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噴氣增焓雙級耦合熱泵的設(shè)計與熱力學分析

2016-05-25 11:12:08 安裝信息網(wǎng)

馬龍劉澤華張小紅張超

南華大學城市建設(shè)學院

摘要：本文設(shè)計一套噴氣增焓技術(shù)與水源熱泵技術(shù)相耦合的低溫熱泵供暖系統(tǒng)，介紹其冬夏季供暖供冷與供生活熱水三位一體的工作流程，并以系統(tǒng)能效比為優(yōu)化目標，對噴氣增焓雙級耦合熱泵系統(tǒng)進行熱力學分析，確定出在不同工況下，系統(tǒng)最佳中間水箱供水溫度和單、雙級運行切換溫度，并通過對壓縮機排氣溫度與壓縮比的分析，得出系統(tǒng)可在低溫工況下可靠運行的結(jié)論。

關(guān)鍵詞：雙級耦合熱泵噴氣增焓熱力學分析制熱能效比優(yōu)化設(shè)計

0 引言

雙級耦合熱泵供暖系統(tǒng)是一種適應(yīng)嚴寒地區(qū)的新型低溫供暖系統(tǒng)，其將空氣源熱泵機組與水源熱泵機組通過中間水環(huán)路耦合在一起，空氣源熱泵機組從原來供45℃熱水降低為供10～20℃熱水，水源熱泵再以10～20℃熱水為熱源，供應(yīng)45℃熱水。通過降低第一級空氣源熱泵機組冷凝溫度，來改善系統(tǒng)在低溫工況下的運行性能。

但雙級耦合熱泵供暖系統(tǒng)只是降低第一級空氣源熱泵機組冷凝溫度，并未針對低溫工況，對空氣源熱泵機組進行結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化。本文將具有良好低溫適應(yīng)性的噴氣增焓技術(shù)引入第一級空氣源熱泵機組，進一步提高了雙級耦合熱泵系統(tǒng)的低溫適應(yīng)性，并在系統(tǒng)中加入制生活熱水模塊，實現(xiàn)了冬季同時供熱、供生活熱水的功能，增加了系統(tǒng)的實用性。通過熱力學分析，研究在不同工況下，系統(tǒng)能效比與單、雙級切換溫度和中間水箱供水溫度的關(guān)系，并分析系統(tǒng)在低溫工況下運行的可靠性。

1 系統(tǒng)的形式

噴氣增焓雙級耦合熱泵系統(tǒng)由第一級噴氣增焓空氣源熱泵和第二級水源熱泵通過中間水箱耦合而成，如圖1。冬季工況下，系統(tǒng)采用單、雙級切換運行，開啟噴氣增焓回路。當?shù)谝患壵舭l(fā)溫度低于切換溫度，機組采用雙級運行，電磁閥c、d關(guān)閉，電磁閥a、b、e打開，由三套管式換熱器加熱生活熱水水箱，當環(huán)境溫度高于切換溫度，機組采用單級運行，電磁閥a、b關(guān)閉，電磁閥c、d、e打開，由套管式換熱器加熱生活熱水水箱。夏季工況下，系統(tǒng)采用單級運行，關(guān)閉噴氣增焓回路。電磁閥c、d打開，電磁閥a、b、e關(guān)閉，由套管式換熱器加熱生活熱水水箱。

2 熱力學分析

圖2為噴氣增焓雙級耦合熱泵系統(tǒng)壓焓圖。制冷劑在第一級殼管式換熱器中冷凝放熱至狀態(tài)點5，隨后進入套管式換熱器冷凝放熱至狀態(tài)點6，隨后分為兩路，主路制冷劑直接進入板式換熱器，輔助回路制冷劑節(jié)流后進入板式換熱器，兩路制冷劑在板式換熱器中熱交換，使得主路制冷劑過冷達到狀態(tài)點9。主路制冷劑隨后節(jié)流到狀態(tài)點10，進入翅片管式換熱器中蒸發(fā)吸熱到達狀態(tài)點1，最后進入壓縮機下部吸氣口被壓縮完成整個循環(huán)。輔助回路制冷劑吸熱到達狀態(tài)點8后進入壓縮機中間吸氣口被壓縮完成整個循環(huán)。第二級水源熱泵制熱循環(huán)為11-12-13 -14。

翅片管式換熱器吸熱量

式中：a為制冷劑流量隨蒸發(fā)溫度的下降系數(shù)，根據(jù)廠商提供樣本擬合得出；m1為第一級主路制冷劑質(zhì)量流量；h1為第一級壓縮機進口制冷劑焓值；h10為翅片管式換熱器進口制冷劑焓值；Te為第一級機組蒸發(fā)溫度,a1、a2、a3均為擬合系數(shù)，其數(shù)值見表1。

第一級壓縮機做功

式中：△m為第一級輔助回路制冷劑質(zhì)量流量；ηi 為壓縮機指示效率；h2為第一級壓縮機初段壓縮出口制冷劑實際焓值；h3為第一級壓縮機后段壓縮進口制冷劑焓值；h2s為第一級壓縮機初段絕熱壓縮出口制冷劑焓值；h4為第一級壓縮機后段壓縮制冷劑出口實際焓值；

H4s為第一級壓縮機后段絕熱壓縮出口制冷劑焓值；△T為壓縮機吸氣過熱度；Te為第一級機組冷凝溫度；A4~a12均為擬合系數(shù)，其數(shù)值見表1。

3)h3的計算

根據(jù)板式換熱器中的熱平衡可得：

式中：h6為第一級套管式換熱器出口制冷劑焓值；h7為第一級輔助回路制冷劑節(jié)流后焓值；h8為第一級壓縮機中間吸氣口制冷劑焓值；h9為板式換熱器出口主路制冷劑焓值。

假設(shè)制冷劑總流量為單位1，且h6=h7可得：

5)三套管式換熱器制熱量

式中：m2為水源熱泵機組制冷劑流量，在雙級耦合系統(tǒng)中水源側(cè)制冷劑流量一般為空氣源側(cè)制冷劑流量的0.7~0.9，本文取0.9；h12為第二級壓縮機出口制冷劑實際焓值；h13為三套管式換熱器出口制冷劑焓值。

由于第二級水源熱泵蒸發(fā)溫度較高，故不考慮制冷劑流量下降系數(shù)。

6)第-級壓縮機做功

式中：h11為第二級壓縮機進口制冷劑焓值；h12s為第二級壓縮機絕熱壓縮出口制冷劑焓值。

7)系統(tǒng)雙級運行制熱性能系數(shù)

8)壓縮機排氣溫度

本文選用不具備吸、排氣閥的渦旋式壓縮機，屬固定內(nèi)容積比的壓縮機，其壓縮機排氣溫度按下式計算：

3 系統(tǒng)循環(huán)性能計算與分析

3.1計算邊界條件

1)空氣源側(cè)冷凝溫度比中間水箱熱水溫度高6~14℃，本文取6℃；

2)水源側(cè)蒸發(fā)溫度比中間水箱熱水溫度低7℃～10℃，本文取7℃；

3)壓縮機吸氣過熱度一般取3～8℃，本文取6℃；

4)噴氣增焓主路制冷劑過冷度一般取10～25℃，本文取20℃；

5)普通系統(tǒng)冷凝過冷度取5～15℃，本文水源測制冷劑過冷度取10℃；

6)第一級套管式換熱器出口制冷劑為飽和狀態(tài)；

7)制冷劑選擇R22。

312計算結(jié)果分析

在相同工況下，中間水箱溫度的變化對系統(tǒng)一、二級側(cè)運行特性有著較大影響。本文以第一級蒸發(fā)溫度-10℃，末端環(huán)路供水溫度45℃、50℃、55℃為例，得到系統(tǒng)雙級運行COP2值隨中間水箱溫度的變化曲線，如圖3。從圖3可以看出，系統(tǒng)能效比值隨中間水箱溫度的升高而呈拋物線變化。末端環(huán)路供45℃熱水時，系統(tǒng)能效比在中間水箱溫度為12℃時達到最大值2.80，比最低值2.63（中間水箱溫度30℃時）高6.46%，末端環(huán)路供50℃、55℃熱水時，系統(tǒng)能效比均在13℃達到最大值，分別為2.57與2.36，相對于其最低值，分別提高5.91%、5.24%。由上可知隨室外計算參數(shù)的變化，及時調(diào)整中間水箱溫度從而確保其在最佳值附近，這對于提高系統(tǒng)能效比有較大幫助。

隨系統(tǒng)第一級蒸發(fā)溫度的變化，末端環(huán)路供應(yīng)45℃、50℃、55℃的熱水時，最佳中間水箱溫度的變化值如圖4。從圖4可以看出，隨著第一級蒸發(fā)溫度的下降，三條曲線均呈現(xiàn)先下降再上升的趨勢，同時隨著系統(tǒng)末端供水溫度的上升，最佳中間水箱溫度隨之上升，當?shù)谝患壵舭l(fā)溫度低于-20℃后，三條曲線開始部分重合。

系統(tǒng)雙級運行時，輸入功一定大于單級運行，故選擇合適的單、雙級運行切換溫度對于整個系統(tǒng)的能效比至關(guān)重要。本文以單、雙級運行能效比相等時為切換溫度( Ts)，Te> Ts時采用單級運行，Te≤Ts時采用雙級運行。本文對系統(tǒng)單、雙級運行工況下的制熱能效比進行了比較，見表2。

從表2可得系統(tǒng)能效比隨第一級蒸發(fā)溫度的變化規(guī)律，見圖5～7。從圖5～7可以看出，機組單、雙級運行切換溫度在-7～-9℃之間。

低溫工況下，由于制冷劑吸氣比容增加，制冷劑質(zhì)量流量下降，會造成壓縮機吸氣量不足、壓縮比增大、排氣溫度過高、壓縮機頻繁啟動高溫保護，使得機組不能正常運行。正常工況下，渦旋壓縮機排氣溫度一般不超過135℃，壓縮比不超過8。

圖8～10是噴氣增焓雙級耦合熱泵系統(tǒng)的壓縮機排氣溫度計算結(jié)果。從圖8～10可以看出，末端環(huán)路供45℃熱水時，單級運行時空氣源壓縮機排氣溫度隨蒸發(fā)溫度的降低而升高，在蒸發(fā)溫度降至．9℃時達到最大值83.52℃，雙級運行時，水源壓縮機排氣溫度隨蒸發(fā)溫度的降低而先升高后降低，在蒸發(fā)溫度為-20℃時達到最大值79.22℃，空氣源壓縮機排氣溫度隨蒸發(fā)溫度的降低而先降低后升高，在蒸發(fā)溫度為-30℃時達到最大值41.34℃。末端環(huán)路供50 ℃、55℃熱水時，壓縮機排氣溫度同樣遠低于允許排氣溫度。

供應(yīng)45℃、50℃、55℃熱水時壓縮機壓縮比計算結(jié)果。從圖11可以看出，末端環(huán)路供應(yīng)45℃熱水時，單級運行時空氣源壓縮機壓縮比隨蒸發(fā)溫度的降低而升高，在蒸發(fā)溫度為．9℃達到最大值5.53，系統(tǒng)雙級運行時，水源壓縮機壓縮比隨蒸發(fā)溫度的下降而先升高再降低，在蒸發(fā)溫度為-20℃時達到最大值4.82，空氣源壓縮機壓縮比隨蒸發(fā)溫度的下降而上升，在蒸發(fā)溫度為-30℃時達到最大值4.30。末端環(huán)路供應(yīng)50℃、55℃熱水時，壓縮比同樣低于允許壓縮比。