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1、建筑环境与设备工程专业 建筑环境与设备工程最新研究动向论文 闫凯锋1低环温空气源热泵系统的试验研究闫凯锋（环境科学与工程学院，08 级建筑环境与设备工程专业乙班 ，学号3008214111）摘要：介绍了研制出的带闪蒸器的涡旋压缩机低环温空气源热泵机组的样机，并对样机进行了试验研究及性能分析试验结果表明：在一 120C 的低温环境中，该系统仍可以提供足够的热量，能够满足低温环境的采暖要求并分析了热泵系统的制热性能随着电子膨胀阀开度的变化规律。关键词：热泵；涡旋压缩机；闪蒸器0 前言空气源热泵可从环境大气中吸取丰富的低品位能量，使用便利，因此空气源热泵成为热泵诸多型式中应用最为广泛的一种但足传统的
2、空气源热泵应用于我国华北、西北等寒冷地区时制热能力衰减，无法在冬季正常运行。针对这一问题，国内外相关学者与厂家进行了许多技术研发和改进。日本有则报道，采用煤油燃烧器在低环境温度时辅助加热室外换热器，来提高热泵的低温性能【2】 。美国的开利公司研制出两种类型的使用非共沸工质的带精馏塔的空气源热泵系统(文献【3】 ， 【4】)，在低温环境温度下制热运行时可以通过精馏塔除去混合物中大部分低压力组分，把制冷剂改成更具有挥发性的混合物。哈尔滨建筑科技大学马最良教授提出采用空气源热泵与水一水热泵或水一空气热泵组成耦合的双级热泵供暖系统来解决在寒冷地区低温制热时热泵性能恶化问题【5】 总的说来，这些技术虽然
3、解决了空气源热泵系统在低温工况下的运行可靠性问题，但是它们要么使热泵系统变得复杂，成本增加；要么就是能量利用效率低，未从根本上解决问题。分析涡旋压缩机的工作特性，发现这种压缩机类似螺杆压缩机连续压缩的方式，这就有可能像在螺杆压缩机上一样，在涡旋压缩机也配用经济器系统，以有利 r 热泵系统在低温情况下运行并且具有较高的制热能力和供暖温度【69】引。本文主要对带闪蒸器的涡旋压缩机热泵系统的性能进行全面的试验研究和分析，通过试验结果得到闪蒸器机组适宜的运行方式和设计参数。试验结果表明：闪蒸器系统在低环温工况下可以有效地提高空气源热泵的低温制热性能，是寒冷地区用小型空气源热泵比较适宜采用的系统1 涡旋
4、压缩机闪蒸器系统带闪蒸器的空气源热泵系统可分为闪蒸器前节流系统和闪蒸器后节流系统。当中间补气压力的大小是靠调节闪蒸器前节流膨胀阀的开度来实现时为闪蒸器前节流系统，靠调节闪蒸器后节流膨胀阀(即补气回路上)的开度来实现时为闪蒸器后节流系统。11 闪蒸器前节流系统闪发器前节流的空气源热泵系统如图 1 所示，该系统采用带辅助进气口的涡旋压缩机建筑环境与设备工程专业 建筑环境与设备工程最新研究动向论文 闫凯锋2涡旋压缩机排出的高温、高压制冷剂气体(4 点)，经冷凝器将热鼍传递给载热介质后变为液体(5 点)，升温后的载热介质可用于采暖或其它用途。从冷凝器出来的高压制冷剂液体经节流装置 A 节流到某一压力变
5、为汽液混合物(6 点)后进入闪蒸器，在闪蒸器中，处于上部的闪蒸气体通过辅助进气口(9 点)被压缩机吸入，此回路称为辅路；蒸气的不断闪蒸致使闪蒸器下部的液体过冷，过冷后的液体(7 点)再经节流装置 B 节流到蒸发压力(8 点)后进入蒸发器，此回路称为主路。在蒸发器内，主路的制冷剂吸收低温环境中的热量而变为低压气体通过吸气口(1 点)被压缩机吸入，压缩到一定压力后(2 点)和辅路吸入的制冷剂(9点)在压缩机工作腔内混合(3 点)，再进一步压缩后排出压缩机外(4 点)，从而构成了封闭的工作循环。12 闪蒸器后节流系统闪蒸器后节流的空气源热泵系统如图 2 所示，与闪蒸器前节流系统所不同的是：从冷凝器出
6、来的高压制冷剂液体直接进入到闪蒸器，在闪蒸器中，处于上部闪发蒸气(6 点)经节流装置 A 节流到中间压力(9 点)后通过辅助进气口被压缩机吸入，此路成为辅助回路；闪蒸器下部过冷的液体(7 点)再经节流装置 B节流到蒸发压力(8 点)后进入蒸发器，此路成为主路。建筑环境与设备工程专业 建筑环境与设备工程最新研究动向论文 闫凯锋3从上面两个系统的循环图可以看出，闪蒸器前节流的热泵系统是两级节流的经济器系统，它更接近于两级压缩循环，其系统构成较简单，并且进入压缩机辅助进气口的气体更接近于饱和蒸气；而闪蒸器后节流的热泵系统，是一级两次节流的经济器系统，但是由于高压制冷剂饱和蒸气经辅助回路上的节流阀节流
7、后补入压缩机，造成压缩机辅助进气口的气体可能会存在更大的过热度【10】 因此，从理论上来看，与闪蒸器后节流系统相比，闪蒸器前节流系统在低温工况下可以更有效地改善压缩过程，有利于提高低环温空气源热泵的低温制热性能和可靠性。本试验只对闪蒸器前节流系统进行了试验研究。2 试验台装置原理试验采用 R22 制冷剂，所采用的压缩机是某厂家所生产的型号为VRl61KFTFD 的带有辅助进气口的 5HP 涡旋压缩机。图 3 所示为低环温空气源热泵系统试验样机的原理图。采用室外换热风机作为蒸发器的冷却源，通过调节室外风机的进出口温度和风速来稳定环境温度。利用焓差试验台对低环温空气源热泵机组进行性能试验，本试验用
8、低环温空气源热泵机组样机可以进行制热及制冷性能的测试，但本试验的目的是测试样机在低温工况下的制热性能，仅对样机进行了制热性能的测试。试验方法及数据处理均依据容积式冷水机组性能试验方法GBl0870-89及制冷装置试验GB794187 的有关规定，所有测试仪表均符合 GBl087089 及 GB794187 的规定与普通热泵机组相比，试验用样机的工作系统有以下特点：(1)在冷凝器至压缩机之间并联一个补气回路(主要包括一个闪蒸器和一个电子膨胀阀)，该系统有三个工作压力，除高压、低压外，还有补气回路电子膨胀阀后的中间压力。(2)压缩机带有一个辅助进气口，主、辅回路内的工质在闪蒸器内产生热交换。(3)
9、样机在制热情况下均采用补气，在制冷情况下则按照普通热泵系统工作建筑环境与设备工程专业 建筑环境与设备工程最新研究动向论文 闫凯锋43 试验结果及分析31 样机性能随环境温度的变化试验测试了冷凝温度为 45。C 时样机的制热性能随环境温度的变化情况，测试结果整理成图 4 所示的曲线，图中分别表示了样机在冷凝温度为 45。C，环境温度为-120C、-70C、oC、oC 及 70C 的工况下，系统性能随环境温度变化的曲线。建筑环境与设备工程专业 建筑环境与设备工程最新研究动向论文 闫凯锋5图 4(a)是系统制热量随环境温度的变化从图中可以看出，随着环境温度的降低，系统制热量也大幅度的下降但是样机在环
10、境温度为-120C、冷凝温度为45。C 的低温工况下仍有 723kW 的制热量，这一制热量基本可以保障寒冷地区冬季采暖的要求，而且是普通热泵系统所达不到的。图 4(b)是功率随环境温度的变化从图中可以看出，随着环境温度的降低，功率也有所下降这是因为：压缩机消耗的功率受压缩机所承受的压力比和输气量两个因素的影响，当冷凝温度不变、环境温度降低时，压缩机的输气量明显减少、压力比增大。图 4(c)是制热 COP 随环境温度的变化。从图中可以看出，随着环境温度的降低，系统的制热 COP 也大幅度地下降，但在-120C 时系统制热性能系数仍可以达到21 左右。图 4(d)是排气温度随环境温度的变化。从图中
11、可以看出，排气温度随着环境温度的降低而升高。但各工况下的排气温度都很稳定，且没有超过排气温度为1300C 的要求32 样机性能随电子膨胀阀开度的变化为了分析低环温空气源热泵系统的制热性能随着电子膨胀阀开度的变化规律，测试了低温工况下系统的热力性能随着电子膨胀阀开度的变化的规律。如图 5 所示为一 70C 的低温工况下，系统制热性能随电子膨胀阀开度的变化情况。从图 5 中可以看出，随着电子膨胀阀开度的增加，系统的制热量及制热 COP 都随之相应增加，这主要是因为随着补气量的增加，使得流过系统冷凝器的制冷剂流量进一步增加，同时系统的压缩不足的现象得到进一步的缓解，因而系统的能效相应也就改进得越多。
12、这是因为，电子膨胀阀的开度越大系统的补气量就越大，补气量的增加可以提高系统的制热性能。建筑环境与设备工程专业 建筑环境与设备工程最新研究动向论文 闫凯锋64 结论通过以上对低环温空气源热泵系统的试验分析，可以得出以下结论：(1)通过对闪蒸器前节流系统和闪蒸器后节流系统的理论研究与对比，表明闪蒸器前节流系统在低温工况下可以更有效地改善压缩过程，有利于提高低环温空气源热泵的低温制热性能和可靠性。(2)带闪蒸器的低环温空气源热泵系统在-12。C 的低环境温度时，系统性能系数可以达到 21。参考文献【1】王芳，范晓伟我国空气源热泵的技术进展能源工程，2002，(4)：1-5Wang Fang，Fan
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