《提高低温空气源热泵性能的研究》由会员分享，可在线阅读，更多相关《提高低温空气源热泵性能的研究（6页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、研究论文 提高低温空气源热泵性能的研究 甄 刘宗华 王起霄 李晓燕 王 莹 季阿敏 (哈尔滨商业大学 哈尔滨 150028) 摘 要 分析了热泵在低温环境工作时存在的问题。在热泵系统四通换向阀后的排气管上加旁通毛细管和在气液 分离器中加过冷管。通过分析确定过冷管最小换热面积和旁通毛细管最佳长度范围。经实验证明在低温工况下时 制热量提高显著。 关键词 热工学;空气源热泵;过冷回热;旁通毛细管;制热量;能效比 Research on Improving the Performance of Air - source Heat Pump Zhen Bing , Liu Zonghua , Wang
2、Qixiao , Li Xiaoyan , Wang Y ing and Ji Amin Harbin University of Commerce ,150028 ,China Abstract The problems for heat pumps operating at low ambient temperatures were analyzed. A by - pass capillary tube was added on the discharge pipe behind the four - way valve and a tube was added in an accumu
3、lator in a heat pump system to solve the problem. The minimum heat transfer area of the tube for subcooling and the optimal length range of the by - pass capillary tube were determined. The experiment results show that heat output of the improved heat pump increased greatly at low ambient temperatur
4、es. Keywords Pyrology; Air - source heat pump ; Subcooled heat recovery; By - pass capillary tube ; Heat output ;Energy efficiency ratio 空气源热泵在低温工况下运转时,常出现以下 问题:排气压力不高,系统中热量无法释放到室内环 境,或释放热量较少且品质低;吸气压力低,制冷剂 循环量少,释放热量少,冬季运行常达不到设计要求 甚至压缩机无法启机 1 - 4 ;热泵低温高湿环境运行 结霜快,正常工作时间短,除霜会向室内空调房间吹 冷风,舒适性变差。这里提出了在热泵系
5、统中加过 冷回热和毛细管旁通的方法,提高系统吸气压力和 排气压力,增加制冷剂循环量,提高热泵系统低温工 况运行性能。 1 实验方案 系统包括5HP定频压缩机、 室内换热器、 四通 换向阀、 气液分离器各一个,节流装置两个,不设油 分和贮液器,四通换向阀后排气管分流成主循环回 路和分流循环回路。两回路中制冷剂交汇于气液分 离器的进汽管上。环境温度较低时分流循环回路中 制冷剂直接从高压排气节流到低压,与主路中制冷 剂混合换热进入气液分离器,使蒸发器与冷凝器热 量平衡,保证系统低温工况运行有充足制冷剂循环 量。主循环回路设两个截止阀控制离开室内换热器 图1实验系统原理 图2 实验压焓图(虚线-改进前
6、;实线-改进后) 的制冷剂与气液分离器中制冷剂进行热交换,使系 统低温工况运行主路制冷剂在气液分离器中过冷, 21 收稿日期:2006年01月22日 第28卷 第1期 2007年2月 制 冷 学 报 Journal of Refrigeration Vol.28 ,No.1 February.2007 提高制冷剂在室外换热器中的吸热能力,同时气液 分离器中的制冷剂液体吸热汽化,避免压缩机吸入 含液体的制冷剂。改进后的系统与原系统相比,比 原系统多了一个分路系统和在气液分离器中的过冷 过程。在调试时可有八种工作方案,由于改进后对 制冷状态影响不大,只对其中的四种方案进行测试 对比实验。由于系统采
7、用的是定频压缩机,因此各 节流装置均采用毛细管节流,而主分路制冷剂流量 比例的分配是通过调节毛细管长度来进行调节。 2 理论分析 2. 1 过冷管最小换热面积的求取 当系统能力过大或蒸发器后期结霜时,蒸发器 的能力大大的下降,蒸发器能力有限,蒸发器无法将 制冷剂全部蒸发,导致系统制冷剂循环量减少,制热 能力变差甚至无法启机。为了解决这一问题,试验 提出两处改进。系统采用毛细管旁通提高蒸发压 力,减缓结霜,使系统有较长正常工作时间,扩大除 霜周期。系统增加过冷后,降低了节流毛细管前进 口温度,增加制冷剂蒸发器中吸热能力。在蒸发器 管道中,制冷剂沿蒸发器管道流动吸取热量蒸发成 气体,导致蒸发器后管
8、段中制冷剂液体含量减少,甚 至无液态制冷剂。如果管道中制冷剂比容增大,大 大降低蒸发器吸热能力,降低系统能效比。为了提 高蒸发器管道中含液量及制热效率,在系统中必须 加一个过冷。气液分离器中的蒸发器回汽及所含的 制冷剂液体与过冷段中冷凝压力下的制冷剂进行热 交换,并从中吸取热量,使回汽中含有的制冷剂液体 蒸发,从而提高压缩机的吸汽压力,减小吸气比容、 增大系统制冷剂循环量。但压缩机的吸气温度不能 过高,过热度太大也会使得吸气比容增大,系统制冷 剂流量减小,压缩功增加,这对系统是很不利的。所 以要控制好气液分离器中过冷段换热面积的大小。 假设系统中总的制冷剂循环量G,毛细管旁通 流量G1,制冷剂
9、在进入节流装置前为液体,进入气 液分离器前的温度T1,过冷后温度T2,环境温度 T0,蒸发器能力Q(设计换热温差为10 时 ) , 过冷 管换热系数K,过冷管换热面积F,过冷换热温差 T1,制冷剂在吸气压力下的汽化替热为r,制冷剂 液体在冷凝压力下的比热为Cp,实验验证式: F= (G-G1)(T1-T2)Cp-G1(h2- h1 ) (T1K)(1) 2. 2 分路毛细管长度的估算 由于制冷剂在蒸发器中的流动过程是多集态过 程,其比摩阻是变化的,无法用一个确定方程加以概 括。 假设在计算中忽略各管段影响,只考虑毛细管自 身的阻力,其它因素按经验值给予修正。 假定主路毛 细管的管径d,长度l,
10、流量比n0;分路毛细管管径 d1,长度l1。 主路毛细管2830 -3. 00. 5 ,则 l1 = ( ln 2 0d 5 1) (4 d 5) (2) 已知数据代入(2)式,则l1= 1307 mm ,修正后 选取毛细管长度1200mm ,直径为1. 2。 图3 气液分离器剖面 31 第28卷 第1期 2007年2月 提高低温空气源热泵性能的研究 Vol.28 ,No.1 February.2007 图4 实验装置连接 表1 系统运行状态 序号 阀门1阀门2阀门3阀门4四通阀 分路过冷 1关关开关制热无无 2关关关开制热无有 3开开开关制热有无 4开开关开制热有有 3 实验及实验结果分析
11、3. 1 实验 设备:一台改进后5HP定频室外机;一台高静 压管道机(KFR - 120EHYZ) ;一个流量表(KROHNE MFCO81) ;多联体中央空调综合性能试验室的焓差 实验室两个,一个模拟室内侧 (A 室 ) , 一个模拟室外 侧 (D 室) ;1000 1. 2 ,700 1. 3 ,1000 1. 3 , 2000 1. 3 ,2500 1. 3的毛细管各一根;若干不 同管径连接管道。实验工况:室内侧干球温度 20,湿球温度15;室外侧干球温度- 6,湿球 温度- 7。改进前:压缩机吸气温度- 16. 8,排 气温度58;改进后:压缩机吸气温度- 15. 6,排 气温度74.
12、 2。由于改进的主要目的是针对制热提 出的,对制冷无影响,所以在实验时不对制冷运转进 行测试。改进主要有两处,一处是在气液分离器中 加过冷管,气液分离器的剖面图见图3 ,其在原理图 中连接部位见图1 ;另一处是在整个循环回路中增 加分路,其在原理图中连接部位见图1。要验证这 两处改进后是否有效果需要对四种工作状态进行测 试 :1) 对原系统进行测试,即无过冷无分路的运行状 态 ;2) 有过冷无分路的状态 ;3) 无过冷、 加分路的状 态 ;4) 既有过冷也有分路的状态。这四种工作状态 的实现是通过调节截止阀1、2、3、4的工作状态来实 现的,如表1所示。测试时长两个除霜周期,选取一 个理想周期
13、作对比。更换工作状态和毛细管均在除 霜刚结束时进行。 3. 2 实验结果分析 在系统进入正常运行后,必须保证系统蒸发器 处于过液循环状态。在加液时应该充分的考虑这一 点,使气液分离器中始终存有一部分制冷剂液体。 制冷剂分流循环回路中制冷剂的流量与制冷剂主循 环回路中的制冷剂的最佳流量比与室外温度、 室外 环境的相对湿度及热泵系统所使用的制冷剂的种类 有关。实验采用的制冷剂是R22。因此在实验时不 用考虑制冷剂种类的影响。在实验时一定要考虑工 况变化对测得结果影响。 3. 2. 1 制热量与能效比 图5 制热量曲线(毛细管1000 1.2) 图6 制热量曲线(毛细管1000 1.3) 图7 制热
14、量曲线(毛细管2000 1.3) 图8 制热量曲线(毛细管700 1.3) 热泵在低温工况下不能良好工作原因有系统制 冷剂循环量少,制热量低等。从图4 - 8可以看出: 41 第28卷 第1期 2007年2月 制 冷 学 报 Journal of Refrigeration Vol.28 ,No.1 February.2007 1) 系统加过冷后,空气侧能力有所提高,能效比几乎 不变。从理论上分析其能效比是应该有所提高的, 但由于工程误差的存在,它的提高量比较小,是在工 程误差的范围内 ;2) 系统加分路后,从图4 - 8的对 比结果看,在五根毛细管中,2000 1. 3的效果最 好,能力有较
15、大幅度的提高。从曲线对比看:在运转 40分钟时,空气侧能力提高了400W ,最少提高量也 达到200W ,这是很明显的,并且能效比也没有下降 趋势。从图9可知,2000 1. 3毛细管的能效比曲 线,有过冷和分路时能效比曲线比一般(改进前)空 调系统的能效比曲线有提高。从总体上来说,改进 后三种工作状态的能效比曲线均在一般(改进前)系 统的能效比之上。但毛细管700 1. 3 ,1000 1.3 ,2500 1. 3的能力没什么提高,其中毛细管 700 1.3的能力有所下降,下降值达到80W,且能效 比也有较大幅度的下降。毛细管1000 1. 3的能效 比稍有下降,毛细管1000 1. 2 ,
16、2500 1. 3的能效 比基本不变。从实验结果分析,旁通毛细管在1000 1.3 ,2500 1.3之间存在最佳毛细管长度 ;3) 系统 同时使用过冷和分路旁通。能力是否有提高与分路 旁通的毛细管长度有关,趋势与加分路旁通相似,从 理论分析最佳毛细管长度应比只加分路时稍长一些, 五根毛细管的测试结果还是2000 1. 3效果最佳, 其空气侧能力提高较大,提高值最大约400W,能效比 几乎不变。综上所述,加过冷和加分路对提高空气侧 能力是有效的,且存在最佳旁通毛细管长度。 图9 制热量曲线(毛细管2500 1.3) 图10 能效比曲线(毛细管2000 1.3) 3. 2. 2 主路制冷剂流量 在实验时,由于流量表接在室内机(冷凝器)出 口与室外机截止阀之间,制冷剂流过流量表时,可能 是气液混合物。同时又由于使用的压缩机是涡旋
