準(zhǔn)三級壓縮空氣源熱泵技術(shù)

張巖松

摘 要：提出了一種準(zhǔn)三級空氣源系統(tǒng)，基于普通雙級壓縮制冷系統(tǒng)，增加了由閃蒸器構(gòu)成的補(bǔ)氣系統(tǒng)在其低壓壓縮部分，研究準(zhǔn)三級空氣源熱泵，對準(zhǔn)三級空氣源熱泵的性能以及應(yīng)用范圍進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：空氣源 準(zhǔn)三級 熱泵 技術(shù)

中圖分類號：TU831 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）11（a）-0072-02

作為一種節(jié)能技術(shù)，熱泵空調(diào)機(jī)組備受全世界的關(guān)注，而能從大氣中吸收大量的低品位能量的空氣源熱泵，因其使用起來很方便，故而成為了諸多熱泵型式中被廣泛運(yùn)用的[1]。同時(shí)空氣源熱泵無需輔助熱源，具有高效節(jié)能、對使用地不產(chǎn)生污染、能實(shí)現(xiàn)一機(jī)兩用等特點(diǎn)。

然而，長期以來的理論和實(shí)踐均表明：傳統(tǒng)的空氣源熱泵的使用區(qū)域只能局限在長江中下游、西南、華南地區(qū)，如果在華北、西北以及黃河流域等地區(qū)使用傳統(tǒng)的空氣源熱泵系統(tǒng)，則很難在這一地區(qū)長期安全、可靠、經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行[2]，主要表現(xiàn)在：（1）隨著室外溫度的下降空氣源熱泵的制熱量下降速度也很快，但是室外氣溫下降的同時(shí)建筑物需熱量卻上升很快，在較低的環(huán)境溫度下，空氣源熱泵系統(tǒng)的制熱量將非常小，以至于不依靠輔助熱源將無法滿足用戶的采暖需求；（2）隨著外溫的進(jìn)一步降低，壓縮機(jī)在壓縮時(shí)使正常的工作過程產(chǎn)生嚴(yán)重的偏離現(xiàn)象，從而迅速降低了系統(tǒng)的能效、加速升高了排氣溫度，如果長期運(yùn)行將會嚴(yán)重危害壓縮機(jī)的安全[3]；（3）隨著外溫的下降，因空氣的濕度會導(dǎo)致蒸發(fā)器表面凝露或結(jié)霜，使空氣流經(jīng)蒸發(fā)器時(shí)阻力增大，流量減小，結(jié)霜更會導(dǎo)致傳熱面積的減少和蒸發(fā)溫度的下降，從而影響到換熱效果，嚴(yán)重時(shí)會使熱泵無法工作[4]；（4）機(jī)組壓縮機(jī)啟動(dòng)困難。空調(diào)、熱泵用壓縮機(jī)的壓縮比一般在3.5～4.0的范圍，在溫度比較高的制熱模式以及制冷模式下適合使用該類型的壓縮機(jī)，在-15 ℃的溫度下，熱泵將45 ℃的熱水提供給室內(nèi)，在此情況下，熱泵蒸發(fā)溫度和冷凝溫度差在70 ℃左右，使用R22的系統(tǒng)，壓縮機(jī)會承受大于10的工作壓比，這就使得壓縮機(jī)壓縮過程與等熵過程產(chǎn)生嚴(yán)重偏離。因此，傳統(tǒng)的空氣源熱泵不做任何改進(jìn)就推廣到寒冷地區(qū)是不可行的。

1 準(zhǔn)三級壓縮空氣源熱泵技術(shù)

圖1是樣機(jī)原理的系統(tǒng)圖。

其原理具體表現(xiàn)為：一方面，低壓級壓縮機(jī)將低溫低壓的氣態(tài)制冷劑壓縮成較高溫度的中壓氣態(tài)制冷劑，通過高壓機(jī)四通閥進(jìn)入高壓級壓縮機(jī)吸氣管內(nèi)；另一方面，高溫高壓制冷劑從高壓貯液器進(jìn)入中間冷卻器，并分成兩路。其中經(jīng)電磁閥進(jìn)入中間節(jié)流熱力膨脹閥的有一小部分，此時(shí)進(jìn)到中間冷卻氣的中溫中壓制冷劑管道的是變成中溫中壓的氣液混合制冷劑，流經(jīng)過程中，吸收了中間冷卻器高溫高壓制冷劑管道內(nèi)液態(tài)制冷劑的熱量被蒸發(fā)，同時(shí)高溫高壓高溫高壓液態(tài)制冷劑被充分冷卻，由四通閥流出的溫度較高的中壓制冷劑蒸汽混合蒸發(fā)的中溫中壓制冷劑后，氣態(tài)的制冷劑經(jīng)過高壓級壓縮機(jī)變成高溫高壓氣態(tài)制冷劑，再通過高壓級四通閥流入室內(nèi)側(cè)換熱器，同室內(nèi)的空氣接觸，進(jìn)行熱交換，制熱目的進(jìn)而達(dá)到。高溫高壓的制冷劑蒸汽在此時(shí)被冷凝、冷卻成高溫液體，經(jīng)過單向閥進(jìn)到高壓貯液器里面，從中流出的一小部分高壓液制冷劑通過電磁閥以及中間節(jié)流熱力膨脹閥流進(jìn)中間冷卻器的中溫中壓制冷劑管道，而中間冷卻器高溫高壓制冷劑管道流入了大部分的高壓液態(tài)制冷劑，制冷劑的蒸發(fā)潛熱在中溫中壓制冷劑通道內(nèi)被吸收從而造成大面積的過冷。隨后進(jìn)到閃蒸汽器內(nèi)，被蒸發(fā)成氣態(tài)的制冷劑后進(jìn)到低壓級壓縮機(jī)，為此補(bǔ)氣過程完成了。充分過冷后的高壓液態(tài)制冷劑從閃蒸器下端排出，經(jīng)制熱，利用第一電子膨脹閥節(jié)流降壓成中溫低壓的液態(tài)，混合電子膨脹閥流出的氣態(tài)制冷劑，再流向室外換熱器里面，充分吸熱蒸發(fā)成低溫低壓的氣態(tài)制冷劑，通過低壓級四通閥、氣液分離器返回低壓級壓縮機(jī)，實(shí)現(xiàn)制熱循環(huán)過程。該系統(tǒng)的熱泵裝置，除了有普通熱泵裝置在夏季和冬季的工況作用和性能外，還能在低溫環(huán)境下長時(shí)間的運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，且其制熱量足夠以及性能系數(shù)也較高，沒有其他的輔助熱源的時(shí)候也能為寒冷地區(qū)很好的供暖。

與普通的兩級壓縮空氣源熱泵系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)有以下特點(diǎn)。

（1）室外測換熱器至壓縮機(jī)之間并聯(lián)有補(bǔ)氣回路，因此這種系統(tǒng)稱為補(bǔ)氣系統(tǒng)。

（2）壓縮機(jī)帶有輔助進(jìn)氣口，主、輔路在過冷器中進(jìn)行熱交換。

（3）如輔路上的截止閥切斷，樣機(jī)則按照普通熱泵系統(tǒng)工作，即變?yōu)槠胀▋杉墘嚎s空氣源熱泵機(jī)組；如輔路上的截止閥打開，樣機(jī)則按照補(bǔ)氣系統(tǒng)工作，機(jī)組的低溫適應(yīng)性得以提高。如此一來，既不影響樣機(jī)在普通工況下工作的性能，又?jǐn)U大了機(jī)組的低溫工作范圍。

2 系統(tǒng)循環(huán)分析

準(zhǔn)三級空氣源熱泵機(jī)組系統(tǒng)工作循環(huán)如圖2所示。過程1′-2-2′-3為低壓壓縮機(jī)的補(bǔ)氣-壓縮過程：過程1′-2為補(bǔ)氣孔口與工作腔連通前的壓縮過程，補(bǔ)氣過程實(shí)質(zhì)上是狀態(tài)10和狀態(tài)2的工質(zhì)在工作腔內(nèi)的混合過程，補(bǔ)氣結(jié)束時(shí)的工質(zhì)狀態(tài)為2′，過程2′-3為補(bǔ)氣過后的壓縮過程；4-5為高壓壓縮過程，5-6為冷凝過程。

準(zhǔn)三級壓縮空氣源系統(tǒng)與普通的雙級壓縮制冷系統(tǒng)最大的區(qū)別在于，增加了補(bǔ)氣過程在其低壓部分，使其具有發(fā)雜的影響因素，而不可以單純地簡化為多方壓縮過程，其壓縮過程分為三個(gè)階段[5]：

（1）補(bǔ)氣前進(jìn)行壓縮。

壓縮腔將制冷劑蒸氣（狀態(tài)1）封好后，開始壓縮。跟隨旋轉(zhuǎn)的動(dòng)渦盤，封閉的壓縮腔達(dá)到補(bǔ)氣口位置，制冷劑蒸氣被壓縮到狀態(tài)2，結(jié)束一級壓縮，即

圖2中的的1-2過程，壓縮機(jī)做的功為：

[5]

（2）中間補(bǔ)氣的過程。

對中間補(bǔ)氣過程引入兩個(gè)基本假定：（1）有非常迅速的補(bǔ)氣過程，基本在瞬間實(shí)現(xiàn)的；（2）將此過程當(dāng)作絕熱的等容過程。利用變工質(zhì)的熱力學(xué)第一定律，列出以下方程：

相對補(bǔ)氣量：

[5]

式中：-通過補(bǔ)氣回路的制冷劑流量，kg/s；-室內(nèi)側(cè)換熱器器的制冷劑流量，kg/s；-室外側(cè)換熱器的制冷劑流量，kg/s；-點(diǎn)2的制冷劑比體積，m3/kg；R-制冷劑的氣體常數(shù)，Kj/（kg·k）；k-制冷劑的等熵指數(shù)；-點(diǎn)10的制冷劑溫度，K；、點(diǎn)2、10的制冷劑壓力，kPa。

依據(jù)質(zhì)量守恒及能量守恒定律可推出出補(bǔ)氣過程壓縮功為[5]：

（3）補(bǔ)氣后進(jìn)行壓縮

與補(bǔ)氣口脫離后，依靠基元容積的減小壓縮機(jī)工作腔內(nèi)的制冷劑蒸汽繼續(xù)被壓縮，直到連通排氣腔（狀態(tài)3），再經(jīng)過排氣口流入四通換向閥進(jìn)入高壓壓縮機(jī)。此時(shí)所做的功為：

[5]

低壓壓縮壓縮功

[5]

高壓壓縮壓縮功

在冷凝溫度45 ℃，吸氣過熱10 ℃，蒸發(fā)溫度-15 ℃，冷凝器出口的液體過冷5 ℃的工況時(shí)計(jì)算[6-7]出準(zhǔn)三級空氣源熱泵熱泵機(jī)組主要性能并與普通的兩級空氣源熱泵進(jìn)行比較列于表1中。

3 結(jié)論

準(zhǔn)三級壓縮空氣源熱泵技術(shù)與兩級壓縮空氣源熱泵相比制冷量提高了11%，COP提高了10%，能都在沒有輔助熱源的情況下滿足冬季制熱要求，具有顯著的節(jié)能效果，在低溫工況下運(yùn)行具有較高的使用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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