系統(tǒng)介紹

太陽(yáng)能熱泵與二級(jí)壓縮中間冷卻熱泵耦合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與部件見圖1.

圖1 太陽(yáng)能熱泵與二級(jí)壓縮中間冷卻熱泵耦合系統(tǒng)示意圖

文中設(shè)計(jì)了一種新型太陽(yáng)能熱泵干燥系統(tǒng)，包括一級(jí)直接膨脹式太陽(yáng)能熱泵子系統(tǒng)、二級(jí)壓縮中間冷卻熱泵子系統(tǒng)和干燥室.文中太陽(yáng)能熱泵干燥系統(tǒng)將直接膨脹式太陽(yáng)能熱泵和二級(jí)壓縮中間冷卻熱泵耦合，進(jìn)一步提高干燥室所需的熱量，并且通過(guò)控制系統(tǒng)的運(yùn)行方式使干燥系統(tǒng)適用于各種環(huán)境，提高能量利用率，大幅降低電能消耗，做到在節(jié)約能源的同時(shí)提高干燥效率.

2 太陽(yáng)能熱泵干燥系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的熱力學(xué)分析

2.1 單級(jí)壓縮太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的熱力學(xué)分析

圖2為單(雙)級(jí)壓縮熱泵系統(tǒng)的理論P(yáng)-h圖.圖中，12-1是制冷劑的氣體狀態(tài)在蒸發(fā)器內(nèi)的定壓吸熱過(guò)程，制冷量為Q0d；1-2-4是制冷劑在壓縮機(jī)內(nèi)的絕熱壓縮過(guò)程，壓縮機(jī)消耗功為P0d；4-8是制冷劑蒸汽在冷凝器內(nèi)的定壓冷卻過(guò)程，熱負(fù)荷為Qkd；Pk、Pm、P0分別表示定壓冷卻、定壓混合、定壓吸熱過(guò)程的壓強(qiáng).

圖2 單(雙)級(jí)壓縮熱泵循環(huán)

借助lgP-h圖，在制冷量Q0d確定的情況下，首先根據(jù)給定條件設(shè)定初始蒸發(fā)溫度、冷凝溫度、過(guò)冷度和過(guò)熱度，再通過(guò)調(diào)用refprop獲得lgP-h圖上各個(gè)狀態(tài)點(diǎn)的溫度、壓力、熵值以及焓值，利用Matlab編程，計(jì)算單級(jí)壓縮熱泵系統(tǒng)的熱力性能指標(biāo).單位質(zhì)量和單位容積的制冷量分別為

q0=h1-h11，

(1)

(2)

單級(jí)壓縮機(jī)的理論比功為

w0=h4-h1，

(3)

單級(jí)壓縮制冷劑的質(zhì)量流量為

(4)

單級(jí)壓縮機(jī)的理論功率為

P0d=qmdw0，

(5)

冷凝熱負(fù)荷為

Qkd=qmdqkd=qmd(h4-h9)，

(6)

單級(jí)壓縮熱泵循環(huán)的理論供熱系數(shù)為

(7)

在實(shí)際循環(huán)的過(guò)程中存在不可逆因素，因此，壓縮機(jī)在壓縮的過(guò)程中存在等熵效率，偏離等熵壓縮，實(shí)際消耗的功率增大.單級(jí)壓縮熱泵循環(huán)的實(shí)際供熱系數(shù)為

(8)

式中：ηkd為壓縮機(jī)的指示效率.

在單級(jí)壓縮的熱泵系統(tǒng)中，蒸發(fā)溫度一般能夠達(dá)到30～40 ℃；如果要獲得更高的蒸發(fā)溫度，必然會(huì)使冷凝溫度和蒸發(fā)溫度相差很大，導(dǎo)致冷凝壓力與蒸發(fā)壓力的比值升高.如果仍然采用單級(jí)壓縮，將會(huì)使熱泵循環(huán)壓力比增大，制冷量下降，壓縮機(jī)消耗的功率增加，供熱系數(shù)減??；當(dāng)排氣溫度升高時(shí)，壓縮機(jī)內(nèi)部工作溫度升高，潤(rùn)滑油炭化，使壓縮機(jī)無(wú)法正常工作.

2.2 雙級(jí)壓縮中間冷卻太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的熱力學(xué)分析

為了獲取較高的冷凝溫度(80～120 ℃)，達(dá)到高溫干燥的目的，要求蒸發(fā)溫度在40 ℃以上(40～80 ℃)，與此同時(shí)，要使壓縮機(jī)的工作壓力在可安全工作的范圍內(nèi)，于是需要用到多級(jí)壓縮循環(huán).采用多級(jí)壓縮循環(huán)可以改善熱泵在高溫循環(huán)過(guò)程中的各項(xiàng)性能指標(biāo)，在2個(gè)壓縮機(jī)之間增加中間冷卻過(guò)程，通過(guò)中間補(bǔ)氣增焓的方式，提高冷凝溫度.采用多級(jí)壓縮可以減小壓縮機(jī)耗功，降低壓縮機(jī)的壓力，改善其工作環(huán)境，提高系統(tǒng)安全工作時(shí)間.從理論上說(shuō)，多級(jí)壓縮熱泵系統(tǒng)壓縮機(jī)級(jí)數(shù)越多消耗的功率就越少，供熱性能參數(shù)COP就越大.但是結(jié)合實(shí)際情況，需要考慮設(shè)備成本，設(shè)備實(shí)際安裝的技術(shù)難度等因素，由于壓縮機(jī)無(wú)法保持很低的蒸發(fā)溫度，所以在熱泵系統(tǒng)中三級(jí)壓縮循環(huán)和二級(jí)壓縮循環(huán)的蒸發(fā)溫度相差很小，因此，一般實(shí)際工程中采用雙級(jí)壓縮循環(huán).

雙級(jí)壓縮熱泵系統(tǒng)的理論P(yáng)-h圖見圖2.圖中，11-1是制冷劑蒸汽在蒸發(fā)器內(nèi)的定壓吸熱過(guò)程，制冷量為Q0s；1-2是低壓壓縮機(jī)的絕熱壓縮過(guò)程，低壓壓縮機(jī)消耗的功為P0s；2-3是低壓壓縮機(jī)的排氣在中間經(jīng)濟(jì)器出口處定壓混合的過(guò)程，此時(shí)，低壓壓縮機(jī)的排氣壓力為Pm；3-5是高壓壓縮機(jī)的絕熱壓縮過(guò)程，高壓壓縮機(jī)消耗的功為P0g；4-7-8是制冷劑蒸汽在冷凝器中的定壓冷凝和過(guò)冷過(guò)程，冷凝熱負(fù)荷為Qks；8-10是制冷劑液體流經(jīng)節(jié)流閥，從冷凝壓力pc節(jié)流至中間壓力Pm的過(guò)程；8-9是制冷劑從冷凝器出來(lái)后的過(guò)冷過(guò)程，放出的熱量是中間經(jīng)濟(jì)器的負(fù)荷為Qm；9-11是液態(tài)制冷劑流經(jīng)節(jié)流閥，從冷凝壓力Pc至蒸發(fā)壓力Pm的過(guò)程.同單級(jí)壓縮熱泵系統(tǒng)的計(jì)算方法一樣，計(jì)算雙級(jí)壓縮中間冷卻熱泵系統(tǒng)熱力性能指標(biāo)如下[10-11]：?jiǎn)挝毁|(zhì)量的制冷量和單位容積的制冷量分別為

q0=h1-h11，

(9)

(10)

低壓壓縮機(jī)的理論比功為

w0d=h2-h1，

(11)

低壓壓縮機(jī)制冷劑的質(zhì)量流量為

(12)

低壓壓縮機(jī)的理論功率為

P0d=qmdw0d.

(13)

高壓壓縮機(jī)制冷劑的質(zhì)量流量可以由中間經(jīng)濟(jì)器的能量平衡求取.忽略中間經(jīng)濟(jì)器與環(huán)境之間的換熱，則存在如下守恒，進(jìn)入中間經(jīng)濟(jì)器的制冷劑能量等于離開的制冷劑能量之和，平衡關(guān)系式為

qmgh8=(qmg-qmd)h6+qmdh9，

(14)

整理得高壓壓縮機(jī)制冷劑的質(zhì)量流量為

(15)

從中間經(jīng)濟(jì)器出來(lái)的6狀態(tài)點(diǎn)未知，要計(jì)算高壓壓縮機(jī)質(zhì)量流量需要計(jì)算出6狀態(tài)點(diǎn)的焓值，管道混合過(guò)程的能量平衡式為

qmgh3=(qmg-qmd)h6+qmdh2，

(16)

整理得

(17)

聯(lián)立式(15)、(16)可得

(18)

高壓壓縮機(jī)的理論功率為

P0g=qmgw0g=qmg(h5-h3)，

(19)

冷凝器的熱負(fù)荷為

Qks=qmgqks=qmg(h5-h8)，

(20)

中間經(jīng)濟(jì)器的負(fù)荷為

Qm=qmdqm=qmd(h8-h9)，

(21)

雙級(jí)壓縮熱泵循環(huán)的理論供熱系數(shù)為

(22)

在實(shí)際循環(huán)的過(guò)程中存在不可逆因素，因此，壓縮機(jī)在壓縮的過(guò)程中存在等熵效率，偏離等熵壓縮，實(shí)際消耗的功率增大.

雙級(jí)壓縮熱泵系統(tǒng)的實(shí)際供熱系數(shù)為

(23)

式中：ηd、ηg分別為低壓、高壓壓縮機(jī)的指示功率.

2.3 單雙級(jí)耦合太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的熱力學(xué)分析

當(dāng)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度不高時(shí)，試圖獲得較高的蒸發(fā)溫度，此時(shí)，純粹單機(jī)壓縮熱泵系統(tǒng)和雙級(jí)壓縮熱泵系統(tǒng)均無(wú)法滿足此要求.因此，文中提出單雙級(jí)耦合太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)，先由單級(jí)壓縮熱泵系統(tǒng)獲得較高的熱量，并傳遞給雙級(jí)壓縮熱泵系統(tǒng)的蒸發(fā)器，從而使制冷劑的蒸發(fā)溫度提高(40～80 ℃).

單雙級(jí)耦合熱泵中對(duì)單級(jí)壓縮和雙級(jí)壓縮的熱力學(xué)參數(shù)計(jì)算同前兩節(jié)，重復(fù)部分本節(jié)不做過(guò)多闡述，單雙級(jí)耦合熱泵系統(tǒng)計(jì)算如下：?jiǎn)坞p級(jí)耦合系統(tǒng)總的理論消耗的比功為

w=w0+w0d+w0g，

(24)

式中：w0是一級(jí)壓縮系統(tǒng)壓縮機(jī)消耗的理論比功，kJ·kg-1；w0d和w0g分別是雙級(jí)壓縮系統(tǒng)低壓壓縮和高壓壓縮所消耗的比功，kJ·kg-1.

單雙級(jí)耦合系統(tǒng)的理論供熱系數(shù)為

(25)

式中：COP′是一級(jí)壓縮系統(tǒng)的供熱系數(shù).

3 3種太陽(yáng)能熱泵的性能參數(shù)比較分析

3.1 冷凝溫度對(duì)熱泵性能參數(shù)的影響

設(shè)定單級(jí)壓縮熱泵和雙級(jí)壓縮熱泵的蒸發(fā)溫度為313.15 K，單雙級(jí)耦合熱泵中的單級(jí)壓縮部分和單級(jí)壓縮熱泵的參數(shù)一致，由于單級(jí)壓縮部分能夠提供給雙級(jí)壓縮部分比較高的熱量，從而使蒸發(fā)溫度達(dá)到較高值，于是設(shè)定單雙級(jí)耦合熱泵中雙級(jí)壓縮部分的蒸發(fā)溫度為353.15 K，冷凝溫度為393.15 K.單級(jí)壓縮熱泵、雙級(jí)壓縮熱泵以及單雙級(jí)耦合熱泵的單級(jí)壓縮部分的冷凝溫度設(shè)定為353.15～393.15 K，步長(zhǎng)為5 K，利用Matlab編程計(jì)算，獲取結(jié)果，并將結(jié)果導(dǎo)入Origin制圖軟件，獲得圖3-7所示的結(jié)果.

圖3 3種熱泵系統(tǒng)COP隨冷凝溫度的變化規(guī)律

圖3-5都是在給定設(shè)計(jì)制熱量為50 kW的情況下，計(jì)算得出3種熱泵系統(tǒng)冷凝溫度與COP、壓縮機(jī)耗功、蒸發(fā)器熱負(fù)荷的變化規(guī)律.由圖3可見，3種熱泵系統(tǒng)的供熱系數(shù)(COP)均隨冷凝溫度的提高而降低，符合理論分析；雙級(jí)壓縮熱泵系統(tǒng)的COP略高于單級(jí)壓縮熱泵系統(tǒng)，這是由于雙級(jí)壓縮熱泵增設(shè)了中間補(bǔ)氣環(huán)節(jié)，能夠提高進(jìn)入高壓壓縮機(jī)的焓值，從而減少壓縮機(jī)的耗功，提高熱泵系統(tǒng)的COP.從圖4可見，單級(jí)壓縮的耗功要大于雙級(jí)壓縮的耗功，單雙級(jí)耦合熱泵系統(tǒng)的COP遠(yuǎn)大于單級(jí)壓縮和雙級(jí)壓縮熱泵系統(tǒng).由圖5可見，蒸發(fā)器熱負(fù)荷隨冷凝溫度的升高而降低，且單級(jí)壓縮的蒸發(fā)器熱負(fù)荷是最低的，即單級(jí)壓縮所需蒸發(fā)器面積最小，成本最低，其次是雙級(jí)壓縮機(jī)，比單級(jí)壓縮機(jī)的蒸發(fā)器熱負(fù)荷略大一些，而單雙級(jí)耦合的蒸發(fā)器熱負(fù)荷最大.圖6-7是在相同環(huán)境下，從環(huán)境中吸收相同的熱量，計(jì)算得出3種熱泵系統(tǒng)冷凝溫度與系統(tǒng)制熱量、壓縮機(jī)耗功之間的關(guān)系.由圖6可見，隨著冷凝溫度的升高制熱量也隨之升高，且單雙級(jí)耦合系統(tǒng)的制熱量最大，其次是單級(jí)壓縮，最后是雙級(jí)壓縮略低于單級(jí)壓縮的制熱量.由圖7可見，隨著冷凝溫度的升高，壓縮機(jī)耗功也在不斷增大，趨勢(shì)和特征同冷凝溫度與制熱量的關(guān)系相同[12].

圖4 3種熱泵系統(tǒng)壓縮機(jī)耗功隨冷凝溫度的變化規(guī)律

圖5 3種熱泵系統(tǒng)蒸發(fā)器熱負(fù)荷隨冷凝溫度的變化規(guī)律

圖6 3種熱泵系統(tǒng)相同吸熱量的制熱量隨冷凝溫度的變化規(guī)律

圖7 3種熱泵系統(tǒng)相同吸熱量的壓縮機(jī)耗功隨冷凝溫度的變化規(guī)律

3.2 蒸發(fā)溫度對(duì)熱泵性能參數(shù)的影響

設(shè)定單級(jí)壓縮熱泵和雙級(jí)壓縮熱泵的冷凝溫度溫度為393.15 K，同樣地，考慮到單級(jí)壓縮部分較高的冷凝溫度，單雙級(jí)耦合熱泵中的雙級(jí)壓縮部分設(shè)定蒸發(fā)溫度為353.15 K，冷凝溫度為393.15 K，查閱文獻(xiàn)可知，當(dāng)有太陽(yáng)光照時(shí)，蒸發(fā)溫度通常能夠達(dá)到40～80 ℃.于是，單級(jí)壓縮熱泵、雙級(jí)壓縮熱泵以及單雙級(jí)耦合熱泵的單級(jí)壓縮部分的蒸發(fā)溫度設(shè)定為313.15～353.15 K，步長(zhǎng)為5 K，利用Matlab編程計(jì)算，獲取結(jié)果，并將結(jié)果導(dǎo)入Origin制圖軟件，獲得圖8-12所示的結(jié)果.

圖8 3種熱泵系統(tǒng)COP隨蒸發(fā)溫度的變化規(guī)律

圖8-10都是在給定設(shè)計(jì)制熱量為50 kW的情況下，計(jì)算得出3種熱泵系統(tǒng)蒸發(fā)溫度與COP、壓縮機(jī)耗功、蒸發(fā)器熱負(fù)荷的變化規(guī)律.由圖8可見，3種熱泵系統(tǒng)的供熱系數(shù)(COP)均隨蒸發(fā)溫度的提高而增大，符合理論分析；并且，雙級(jí)壓縮熱泵系統(tǒng)的COP高于單級(jí)壓縮熱泵系統(tǒng)，這是由于雙級(jí)壓縮熱泵增設(shè)了中間補(bǔ)氣環(huán)節(jié)，能夠提高進(jìn)入高壓壓縮機(jī)的焓值，從而減少壓縮機(jī)的耗功，提高熱泵系統(tǒng)的COP，而單雙級(jí)耦合壓縮系統(tǒng)的COP最小，這是因?yàn)槠鋲嚎s機(jī)耗功包括單級(jí)壓縮系統(tǒng)耗功和雙級(jí)壓縮系統(tǒng)耗功而向外界釋放的熱量?jī)H是雙級(jí)壓縮系統(tǒng)的冷凝器熱負(fù)荷；從圖9可見，壓縮機(jī)耗功隨蒸發(fā)溫度的升高而降低，單級(jí)壓縮的耗功要大于雙級(jí)壓縮的耗功，單雙級(jí)耦合熱泵系統(tǒng)的COP遠(yuǎn)大于單級(jí)壓縮和雙級(jí)壓縮熱泵系統(tǒng)；由圖10可見，蒸發(fā)器熱負(fù)荷隨蒸發(fā)溫度的升高而增大，且單級(jí)壓縮的蒸發(fā)器熱負(fù)荷是最低的，即單級(jí)壓縮所需蒸發(fā)器面積最小，成本最低，其次是雙級(jí)壓縮機(jī)，比單級(jí)壓縮機(jī)的蒸發(fā)器熱負(fù)荷略大一些，而單雙級(jí)耦合的蒸發(fā)器熱負(fù)荷最大；圖11-12是給定在相同環(huán)境下，從環(huán)境中吸收相同的熱量，計(jì)算得出3種熱泵系統(tǒng)蒸發(fā)溫度與系統(tǒng)制熱量、壓縮機(jī)耗功之間的關(guān)系.由圖11可見，隨著蒸發(fā)溫度的升高制熱量隨之減小，且單雙級(jí)耦合系統(tǒng)的制熱量最大，其次是單級(jí)壓縮，最后是雙級(jí)壓縮略低于單級(jí)壓縮的制熱量，這說(shuō)明在惡劣的制熱環(huán)境下，單雙級(jí)壓縮系統(tǒng)能夠更好的利用環(huán)境熱量，在陰雨天也能向干燥室提供可觀的熱量.由圖12可見，隨著蒸發(fā)溫度的升高，壓縮機(jī)耗功也在不斷減小，趨勢(shì)和特征同冷凝溫度與制熱量的關(guān)系相同.

圖9 3種熱泵系統(tǒng)壓縮機(jī)耗功隨蒸發(fā)溫度的變化規(guī)律

圖10 3種熱泵系統(tǒng)蒸發(fā)器熱負(fù)荷隨蒸發(fā)溫度的變化規(guī)律

圖11 3種熱泵系統(tǒng)相同吸熱量的制熱量隨蒸發(fā)溫度的變化規(guī)律

圖12 3種熱泵系統(tǒng)相同吸熱量的壓縮機(jī)耗功隨蒸發(fā)溫度的變化規(guī)律

3.3 太陽(yáng)輻射強(qiáng)度對(duì)熱泵性能參數(shù)的影響

查閱相關(guān)論文文獻(xiàn)，獲取太陽(yáng)輻射強(qiáng)度為200～1 000 W·m-2，步長(zhǎng)為100 W·m-2，并將其通過(guò)能量守恒公式轉(zhuǎn)換為蒸發(fā)溫度，結(jié)果如圖13所示.

圖13 3種熱泵系統(tǒng)COP隨太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的變化規(guī)律

太陽(yáng)能輻射強(qiáng)度主要影響的是制冷劑的蒸發(fā)溫度，當(dāng)太陽(yáng)輻射增強(qiáng)時(shí)，制冷劑在蒸發(fā)器內(nèi)的蒸發(fā)溫度增加，制冷劑單位質(zhì)量流量增加，從而使制冷劑獲得更多的熱量.對(duì)比圖8和圖13可知，太陽(yáng)輻射強(qiáng)度對(duì)COP影響與蒸發(fā)溫度相同.

4 結(jié) 論

1)隨蒸發(fā)溫度的升高和冷凝溫度的降低，系統(tǒng)的蒸發(fā)器熱負(fù)荷越大，制熱量越少.

2)當(dāng)3種系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度、冷凝溫度和制熱量都相同時(shí)，雙級(jí)壓縮系統(tǒng)的COP最大，耗功最小，蒸發(fā)器熱負(fù)荷最小.

3)在相同吸熱量的條件下，單雙級(jí)耦合壓縮系統(tǒng)的制熱量最大，其次是單級(jí)壓縮系統(tǒng)，最后是雙級(jí)壓縮系統(tǒng)，制熱量略低于單級(jí)壓縮系統(tǒng).這說(shuō)明在惡劣的制熱環(huán)境下，單雙級(jí)壓縮系統(tǒng)能夠更好地利用環(huán)境熱量，在陰雨天也能向干燥室提供可觀的熱量.單雙級(jí)耦合壓縮太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行方式可以根據(jù)其運(yùn)行條件進(jìn)行切換，達(dá)到效率最大化.