设为首页 联系我们 友情链接 网站导航 知识窗
中央空调 家用空调 空调末端 特种空调 运输空调 冷冻冷藏 热泵热水机 水/地源热泵 蒸发冷却空调 压缩机 热交换器 配件及原料 智能控制 空气净化
您所在位置:首页  > 技术

基于喷气增焓技术的轻型商用变频空气源热泵的研究

发表日期:2018/10/24 10:24:06 来源:《制冷与空调》 评论 总点击量:

空气源热泵是一种利用逆向热力循环原理提取与转移热量的设备,通过消耗一部分少量的电能,将热量从室外低温空气中转移到室内房间,实现对室外环境空气中热量的回收再利用。然而,空气源热泵的使用容易受到室外环境温度的限制,随着环境温度的降低,蒸发压力下降,压缩机吸气量进一步降低,压缩比增大,严重削弱了机组的制热能力与性能系数,影响其运行可靠性。另外,在室外空气湿度大的情况下,室外换热器结霜严重,进一步阻碍了空气源热泵的制热能力输出。

针对以上空气源热泵存在的低温制热技术瓶颈问题,国内外专家学者进行了诸多研究和探索。R. S. Adhikari等提出了采用变频热泵空调系统,通过调节系统在低环境温度下的频率提升系统制热能力;LV X.等提出了双级压缩制热循环,在降低单级系统压缩比的基础上提高系统的制冷剂质量流量,通过合理控制补气回路的流量,在降低排气温度的同时保证制热性能,使机组在低环境温度下长期稳定运行;C. J. Banister 等针对空气源热泵系统存在的缺陷,提出了复合能量控制系统,将太阳能、地热等低品位能源回收利用,并将其与空气源热泵有效结合,极大提升了热泵在低环境温度下的制热能力和适应性。B. H. Kim等在热泵中应用了电加热技术,在低环境温度运行时控制电加热开启,为室外侧换热器补充热量,有效缓解系统在低环境温度下运行的不可靠性问题,然而,电加热技术需要消耗电能,降低了系统整体的制热能效。

S. S. Bertsch等分析了两级压缩系统在不同过冷器和经济器下的制热能力,模拟结果显示,经济器较过冷器在制热能力提升方面优势明显;A. Kubota等研究了喷气增焓技术在双转子压缩机中的应用,通过试验对喷气增焓转子式压缩机结构和控制方式进一步优化;Wang X. D.等分别研究闪蒸器和过冷器在涡旋式压缩机中的应用,对2种喷射器的性能进行了比较;M. Nguyen等测试了带闪蒸器的家用变频热泵型空调器,其在-15 ℃环境温度下的制热能力较单级压缩系统提升了21%。

在以上国内外学者研究的基础上,笔者着眼于将喷气增焓技术推广应用于轻型商用变频空气源热泵,提升轻型商用空气源热泵在低环境温度下的制热能力和能效,满足不同区域用户在室外低环境温度下对供热的需求。

1  喷气增焓变频空气源热泵及其热力学分析

1.1  系统介绍

图1所示为轻型商用喷气增焓变频空气源热泵系统示意图,该装置设计的额定制热能力为14.0 kW,按照GB/T 7725—2004《房间空气调节器》中额定制热工况,室外干/湿球温度为7 ℃/6 ℃,室内干/湿球温度为20 ℃/15 ℃。系统主要包括:转子式压缩机、室内换热器、室外换热器、板式换热器、四通换向阀以及2个电子膨胀阀。四通换向阀用于调节系统制冷剂流向,控制系统制冷/制热模式的转换;板式换热器采用逆流换热结构设计,内部采用微通道结构,保证制冷剂换热充分;室外侧设置了2个电子膨胀阀(电子膨胀阀的开度范围为0~500步),板式换热器管路上的电子膨胀阀调节中间压力,控制制冷剂闪蒸流量,保证从板式换热器进入压缩机的制冷剂有一定的过热度(过热度控制在3~6 ℃)。表1所示为喷气增焓系统的详细配置。

在制热时,从压缩机出来的高温高压制冷剂进入室内换热器为房间供热,从室内换热器出来的制冷剂分成2部分,一小部分先进行一次节流,在板式换热器中与大部分未节流的高温制冷剂进行热交换,使大部分未节流的制冷剂进一步过冷,与此同时,吸热后的小部分制冷剂蒸发至气态,喷射入压缩腔,喷射口设置了止回阀,当压缩至中间压力时,止回阀关闭,避免压缩腔体内制冷剂回流。

在焓差实验室内完成喷气增焓热泵样机动态测试(说明:在室外干/湿球温度7 ℃/6 ℃工况下测试无结霜;在2 ℃/1 ℃,-7 ℃/-8 ℃,-15 ℃/-16 ℃,-20 ℃/-21 ℃和-25 ℃这几种工况下均出现结霜现象)。焓差实验室包括室内侧和室外侧,焓差室内温度与湿度可实现精准控制,室内侧的风量依据喷管原理计算,测试过程记录室内侧回风与出风的温度和湿度及系统耗电量。表2所示为系统测试的制热工况,室外侧温度控制在-25~7 ℃,室内侧温度保持干/湿球温度为20 ℃/15 ℃,压缩机频率在60~100 Hz范围内调节,通过调节闪蒸管路电子膨胀阀的开度优化系统的低温制热能力。

1.2  喷气增焓系统的热力学分析

图2所示为带闪蒸器的系统压-焓图。其中,4—5为主流路制冷剂过冷过程;4—4′为小部分制冷剂节流后进入板式换热器的过程;5—5′为主流程制冷剂节流过程;5′—1为制冷剂在室外侧换热器吸热过程;1—3为喷射压缩过程。与原制热循环压焓图相比,喷气增焓热力学循环过程包括了2次压缩,存在中间压力。实际喷射制热循环冷凝温度会较普通制热循环略高,该压-焓图主要是用于区别喷气增焓系统的排气温度与普通循环过程排气温度的差异,所以冷凝温度近似看作相同。

系统制热量为冷凝器的放热量,即

在闪蒸过程中,存在:

在喷气增焓过程中,系统总的制热量可以表示为

对于没有闪蒸器的热泵循环,其制热量可以表示为

由式(4)和式(5)可得,

式中:Qh为喷气增焓系统制热量(kW);m为室外换热器制冷剂质量流量(kg/s);i为闪蒸过程制冷剂质量流量(kg/s);h1为吸气口制冷剂焓值(kJ/kg);h2为中间压缩制冷剂焓值(kJ/kg);h3和h3′分别为喷气增焓循环与传统热泵循环压缩机出口制冷剂焓值(kJ/kg);h5和h5′分别为喷气增焓循环制冷剂节流前、后的焓值(kJ/kg);h4和h4′分别为闪蒸过程制冷剂节流前、后的焓值(kJ/kg)。

喷气增焓系统制热量提高主要得益于冷凝器过冷度增大,从而使蒸发过程从室外环境多吸热m(h4-h5),另外,喷射压缩过程增加了压缩机耗功,这部分耗功也提升了系统的制热量。另外,系统的排气温度从原来的t3′降低至t3,解决了普通热泵在冬季低温制热时单级压缩高压比运行造成的排气温度过高,提升了机组低温制热时运行的可靠性。

2  测试结果及分析

喷气增焓系统的中间压力与制热输出能力息息相关,图3所示为在室外干/湿球温度为-15 ℃/-16 ℃时不同运行频率下制热量随中间压力的变化曲线。可以看出,随着中间压力的逐渐升高,不同频率下对应的制热能力逐渐增大,主要原因是随着中间压力升高,闪蒸流量增加,使得排气温度及冷凝压力下降,与此同时,通过板式换热器的制冷剂过冷度增大,从而提升制热能力的输出。压缩机运行频率在100 Hz时,最佳中间压力(0.81 MPa)下的制热量可达到14.6 kW,比中间压力为0.61 MPa时对应的制热量提升了10.9%;随着中间压力进一步提高,制热量出现下降趋势,主要原因是中间压力进一步提升,导致制冷剂在室外换热器吸收环境热量减少,从而削弱系统整体的制热能力。


图4所示为系统功耗随中间压力的变化曲线。可以看出,在不同运行频率下,随着中间压力逐渐升高,功耗先出现微弱下降趋势,主要是喷射量的增加提高了系统过冷度,导致排气温度下降,从而减小了压缩过程的压缩比,降低了系统功耗;随着中间压力进一步增大,系统功耗稍有上升,主要是中间压力增加造成闪蒸流量增加,压缩过程的制冷剂流量增加,从图2中的2′—3可以看出,质量流量增加导致压缩机功耗上升。


图5所示为在补气最佳中间压力和补气关闭下制热量随环境温度的变化曲线。可以看出,在相同运行频率下,对应不同室外工况,有补气的制热量明显高于无补气的制热量。在运行频率为100 Hz下,室外环境温度-25 ℃时,有补气制热量比对应无补气的制热量提升了11.2%;在室外环境干/湿球温度为7 ℃/6 ℃时,制热量提升可达到18.6%;在室外环境干/湿球温度为-15 ℃/-16 ℃下,系统制热能力为14.2 kW,可达到额定制热能力的100%;在室外环境干/湿球温度为-20 ℃/-21 ℃下,系统制热能力为12.7 kW,达到额定制热能力的90.7%;在室外环境温度为-25 ℃下,对应的制热能力可达到额定制热能力的78.2%。


图6所示为室外环境温度-25 ℃下有补气与无补气2种模式下系统功耗和COP随压缩机运行频率的变化曲线。可以看出,随着压缩机运行频率的减小,有补气与无补气2种运行模式的COP均呈现上升趋势,在相同运行频率下,有补气COP略高于无补气COP;值得注意的是,随着压缩机运行频率减小,有补气与无补气2种运行模式的功耗均下降,且无补气模式的功耗明显低于有补气运行模式的功耗,主要原因是在补气状态下,增加了压缩机在2′—3的制冷剂流量,与传统热泵循环相比,功耗增加了i(h3-h2′)。


图7所示为室外干/湿球温度2 ℃/1 ℃和-15 ℃/-16 ℃下有补气和无补气2种模式下的排气温度随压缩机运行频率的变化。可以看出,在2种工况下,对应不同的运行频率,有补气状态的排气温度明显低于对应无补气状态的排气温度,且随着压缩机频率升高,2种状态对应的排气温度差值逐渐缩小,在室外环境温度-15 ℃下,压缩机运行频率为60 Hz时,有补气状态的排气温度比对应无补气状态的排气温度下降了12.2 ℃;在室外干/湿球温度为2 ℃/1 ℃下,压缩机运行频率为100 Hz时,有补气状态的排气温度比对应无补气状态的排气温度下降了2.8 ℃,主要原因是在有闪蒸补气状态下,从中间喷射孔射入压缩机的制冷剂温度低,降低了压缩机排气温度,从图2可以看出,普通热泵循环排气温度状态3下降至喷气增焓循环的排气温度3′(3—3′)。随着压缩机运行频率上升,系统制冷剂流量逐渐增大,室外换热器中制冷剂流量逐渐增大,而闪蒸器中制冷剂质量流量相对较小,对压缩机制冷剂温度冷却能力有限,从而缩小了频率上升过程2种状态排气温度的差值。


图8所示为3种室外工况下(干/湿球温度-20 ℃/-21 ℃,-15 ℃/-16 ℃及-7 ℃/-8 ℃)有补气与无补气2种状态下的COP随压缩机运行频率的变化。可以看出,随着压缩机运行频率上升,3种工况下的COP均呈现下降趋势,且对应工况与运行频率下,有补气状态的COP略高于无补气状态下的COP;在室外干/湿温度为-20 ℃/-21 ℃下,运行频率为100 Hz时,有补气状态的COP比无补气状态的COP提升了6.2%;在室外干/湿温度为-15 ℃/-16 ℃下,压缩机运行频率为100 Hz时,有补气的系统COP可达到2.07,较对应工况下无补气系统的COP提升了10.5%,主要原因是在最佳中间压力下,根据图5数据可知,室外工况-15 ℃/-16 ℃下,有补气系统的制热能力提升幅度大,较无补气系统制热能力提升14.5%。


3  结论

对采用喷气增焓技术的轻型商用变频空气源热泵进行测试,对系统的低温制热量、排气温度、COP等重要参数进行详细分析,并将其与无补气状态下系统制热性能进行对比,具体结论如下:

1) 喷气增焓变频空气源热泵在低温制热时存在最佳中间压力,在最佳中间压力下,制热量最大。

2) 与无补气状态下相比,相同工况下,喷气增焓系统的制热量和COP均有提升,当压缩机运行频率为100 Hz,室环境温度为-25 ℃时,有补气状态制热量比无补气状态制热量提高了11.2%;在室外环境温度为-15 ℃时,有补气状态的制热量可到达额定制热能力的100%,同时,在压缩机运行频率为100 Hz时,喷气增焓系统COP较普通热泵空调COP提升了10.5%。

3) 在不同工况及压缩机运行频率下,有补气状态的制冷剂排气温度明显低于对应无补气状态下的制冷剂排气温度,在低温制热时,排气温度降低提升了机组运行的可靠性,解决了单级压缩造成的高压缩比问题。

本文选自《制冷与空调》2018年1月刊,作者:侯泽飞  宋分平  李鸿耀;未经许可,不得转载


发表评论: 共有 访客发表了评论

验证码: 看不清楚?

    精彩内容推荐

    • 艾默生公布其财年第四季度及2018全年业绩

      艾默生宣布截至2018年9月30日的公司第四季度以及全年的财务业绩本季度全球需求持续强劲,成熟市场和新兴市场均实现了较高个位数的基本增长。第四季度净销售额增长10%,基本销售额增长8%,不包括货币折算带来2%的不利影响以及资产并购及剥离净值带来4%的积极影响。第四季度艾默…

    • 《低环境温度空气源热泵热风机》发布

      2018年8月24日,中华人民共和国工业和信息化部发布了2018年第36号公告,公告批准《V型球阀》等183项行业标准,其中《低环境温度空气源热泵热风机》(标准号JB/T13573-2018)位列机械行业标准第92项。公告称该机械行业标准2019年5月1日起实施,该标准由机械工业出版社出版。据了…

    • 2018年中国技能大赛——“三向杯”全国机械行业职业技能竞赛制冷工(制冷与空调)赛项圆满结束

      2018年10月11日—14日,“2018年中国技能大赛——‘三向杯’全国机械行业职业技能竞赛制冷工(制冷与空调)赛项”在北京成功举办。该项赛事由中国机械工业联合会、中国就业培训技术指导中心、中国机械冶金建材工会全国委员会主办;中国制冷空调工业协会、中国仪器仪表学会、北…

    排行榜

    一周 | 一月

    精彩专题

    • 制冷空调行业部分上市公司2018年三季度报集锦

    • 制冷空调行业部分上市公司2018年中报集锦

    • 2018年中国技能大赛——全国机械行业职业技能竞赛制冷工(制冷与空调)赛项

    • 第十二届中国制冷空调行业大学生科技竞赛

    • 20号令变身94号令,关于质疑投诉的要点

    • 详解《中华人民共和国标准化法》

    • 制冷空调行业部分上市公司2017年三季报集锦

    • 保护臭氧层,我们一直在行动

    • 全国各地政府采购评审专家劳务报酬标准汇总

    • 第十一届中国制冷空调行业大学生科技竞赛

    • 2017“2+26”城市“煤改清洁能源”补贴政策一览

    • 您需要知道的几个要点

    • 2017北京“煤改清洁能源”招标陆续启动

    • 关注热泵采暖

    • 中央空调政府采购二三事儿

    • 冷冻冷藏

    • 汽车空调

    Top