一種新流程空氣源熱泵的低溫性能實(shí)驗(yàn)研究

1、一種新流程空氣源熱泵的低溫性能實(shí)驗(yàn)研究    基于提高空氣源熱泵在低溫環(huán)境下的制熱能力,針對(duì)低溫環(huán)境下空氣源熱泵空調(diào)機(jī)組制熱能力降低的原因,分析了可能采取的措施,提出了一種新的空氣源熱泵流程,并對(duì)采用該空氣源熱泵的低溫制熱性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究。關(guān)鍵詞: 熱泵;毛細(xì)管;膨脹閥;制熱能力;改進(jìn)循環(huán)作者簡(jiǎn)介:羅剛(19772) , 工程師, 在讀碩士研究生, 研究方向:空調(diào)與制冷設(shè)備技術(shù),通訊地址:100044 北京市西城區(qū)展覽館路1 號(hào)北京建筑工程學(xué)院北京市HVAC 重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。唐文濤,王瑞祥(北京建筑工程學(xué)院,北京100044)    前言空氣源熱泵空調(diào)機(jī)組

2、具有夏季制冷、冬季制熱的雙重功能, 因而受到越來(lái)越多用戶的青睞。然而,其應(yīng)用也受到一定的限制。在某些地方冬季運(yùn)行時(shí),由于室外空氣溫度較低,蒸發(fā)器表面容易結(jié)霜,影響其正常供熱;隨著室外空氣溫度的降低,房間熱負(fù)荷增大,但空調(diào)機(jī)組供熱能力卻逐漸減少,滿足不了用戶的使用要求。因此,提高空氣源熱泵在低溫環(huán)境下的制熱能力, 已成為近年來(lái)非常重視的研究課題。本文提出了一種新的空氣源熱泵流程,并對(duì)采用該空氣源熱泵的低溫制熱性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。研究思路及改進(jìn)措施在系統(tǒng)中增設(shè)一個(gè)氣液分離器, 氣液分離器(儲(chǔ)液器) 是空氣源熱泵機(jī)組中的一個(gè)輔助部件,在以往的制冷系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究中并沒(méi)有受到充分重視。但對(duì)于空氣源熱泵除霜

3、過(guò)程特性,氣液分離器具有比較重要的影響, 因?yàn)樗环矫鎯?chǔ)存了系統(tǒng)中多余的制冷劑,另一方面,研究表明氣液分離器對(duì)除霜效率和整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性具有不可忽視的影響。Nutter 等的研究表明1 , 氣液分離器降低了系統(tǒng)除霜結(jié)束或啟動(dòng)過(guò)程中的響應(yīng)時(shí)間。在系統(tǒng)中增設(shè)一條分流循環(huán)回路, 經(jīng)分流制冷劑調(diào)壓后,分流循環(huán)回路中的制冷劑能夠調(diào)節(jié)壓縮機(jī)吸入的制冷劑的狀態(tài), 使得壓縮機(jī)能夠吸入密度較大的氣態(tài)制冷劑, 這樣空氣源熱泵系統(tǒng)即使在較低的環(huán)境溫度下運(yùn)行, 也能保證空氣源熱泵系統(tǒng)內(nèi)部的制冷劑的質(zhì)量流量, 從而使得空氣熱源熱泵系統(tǒng)能夠向室內(nèi)提供充足的熱量。在系統(tǒng)的主循環(huán)回路中設(shè)置轉(zhuǎn)換閥, 使離開(kāi)室內(nèi)換熱器的制冷劑

4、在進(jìn)入第一膨脹閥之前, 與氣液分離器中的制冷劑進(jìn)行熱量交換, 從而使制冷劑以氣態(tài)的形式被壓縮機(jī)吸入, 避免壓縮機(jī)吸入、壓縮夾含液體的制冷劑現(xiàn)象發(fā)生2 。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。圖1 新型空氣源熱泵系統(tǒng)流程示意常用的節(jié)流膨脹機(jī)構(gòu)有毛細(xì)管、膨脹閥等。前者多用于小型制冷裝置, 后者則適用于熱負(fù)荷變化很大的場(chǎng)合3 。本次實(shí)驗(yàn)屬于小型低溫空氣源熱泵實(shí)驗(yàn),制冷劑在整個(gè)系統(tǒng)中的膨脹量不大,故采用毛細(xì)管作為膨脹機(jī)構(gòu)。為了避免氣液分離器中的制冷劑通過(guò)主循環(huán)回路回流到室外換熱器, 在室外換熱器與氣液分離器之間的主循環(huán)回路上增設(shè)單向閥。單向閥的作用是:只能允許主循環(huán)回路內(nèi)的制冷劑從室外換熱器向氣液分離器之間的單向流

5、動(dòng)。這是因?yàn)闅庖悍蛛x器里進(jìn)行的是一個(gè)強(qiáng)烈的閃蒸過(guò)程, 壓縮機(jī)可能出現(xiàn)進(jìn)液現(xiàn)象甚至空轉(zhuǎn)現(xiàn)象, 因此需要設(shè)此單向閥。圖2 所示為低溫空氣熱源熱泵系統(tǒng)在制冷運(yùn)行時(shí)的流程示意圖。圖2 熱泵系統(tǒng)制冷流程示意系統(tǒng)制冷運(yùn)行時(shí), 制冷劑分流循環(huán)回路不工作,制冷劑主循環(huán)回路工作。其中,制冷劑主循環(huán)回路的流程為:壓縮機(jī)排出的高溫高壓制冷劑氣體首先通過(guò)四通換向閥然后進(jìn)入室外換熱器, 在室外換熱器中, 制冷劑通過(guò)室外換熱器向室外環(huán)境釋放熱量, 凝結(jié)成高壓液體后, 離開(kāi)室外換熱器,然后進(jìn)入第一毛細(xì)管進(jìn)行節(jié)流膨脹,然后依次通過(guò)打開(kāi)的第二三通換向閥和第一三通換向閥進(jìn)入室內(nèi)換熱器,在室內(nèi)換熱器中,制冷劑通過(guò)室內(nèi)換熱器向室內(nèi)提

6、供冷量, 蒸發(fā)成氣體后再依次流經(jīng)分流閥、四通換向閥、單向閥進(jìn)入氣液分離器,最后被壓縮機(jī)吸入。(a) 制冷劑分流循環(huán)回路不工作  (b) 制冷劑分流循環(huán)回路工作圖3 熱泵系統(tǒng)制熱流程示意圖3 所示為低溫空氣熱源熱泵系統(tǒng)在室外空氣環(huán)境溫度為- 5 下的制熱循環(huán)流程示意圖。二者區(qū)別為:圖3 (a) 為制冷劑分流循環(huán)回路不工作,圖3 (b) 為制冷劑分流循環(huán)回路工作。其中,制冷劑主循環(huán)回路的流程:壓縮機(jī)排出的高溫高壓制冷劑氣體首先通過(guò)四通換向閥,然后,流經(jīng)分流閥進(jìn)入室內(nèi)換熱器,在室內(nèi)換熱器中,制冷劑通過(guò)室內(nèi)換熱器向室內(nèi)提供熱量后,凝結(jié)成高壓液體后,離開(kāi)室內(nèi)換熱器,再依次流經(jīng)第一三通換向閥和第

7、二三通換向閥,進(jìn)入第一毛細(xì)管進(jìn)行膨脹,然后進(jìn)入室外換熱器,在室外換熱器中,制冷劑通過(guò)室外換熱器從室外環(huán)境中吸收熱量,蒸發(fā)成氣體后再依次流經(jīng)四通換向閥、單向閥進(jìn)入氣液分離器,最后被壓縮機(jī)吸入。制冷劑分流循環(huán)回路的流程:通過(guò)分流閥將壓縮機(jī)排出的高溫高壓制冷劑氣體進(jìn)行分流。分流的這部分高溫高壓制冷劑氣體,通過(guò)第二毛細(xì)管進(jìn)行適度膨脹減壓后進(jìn)入氣液分離器,與來(lái)自室外換熱器的主流制冷劑進(jìn)行混合調(diào)壓,制冷劑在氣液分離器中混合調(diào)壓后,被壓縮機(jī)吸入。(a) 制冷劑分流循環(huán)回路不工作(b) 制冷劑分流循環(huán)回路工作圖4 過(guò)冷熱泵系統(tǒng)制熱流程示意圖4 所示為低溫空氣熱源熱泵系統(tǒng)在室外空氣環(huán)境溫度為- 5 下(存在過(guò)冷

8、,蒸發(fā)器出來(lái)的制冷劑流經(jīng)氣液分離器) 的制熱循環(huán)流程示意圖。圖4 (a) 、(b) 的區(qū)別仍然在于制冷劑分流循環(huán)回路是否工作。其中,制冷劑主循環(huán)回路的流程:壓縮機(jī)排出的高溫高壓制冷劑氣體首先通過(guò)四通換向閥。然后流經(jīng)分流閥進(jìn)入室內(nèi)換熱器,在室內(nèi)換熱器中,制冷劑通過(guò)室內(nèi)換熱器向室內(nèi)提供熱量后,凝結(jié)成高壓液體后,離開(kāi)室內(nèi)換熱器,通過(guò)第一三通換向閥,將制冷劑導(dǎo)向氣液分離器,通過(guò)氣液分離器對(duì)氣液分離器中的制冷劑進(jìn)行適度加熱,然后流經(jīng)第二三通換向閥進(jìn)入第一毛細(xì)管,進(jìn)行膨脹后進(jìn)入室外換熱器,在室外換熱器中,制冷劑通過(guò)室外換熱器從室外環(huán)境中吸收熱量, 蒸發(fā)成氣體后再依次流經(jīng)四通換向閥、單向閥進(jìn)入氣液分離器,最

9、后被壓縮機(jī)吸入。制冷劑分流循環(huán)回路的流程是:壓縮機(jī)排出的高溫高壓制冷劑氣體首先通過(guò)四通換向閥,然后流經(jīng)分流閥,進(jìn)入第二毛細(xì)管進(jìn)行膨脹減壓后進(jìn)入氣液分離器, 在氣液分離器中,兩個(gè)循環(huán)回路中的制冷劑進(jìn)行混合調(diào)壓,最后離開(kāi)氣液分離器,被壓縮機(jī)吸入。主循環(huán)回路中的制冷劑經(jīng)第一三通換向閥,經(jīng)過(guò)氣液分離器至第二三通換向閥段與分流循環(huán)回路中的制冷劑在氣液分離器中, 只進(jìn)行熱量交換,不進(jìn)行混合。(a) 室內(nèi)外溫度隨時(shí)間的變化曲線  (b) 壓縮機(jī)吸排氣壓力隨時(shí)間的變化曲線  (c) 部件溫度隨時(shí)間的變化曲線(d) 功耗及產(chǎn)熱量隨時(shí)間的變化曲線(e) 熱泵COP 隨時(shí)間的變化曲線圖5 第二毛

10、細(xì)管在圖4 (a) 實(shí)驗(yàn)中的溫度、壓力、功率、性能曲線示意(a) 室內(nèi)外溫度隨時(shí)間的變化曲線(b) 壓縮機(jī)吸排氣壓力隨時(shí)間的變化曲線  (c) 部件溫度隨時(shí)間的變化曲線(d) 功耗及產(chǎn)熱量隨時(shí)間的變化曲線(e) 熱泵COP 隨時(shí)間的變化曲線圖6 第二毛細(xì)管在圖4 (b) 實(shí)驗(yàn)中的溫度、壓力、功率、性能曲線示意通過(guò)圖3、4 的橫向?qū)Ρ? 說(shuō)明加制冷劑分流循環(huán)回路對(duì)制冷系統(tǒng)的影響;通過(guò)圖3 (a) 和圖4(a) 、圖3 (b) 和圖4 (b) 的縱向?qū)Ρ?說(shuō)明了過(guò)冷對(duì)制冷系統(tǒng)的影響。  3 試驗(yàn)結(jié)果加制冷劑分流循環(huán)回路改變了制冷系統(tǒng)主路的制冷劑流量,而在充注量一定的情況下,制冷

11、劑流量的控制是通過(guò)毛細(xì)管內(nèi)徑和長(zhǎng)度的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)的。本次試驗(yàn)是在無(wú)錫小天鵝集團(tuán)空調(diào)所實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的,對(duì)不同的第二毛細(xì)管進(jìn)行了替換測(cè)試實(shí)驗(yàn)。圖5 所示為內(nèi)徑1. 3mm、長(zhǎng)度2. 0m 的第二毛細(xì)管在圖4 (a) 實(shí)驗(yàn)中的溫度、壓力、功率、性能曲線圖;圖6 所示為該毛細(xì)管在圖4 (b) 實(shí)驗(yàn)中的溫度、壓力、功率、性能曲線圖。圖5 ,6 中,A 室為室內(nèi)側(cè),D 室為室外側(cè),設(shè)定模擬室外環(huán)境溫度為- 5 。由于篇幅有限,本文未能把所有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)全部列出, 僅列出幾組數(shù)據(jù)以供參考。結(jié)論(1) 通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知,在室內(nèi)外環(huán)境溫度相同的情況下,加制冷劑分流循環(huán)回路后,壓縮機(jī)的排氣壓力、排氣溫度有顯著提高,制熱量

12、增加,功耗略有增加, COP 值提高2 %左右。(2) 在室內(nèi)外環(huán)境溫度相同的情況下,蒸發(fā)器出來(lái)的制冷劑流經(jīng)氣液分離器后, 再經(jīng)第二三通換向閥到室外換熱器,會(huì)使壓縮機(jī)的排氣壓力、排氣溫度相對(duì)提高,制熱量、功耗有所增加, COP 值略有提高。(3) 經(jīng)過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),不同的第二毛細(xì)管對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響是不一樣的, 第二毛細(xì)管也存在與系統(tǒng)制冷劑流量最佳匹配的問(wèn)題。當(dāng)該毛細(xì)管長(zhǎng)度與流量不匹配時(shí),加制冷劑分流循環(huán)回路,反而會(huì)使熱泵系統(tǒng)COP 值有所下降,即與前述結(jié)論正好相反。(4) 改進(jìn)的系統(tǒng)主要用于改善低溫環(huán)境條件下(比如- 5 以下) 熱泵的炙熱性能。主要改善指標(biāo)在于:1) 增加絕對(duì)制熱量;2) 延長(zhǎng)結(jié)霜時(shí)間,對(duì)能效比的評(píng)價(jià)需要考慮除霜條件。在除霜控制不變的情況下,能效比下降是必然的。作為分流回路中的節(jié)流機(jī)構(gòu)的那根毛細(xì)管的作用還在于調(diào)節(jié)壓縮機(jī)的吸氣壓力, 它的確定以及流