金 旭 蔣 爽 王樹剛

(1.東北電力大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院；2.大連理工大學(xué)建設(shè)工程學(xué)部)

目前我國北方城鎮(zhèn)以大中規(guī)模熱電聯(lián)產(chǎn)為主導(dǎo)熱源的供熱方式已基本形成，但仍存在因無條件接入城市熱網(wǎng)而采用效率低且環(huán)境污染嚴(yán)重的中小燃煤、燃油和燃?xì)忮仩t采暖的現(xiàn)象。同時(shí)，大型集中熱網(wǎng)供熱不僅初投資高(城市熱網(wǎng)建設(shè)嚴(yán)重滯后于城市化推進(jìn)速度)，且存在著過量供熱、管網(wǎng)損失、空置房間采暖以及難以實(shí)現(xiàn)有效行為節(jié)能和分戶計(jì)量等問題[1]。

空氣源熱泵作為高效、節(jié)能和環(huán)保的冷熱復(fù)用設(shè)備, 不僅可與大型集中供熱系統(tǒng)形成優(yōu)勢互補(bǔ), 且非常適于我國能源結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和居民消費(fèi)水平[2]。但空氣源熱泵在低溫運(yùn)行時(shí)，將出現(xiàn)壓縮比增大、排氣溫度升高、制熱量衰減及制熱性能下降等問題[3，4]。針對以上問題，國內(nèi)外學(xué)者提出了多種改善措施[5～9]。其中，具有噴射特征的雙級壓縮技術(shù)可有效地解決空氣源低溫適應(yīng)性問題，并呈現(xiàn)出與空氣源熱泵較好地結(jié)合特性[10～14]。然而，目前此類系統(tǒng)尚處于研究試點(diǎn)階段，在實(shí)際運(yùn)行中存在著控制程序不穩(wěn)定及壓縮機(jī)燒毀等問題[15]。

筆者根據(jù)中小型空氣源熱泵系統(tǒng)的壓縮機(jī)研究進(jìn)展[16]，搭建由兩臺(tái)R410A轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)構(gòu)成的變?nèi)萘侩p級壓縮系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，研究中間噴射過程對變?nèi)萘侩p級壓縮系統(tǒng)性能的影響，進(jìn)而為完善雙級壓縮技術(shù)提出合理的系統(tǒng)控制策略奠定基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

圖1為變?nèi)萘侩p級壓縮系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置示意圖，主要由制冷劑回路、空氣/水換熱回路和乙二醇恒溫單元3部分組成。

制冷劑回路以R410A為循環(huán)工質(zhì)，低壓級壓縮機(jī)選用直流變頻雙轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)，高壓級壓縮機(jī)選用定頻轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)，蒸發(fā)器、冷凝器和級間換熱設(shè)備均采用波紋板式換熱器，各部件的參數(shù)如下：

高壓級壓縮機(jī)

類型 定頻滾動(dòng)轉(zhuǎn)子

氣缸容積 8.3cm3

低壓級壓縮機(jī)

類型 變頻雙轉(zhuǎn)子

氣缸容積 23.3cm3

電子膨脹閥

電機(jī) 四相

全開脈沖數(shù) 2 000

閥口徑 1.3mm

圖1 變?nèi)萘侩p級壓縮系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

冷凝器

高度/寬度 304.0 /124.0mm

換熱面積 0.03m2

褶皺系數(shù)/波紋角 1.183 6/0.959 9rad

片間距/片數(shù) 2.0mm /50

蒸發(fā)器

高度/寬度 304.0 /124.0mm

換熱面積 0.03m2

褶皺系數(shù)/波紋角 1.183 6/0.959 9rad

片間距/片數(shù) 2.0mm /40

中間換熱器

高度/寬度 306.0/106.0mm

換熱面積 0.025 5m2

褶皺系數(shù)/波紋角 1.183 6/0.959 9rad

片間距/片數(shù) 2.0mm /10

系統(tǒng)不同的低、高壓縮機(jī)輸氣量比可通過改變低壓級壓縮機(jī)頻率實(shí)現(xiàn)。對于中間噴射過程，噴射工質(zhì)和低壓級壓縮機(jī)的排氣將在混合腔內(nèi)完成混合。為了精確控制循環(huán)工質(zhì)流量，中間噴射回路和主循環(huán)回路均使用全開脈沖數(shù)為2 000的電子膨脹閥進(jìn)行調(diào)節(jié)。在水循環(huán)回路中有3臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)工況換熱能力為5kW的風(fēng)機(jī)盤管且并聯(lián)連接，通過風(fēng)機(jī)盤管前后截止閥的開關(guān)，可選擇風(fēng)機(jī)盤管運(yùn)行的數(shù)量。在乙二醇循環(huán)回路中存在一個(gè)乙二醇恒溫箱，主要作用是利用電加熱來平衡由系統(tǒng)產(chǎn)生的制冷量，保持乙二醇恒溫來模擬室外環(huán)境條件。

本實(shí)驗(yàn)裝置中各測點(diǎn)的溫度采用四芯鉑電阻進(jìn)行測量，其精度為±(0.15+0.002|t|)；制冷劑的壓力采用電壓輸出型壓力傳感器測量(精度為±0.5%FS)；采用科氏質(zhì)量流量計(jì)測量制冷劑質(zhì)量流量(精度為±0.2%FS)；乙二醇和水的循環(huán)流量采用渦輪流量計(jì)進(jìn)行測量(精度為±0.2%)；低高壓級壓縮機(jī)功耗采用智能功率測量儀進(jìn)行測量，精度為±(0.4%示值+0.1%FS)；所有傳感器產(chǎn)生的電信號經(jīng)過KEITHLEY2700型數(shù)據(jù)采集儀采集后傳送到計(jì)算機(jī)中進(jìn)行處理。

基于實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)測的溫度、壓力、水流量和壓縮機(jī)輸入功率數(shù)據(jù)可以計(jì)算系統(tǒng)的制熱量Q和制熱性能系數(shù)COP：

Q=Cwρwqw(Tw,out-Tw,in)

(1)

(2)

式中Cw——水的比熱容，kJ/(kg·℃)；

qw——水的循環(huán)流量，m3/s；

Tw,in/Tw,out——冷凝器進(jìn)/出口水的溫度，℃；

WL/WH——低/高壓壓縮機(jī)的輸入功率，kW(不包含低壓壓縮機(jī)變頻器消耗的功率)；

ρw——水的密度，kg/m3。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

為了展開雙級壓縮系統(tǒng)中間噴射過程及變?nèi)萘刻卣鞯难芯?，筆者對不同工況條件下系統(tǒng)性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試，具體數(shù)據(jù)見表1。

表1 測試工況實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)測試過程中，系統(tǒng)不同的低高壓機(jī)輸氣量比通過改變低壓級壓縮機(jī)頻率實(shí)現(xiàn)。中間噴射工況參數(shù)主要通過2#電子膨脹閥(即噴射回路電子膨脹閥)進(jìn)行調(diào)節(jié)。冷凝器進(jìn)出口水溫差和蒸發(fā)器進(jìn)出口乙二醇溶液溫差均設(shè)定為5℃。蒸發(fā)器出口過熱度設(shè)定為2℃，并通過1#電子膨脹閥進(jìn)行控制。需要指出的是，因電子膨脹閥結(jié)構(gòu)特性的影響，其開度為130p時(shí)，膨脹閥剛剛開啟，故將2#電子膨脹閥為130p的測試結(jié)果近似作為無噴射工況的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。此外，實(shí)驗(yàn)測試過程中，中間噴射回路中的2#電子膨脹閥開度從130p開始，逐漸增加(間隔脈沖數(shù)為10p)。其極限開度以避免高壓級壓縮機(jī)濕壓縮為原則，以中間氣體溫度等于中間壓力所對應(yīng)的飽和溫度時(shí)電子膨脹閥開度作為該工況的極限開度。

2.1中間噴射過程對中間壓力的影響

圖2給出在蒸發(fā)溫度Te為-20℃，冷凝溫度Tc為40℃，高壓級壓縮機(jī)頻率fH為50Hz，低壓壓縮機(jī)頻率fL分別為30、40、50、60Hz(即低高壓機(jī)輸氣量比ε為1.67、2.22、2.78和3.34)時(shí)，中間壓力隨噴射回路膨脹閥開度的變化。

圖2 中間壓力隨噴射膨脹閥開度變化

由圖2可見，中間壓力隨噴射回路膨脹閥開度的增大而逐漸增大，且具有先顯著增大后緩慢上升的變化趨勢。這是由于隨著噴射回路膨脹閥的開度增加，噴射工質(zhì)流量增加，高壓級壓縮機(jī)的循環(huán)工質(zhì)流量增大。在冷凝壓力不變的條件下，根據(jù)壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)特性可知，高壓級壓縮機(jī)的吸氣工質(zhì)的比容必然減少。對于本研究系統(tǒng)，高壓級吸氣比容減少主要是因系統(tǒng)級間壓力升高和高壓級壓縮機(jī)吸氣過熱減小兩方面因素。當(dāng)噴射回路膨脹閥開度較小時(shí)，噴射質(zhì)量流量較小，且由中間換熱結(jié)構(gòu)和換熱特性可知，噴射工質(zhì)的比焓較高。此時(shí)噴射過程對高壓級吸氣過熱減小的影響較小，為滿足高壓級壓縮機(jī)吸氣，中間壓力將顯著升高。當(dāng)噴射回路膨脹閥開度較大時(shí)，噴射工質(zhì)流量較大且比焓較低，此時(shí)噴射過程將大幅度降低高壓級壓縮機(jī)吸氣過熱，故中間壓力的變化不再顯著。

從圖2還可以看出，中間壓力隨著低壓壓縮機(jī)頻率fL(即低高壓機(jī)輸氣量比ε)的增大而升高。這是由于隨著fL的增大，低壓壓縮機(jī)和高壓壓縮機(jī)的工質(zhì)循環(huán)流量均會(huì)增加，在無中間噴射過程且保持系統(tǒng)運(yùn)行工況恒定時(shí)，根據(jù)質(zhì)量守恒定律，為滿足高壓級壓縮機(jī)吸氣，中間壓力將逐漸升高。此外，隨著fL的增大，在中間壓力顯著變化區(qū)內(nèi)，其隨中間噴射回路膨脹閥開度的變化率逐漸減弱。原因是隨著fL的增大，中間壓力逐漸升高，噴射回路膨脹閥前后壓差逐漸減小，在相同的膨脹閥開度下，噴射質(zhì)量流量將逐漸減少。同時(shí)，隨fL的增大，低壓級壓縮機(jī)和高壓級壓縮機(jī)的工質(zhì)循環(huán)流量逐漸增加，進(jìn)而噴射工質(zhì)占總循環(huán)工質(zhì)的比例減小，即相同噴射回路膨脹閥開度的變化導(dǎo)致高壓級壓縮機(jī)工質(zhì)循環(huán)量的變化率減小。同時(shí)，因該區(qū)域內(nèi)噴射工質(zhì)比焓較大，為保證高壓級壓縮機(jī)吸氣量主要通過提高中間壓力實(shí)現(xiàn)。

為進(jìn)一步說明中間噴射過程對中間壓力的影響，圖3給出了低高壓級壓縮機(jī)頻率均為50Hz時(shí)，在不同蒸發(fā)溫度Te和冷凝溫度Tc下中間壓力隨噴射回路膨脹閥開度的變化。

a.恒定冷凝溫度Tc b.恒定蒸發(fā)溫度Te

從圖3可看出，中間壓力隨噴射回路膨脹閥開度的變化規(guī)律與圖2所示基本一致，均具有先迅速增加，后緩慢上升的變化趨勢。圖3a顯示當(dāng)恒定Tc，且在相同膨脹閥開度下，中間壓力隨著Te的上升而上升；圖3b顯示當(dāng)恒定Te，在相同膨脹閥開度下，中間壓力隨著Tc的上升而上升。需要指出的是，噴射回路膨脹閥開度較小時(shí)，不同Tc的中間壓力相差不大，而不同Te的中間壓力有較大的區(qū)別，。

2.2中間噴射過程對壓縮機(jī)排氣溫度的影響

圖4a給出了低壓級壓縮機(jī)排氣溫度隨噴射回路膨脹閥開度的變化。隨著膨脹閥開度的增加，低壓壓縮機(jī)的排氣溫度先迅速上升，然后幾乎保持不變。此規(guī)律是因中間壓力隨著膨脹閥開度變化所導(dǎo)致的。圖4b給出了高壓級壓縮機(jī)排氣溫度隨噴射回路膨脹閥開度的變化。隨著膨脹閥開度的增加，高壓壓縮機(jī)排氣溫度先逐漸下降，當(dāng)?shù)蛪簤嚎s機(jī)排氣溫度開始緩慢變化時(shí)，高壓壓縮機(jī)排氣溫度開始迅速下降，直到接近甚至低于低壓壓縮機(jī)的排氣溫度。這是由于在噴射過程初期，中間壓力隨著噴射回路膨脹閥開度的增大具有顯著增加趨勢，這將造成高壓級壓縮機(jī)運(yùn)行壓比減小，導(dǎo)致高壓級壓縮機(jī)排氣溫度具有略微減少的趨勢。然而，隨著噴射回路膨脹閥開度繼續(xù)增大，中間壓力將緩慢變化，此時(shí)噴射工質(zhì)流量較大且比焓較低，造成高壓級壓縮機(jī)吸氣過熱顯著減小，進(jìn)而導(dǎo)致高壓級壓縮機(jī)排氣溫度顯著降低。高壓級壓縮機(jī)排氣溫度這種迅速變化的特點(diǎn)，可作為噴射回路膨脹閥控制策略的參考。此外，從圖4b還可以看出，總體上高壓級壓縮機(jī)的排氣溫度始終低于80℃，此特征表明具有噴射過程的雙級壓縮技術(shù)非常有利于熱泵系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

a.低壓級壓縮機(jī) b.高壓級壓縮機(jī)

2.3相對隨噴射回路膨脹閥開度的變化

為更好地量化中間噴射過程的噴射工質(zhì)，并考慮研究的通用性(即相關(guān)分析結(jié)果可適用于不同容量壓縮機(jī)構(gòu)成的雙級壓縮系統(tǒng))，筆者將中間噴射工質(zhì)質(zhì)量流量(minj，單位kg/s)與經(jīng)蒸發(fā)器的工質(zhì)質(zhì)量循環(huán)流量(meva，單位kg/s)的比值定義為相對噴射量mrat，其表達(dá)式為：

(3)

圖5為相對噴射量隨噴射回路膨脹閥開度的變化趨勢，可以看出，相對噴射量與噴射回路膨脹閥的開度之間呈近似線性關(guān)系。根據(jù)式(3)可知，相對噴射量與噴射工質(zhì)循環(huán)量和經(jīng)蒸發(fā)器的工質(zhì)循環(huán)量(即經(jīng)低壓級壓縮機(jī)工質(zhì)循環(huán)量)有關(guān)，而噴射工質(zhì)循環(huán)量主要取決于膨脹閥的開度和膨脹閥兩端壓差。盡管在噴射過程初期，中間壓力發(fā)生顯著變化，但中間壓力對噴射工質(zhì)質(zhì)量

流量和低壓級壓縮機(jī)工質(zhì)質(zhì)量流量影響趨勢相同(即中間壓力升高，噴射工質(zhì)質(zhì)量流量和低壓級壓縮機(jī)工質(zhì)質(zhì)量流量均具有相對減小的趨勢)。此外，隨著噴射回路膨脹閥開度的繼續(xù)增大，中間壓力緩慢變化，此時(shí)經(jīng)低壓級壓縮機(jī)的工質(zhì)循環(huán)量幾乎不變，且噴射回路工質(zhì)循環(huán)量僅取決于膨脹閥開度。故相對噴射量與噴射膨脹閥開度之間呈近似線性關(guān)系。從圖5還可看出，低壓級壓縮機(jī)的頻率fL越高，相對噴射量隨噴射回路膨脹閥開度的變化率越小(即在相同的噴射回路膨脹閥開度下，fL越高，相對噴射量越小)，這是因?yàn)殡S著fL的增加，低壓級壓縮機(jī)的工質(zhì)循環(huán)量將增大且中間壓力將升高，而噴射工質(zhì)質(zhì)量流量卻因中間壓力的升高而減少，最終導(dǎo)致相對噴射量減小。

圖5 相對噴射量隨噴射膨脹閥開度的變化

2.4中間噴射過程對系統(tǒng)制熱量和制熱COP的影響

圖6給出在蒸發(fā)溫度Te為-20℃，冷凝溫度Tc為40℃，高壓級壓縮機(jī)頻率fH為50Hz，低壓壓縮機(jī)頻率fL分別為30、40、50、60Hz時(shí)，系統(tǒng)制熱量Q和制熱COP隨噴射回路膨脹閥開度的變化。由圖6a可知，在不同的fL下，隨著噴射回路膨脹閥開度的增加，系統(tǒng)制熱量均先上升，然后有輕微下降的趨勢，且近似呈線性關(guān)系：

a.制熱量 b.制熱COP

Qmax(fL)=0.0694×fL+0.0445

(4)

通過調(diào)節(jié)fL可有效改變雙級壓縮系統(tǒng)的制熱量。相對于fL，中間噴射過程對系統(tǒng)制熱量的影響并不是很顯著。并且隨著fL增大，中間噴射過程對系統(tǒng)制熱量的影響逐漸減弱，系統(tǒng)制熱量隨噴射回路膨脹閥開度變化率逐漸減小。

如圖6b所示，系統(tǒng)制熱COP隨噴射回路膨脹閥開度的增加，具有先增大后減小的變化趨勢。同時(shí)，隨著fL的增大，噴射過程對系統(tǒng)制熱COP的提升作用逐漸減弱，且在上升區(qū)域內(nèi)COP隨噴射回路膨脹閥開度變化率逐漸減小。此外，噴射

過程的系統(tǒng)最大制熱COP，隨著fL的增大將先增大后減小。該變化是由于在此蒸發(fā)和冷凝運(yùn)行工況下，fL由30Hz上升為50Hz，系統(tǒng)中間壓力逐漸上升，低高壓級兩臺(tái)壓縮機(jī)的運(yùn)行壓比逐漸趨于相等，進(jìn)而系統(tǒng)制熱COP逐漸上升；但當(dāng)fL為60Hz，中間壓力繼續(xù)升高，造成低高壓級壓縮機(jī)運(yùn)行工況惡化，導(dǎo)致系統(tǒng)制熱COP下降。

圖7給出在低高壓級壓縮機(jī)頻率均為50 Hz、冷凝溫度40℃、在不同蒸發(fā)溫度Te下，制熱量和制熱COP隨著噴射回路膨脹閥開度的變化。與圖6的變化趨勢類似，制熱量和制熱COP均隨著噴射回路膨脹閥開度的增加，具有先增大而后輕微降低的變化趨勢。同時(shí)，在制熱量和制熱COP隨中間噴射過程增大區(qū)域內(nèi)，Te越高，中間噴射過程的提升作用越小，且制熱量和制熱COP隨噴射回路膨脹閥開度的變化率越小。

a.制熱量 b.制熱COP

圖8給出在低高壓級壓縮機(jī)頻率均為50 Hz、蒸發(fā)溫度-20℃、在不同冷凝溫度Tc下，制熱量和制熱COP隨著噴射回路膨脹閥開度的變化。由圖8可知，隨著Tc的升高，具有噴射過程的系統(tǒng)最大制熱量和最大制熱COP均具有降低的變化趨勢。此外，Tc變化時(shí)，噴射過程產(chǎn)生的制熱量最大增量值幾乎不變，但隨著Tc的升高，噴射過程對制熱COP的提升作用將逐漸減弱。

3 結(jié)論

3.1中間壓力隨噴射回路膨脹閥開度的增大，具有先顯著增大后緩慢上升的變化趨勢；并且中間壓力在顯著變化區(qū)內(nèi)，隨噴射回路膨脹閥開度變化率約為在緩慢變化區(qū)內(nèi)變化率的6倍；同時(shí)，隨著fL的增大，在中間壓力顯著變化區(qū)內(nèi)，中間壓力隨中間噴射回路膨脹閥的開度的變化率逐漸減弱。

a.制熱量 b.制熱COP

3.2噴射回路膨脹閥開度逐漸加大，低壓級壓縮機(jī)排氣溫度具有先迅速上升后保持不變的變化趨勢；而高壓級壓縮機(jī)排氣溫度具有先緩慢下降后快速降低的變化趨勢，極限時(shí)高壓機(jī)排氣溫度低于低壓機(jī)排氣溫度；在測試中，蒸發(fā)和冷凝溫度分別為-20℃和40℃時(shí)，最高排氣溫度低于80℃。

3.3系統(tǒng)制熱量和制熱COP隨噴射回路膨脹閥開度的增加，均具有先上升后輕微下降的變化趨勢。并且在制熱量和制熱COP上升區(qū)域內(nèi)，隨著fL增大，中間噴射過程對系統(tǒng)制熱量和制熱COP提升效果逐漸減弱，系統(tǒng)制熱量和制熱COP隨噴射回路膨脹閥開度的變化率逐漸減小。

3.4隨著Te的升高，中間噴射過程對制熱量和制熱COP的提升效果逐漸減弱，且制熱量和制熱COP隨噴射回路膨脹閥開度的變化率變?。浑S著Tc的升高，噴射過程產(chǎn)生的制熱量最大增量值幾乎不變，但噴射過程對制熱COP的提升作用逐漸減弱。

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