準(zhǔn)二級(jí)壓縮 - 噴射熱泵的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究 - 圖文-

1、第38卷第1期2010年1月化 學(xué) 工 程C H E M IC A L ENG I N EER I NG (CH I NA V o.l 38N o .1Jan .2010基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50776001作者簡介:許樹學(xué)(1981 ,男,博士研究生,主要從事制冷熱泵技術(shù)的研究,E m ai:l xs xe m ai.l b j ut .edu .cn ;馬國遠(yuǎn)(1963 ,男,教授,博士生導(dǎo)師,通訊聯(lián)系人,主要從事制冷熱泵技術(shù)、建筑物余熱回收研究,電話:(01067391613。準(zhǔn)二級(jí)壓縮 噴射熱泵的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究許樹學(xué),馬國遠(yuǎn),彭 瓏(北京工業(yè)大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院,北京

2、100124摘要:為回收利用普通準(zhǔn)二級(jí)壓縮熱泵系統(tǒng)中補(bǔ)氣回路的有用能,提出了準(zhǔn)二級(jí)壓縮 噴射熱泵系統(tǒng)。文中對(duì)其設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了介紹,搭建了蒸發(fā)溫度-20 樣機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)。測(cè)試結(jié)果表明,在保證制熱量的情況下,能效比較普通補(bǔ)氣系統(tǒng)增加3% 5%,設(shè)計(jì)方法能為其他工質(zhì)、其他容量的渦旋壓縮機(jī)準(zhǔn)二級(jí)壓縮 噴射復(fù)合熱泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供參考。關(guān)鍵詞:熱泵;噴射器;系統(tǒng)設(shè)計(jì)中圖分類號(hào):TB 6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1005 9954(201001 0099 04Experim ental research and design of quasi two st age heatpu mp syste m coup

3、led wit h ejectorXU Shu xue ,MA Guo yuan ,PENG Long(Co llege of Env ironm ental and Energy Eng i n eer i n g ,Be iji n g Un i v ersity of Techno l o gy ,B eiji n g 100124,Chi n aAbst ract :I n or der to recover the ava ilab le energy i n the supp le m entary circuit of the quasi t w o stage co m pre

4、ssion heat pu m p syste m,a quasi t w o stage co m pression heat pu m p syste m coupled w ith ejector w as brought for w ard ,andt h e desi g n m ethod o fw hich w as presented and experi m enta l setup was established w ith t h e evaporation te m perature of -20 .The resu lts de m onstrate that the

5、 heati n g energy effic iency ratio (EER o f the heat pum p syste m w ith e j e ctor can be 3% 5%h i g her than thatw ithout ejector wh il e the heati n g capacity keeps nearl y constan.t The design m ethod is he l p fu l to desi g n quasi t w o stage heat pum p coupled w ith ejector for different w

6、ork i n g fl u i d s or other capacity co mpresso rs .K ey w ords :heat pum p ;e jector ;syste m desi g n 為解決空氣源熱泵系統(tǒng)在低溫環(huán)境下制熱運(yùn)行時(shí)制熱量小、能效比低的問題,研究者做了大量的工作。在眾多方案中,渦旋壓縮機(jī)補(bǔ)氣的準(zhǔn)二級(jí)壓縮熱泵系統(tǒng)被認(rèn)為是技術(shù)上合理、實(shí)際可行的解決方案。21世紀(jì)初,研究者建立了準(zhǔn)二級(jí)壓縮熱泵的熱力學(xué)分析模型,確定出了最優(yōu)的中間壓力范圍,通過實(shí)驗(yàn)或理論分析了不同型式的準(zhǔn)二級(jí)壓縮各自的運(yùn)行特性1 3。但普通的補(bǔ)氣熱泵系統(tǒng),輔助回路中的節(jié)流元件具有較大的有效能損失,

7、為回收此部分能量,在普通補(bǔ)氣系統(tǒng)基礎(chǔ)上提出了帶有噴射器的渦旋壓縮機(jī)補(bǔ)氣熱泵系統(tǒng),即準(zhǔn)二級(jí)壓縮 噴射熱泵系統(tǒng)。文獻(xiàn)4搭建了噴射器補(bǔ)氣熱泵系統(tǒng)的試驗(yàn)臺(tái),試驗(yàn)結(jié)果表明,帶噴射器的熱泵系統(tǒng)較普通補(bǔ)氣系統(tǒng),制熱量可增大10%左右,制熱性能系數(shù)提高4%左右。噴射器應(yīng)用在氟利昂類工質(zhì)中,是近幾年噴射式制冷的研究熱點(diǎn)5 6。它解決了普通以水為工質(zhì)的噴射制冷不能制取0 以下低溫的問題,并使回收更低溫度的余/廢熱成為可能。20世紀(jì)80 90年代,國內(nèi)的研究者將噴射器應(yīng)用在冰箱中,回收壓力能并制取冷凍溫度7 8。應(yīng)用在渦旋壓縮機(jī)準(zhǔn)二級(jí)壓縮熱泵系統(tǒng)中的噴射器,工作、引射流體以及壓縮流體參數(shù)均不同于噴射式制冷機(jī)組或噴射

8、真空設(shè)備,須重新考慮噴射器的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)及工質(zhì)流量的匹配。本文以一臺(tái)國內(nèi)某廠生產(chǎn)的R22渦旋壓縮機(jī)為例,對(duì)準(zhǔn)二級(jí)壓縮 噴射復(fù)合熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行系統(tǒng)介紹,其中重點(diǎn)介紹所用噴射器的設(shè)計(jì)方法,并測(cè)試樣機(jī)的運(yùn)行性能。1 準(zhǔn)二級(jí)壓縮 噴射復(fù)合熱泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)二級(jí)壓縮 噴射復(fù)合熱泵系統(tǒng)原理如圖1所示。與普通的準(zhǔn)二級(jí)壓縮不同之處是補(bǔ)氣回路中用噴射器代替普通的節(jié)流閥。由于噴射器具有回收高壓流體壓力能的作用,并改變補(bǔ)入壓縮機(jī)內(nèi)氣體的狀態(tài), 因此可在更大程度上改進(jìn)熱泵性能。圖1 準(zhǔn)二級(jí)壓縮 噴射熱泵系統(tǒng)圖F i g .1 Pri nci p le of quasi t w o st age co m pressi

9、 on h eat pumps yste m coup l ed w it h eject or1.1 補(bǔ)氣口的設(shè)計(jì)補(bǔ)氣口位置在一定的范圍內(nèi)變化對(duì)于系統(tǒng)的運(yùn)行安全不造成影響,但為保證系統(tǒng)在低溫下的制熱性能,最合理的開孔位置在吸氣腔剛閉合處1 2。開孔的形狀對(duì)性能影響不大,考慮可加工性選擇圓形即可,開孔時(shí)在渦旋盤的相鄰2個(gè)工作腔成對(duì)開設(shè),并確保不使2個(gè)相鄰的工作腔連通發(fā)生級(jí)間串氣的嚴(yán)重后果。依靠油膜進(jìn)行密封的壓縮機(jī),壁厚較大可以加工尺寸稍大些;靠密封圈進(jìn)行密封的壓縮機(jī),密封圈的厚度較小(大多為2mm ,補(bǔ)氣口要開得相對(duì)小一些。1.2 噴射器的設(shè)計(jì)圖2為噴射器示意圖。在噴射器中,高壓的工作流體經(jīng)噴

10、射器內(nèi)的噴嘴后速度增大壓力降低,靠低壓及高速將引射流體吸引到吸收室內(nèi),在擴(kuò)壓室內(nèi),混 合流體進(jìn)行擴(kuò)壓過程,最終以壓縮壓力從噴射器射出。對(duì)于渦旋壓縮機(jī)來說,壓縮壓力p C 即為壓縮機(jī)的補(bǔ)氣壓力。壓縮機(jī)進(jìn)行了部分程度的預(yù)壓縮后,腔內(nèi)氣體壓力變?yōu)閜 2(狀態(tài)2處的制冷劑的壓力進(jìn)行第2階段的邊補(bǔ)氣邊旋轉(zhuǎn)壓縮階段。且在補(bǔ)氣管路上設(shè)置有避免腔內(nèi)氣體倒流的單向閥,則有p C p 2(1A p 噴嘴喉部面積;A p1 噴嘴出口截面面積;A 2 混合室入口截面面積;A 3 混合室圓柱段截面面積圖2 噴射器F i g .2 Sk etch of ej ector描述噴射器性能的重要參數(shù)是噴射系數(shù)u ,其定義為引射

11、流體的質(zhì)量流量與工作流體的質(zhì)量流量之比。當(dāng)工作流體壓力及引射流體壓力一定時(shí),噴射系數(shù)主要受壓縮壓力的影響,噴射系數(shù)u 隨壓縮壓力p C 的變化關(guān)系如圖3所示。圖3 噴射器噴射系數(shù)與壓縮壓力變化關(guān)系F i g .3 V ariati on of entrai nm ent rati o w it h co m p ress press u re由圖3可知,噴射系數(shù)隨壓縮壓力的增加而降低,當(dāng)壓縮壓力增大到1.0M Pa 后,噴射系數(shù)將降低到0.1以下;相同的壓縮壓力下,引射壓力越高噴射系數(shù)越大。為保證噴射器的效果,使之工作在一定的噴射系數(shù)下,在本研究范圍內(nèi)取噴射系數(shù)不小于0.14,相應(yīng)的壓力p C

12、 u 為p C p C u(2在圖1所示的準(zhǔn)二級(jí)壓縮 噴射熱泵系統(tǒng)中,打開閥3,同時(shí)關(guān)閉閥1,2,則系統(tǒng)按普通的補(bǔ)氣方式運(yùn)轉(zhuǎn)。補(bǔ)氣增加了壓縮機(jī)的排氣量,從而使壓縮機(jī)的制熱量增加;同時(shí),補(bǔ)氣還改善了壓縮機(jī)的工作過程,提高了壓縮機(jī)的效率,因此制熱性能系數(shù)EER 有所提高。但補(bǔ)氣壓力不是越高越好。研究表明,補(bǔ)氣壓力存在一個(gè)最佳值2,超過某值后補(bǔ)氣壓力100 化學(xué)工程 2010年第38卷第1期的增大會(huì)帶來壓縮機(jī)耗功量的增加,使制熱EER 降低。綜上即可確定壓縮壓力,進(jìn)而確定噴射器的噴射系數(shù)。給定熱泵的蒸發(fā)溫度與冷凝溫度,壓縮流體焓值由下式確定:H C =H p +u H H1+u(3式中:H p 為工

13、作流體焓值,kJ/kg ;H C 為壓縮流體焓值,kJ/kg ;H H 為引射體焓值,kJ/kg ;u 為噴射系數(shù),等于引射量與工作流體量之比。根據(jù)剛性容器的補(bǔ)氣原理求得相對(duì)補(bǔ)氣量:=q m 2 -q m 2q m 2=v 2RKT 6(p C -p 2 p(4式中:q m 2為狀態(tài)2處的制冷劑質(zhì)量流量,kg /s ;q m 2 為狀態(tài)2 處的制冷劑質(zhì)量流量,kg /s ;R 為制冷劑的氣體常數(shù),kJ/(kg K ;T 為制冷劑溫度,K ;K 為等熵指數(shù);v 2為狀態(tài)2處的制冷劑的比體積,m 3/kg ; p 為補(bǔ)氣過程的損失系數(shù),取0.2。工作流體流量由噴射器內(nèi)噴嘴喉部截面積及流體參數(shù)決定:

14、q m p =A p p q p(5式中:q m p 為噴射器工作流體流量,kg /s ;A p 為噴嘴喉部面積,m 2; p 為噴嘴喉部工作流體密度,kg /m 3;q p 為噴嘴喉部工作流體速度,m /s通過噴射器計(jì)算出的相對(duì)補(bǔ)氣量a 如式(6所示:a =q m d -q m s q m s =q m p (1+u n s V V /60(6式中:q m s 為壓縮機(jī)吸氣量,kg /s ;q m d 為壓縮機(jī)排氣量,kg /s ;n 為壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速,r/m i n ; s 為吸氣密度,kg /m 3;V 為壓縮機(jī)吸氣腔容積,m 3; V 為壓縮機(jī)容積效率。聯(lián)立式(5 (6,并代入壓縮機(jī)的技術(shù)

15、參數(shù):吸氣容積、容積效率、壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速,則可求出噴射器噴嘴喉部面積A p 進(jìn)而求得噴射器各個(gè)截面的尺寸10。2 樣機(jī)設(shè)計(jì)與測(cè)試以國內(nèi)某廠生產(chǎn)的的渦旋壓縮機(jī)為例進(jìn)行準(zhǔn)二級(jí)壓縮 噴射復(fù)合熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)。所用壓縮機(jī)技術(shù)參數(shù)如下:吸氣容積為80c m 3/r ,額定輸入功率為4.55k W,轉(zhuǎn)速2800r/m i n ,運(yùn)行工況為蒸發(fā)、冷凝溫度分別為-20,45 。噴射器截面尺寸如表1所 示。表1 噴射器主要截面尺寸T able 1 D i m ension o fm a i n section o f e j ecto rA p /mm 2A p1/mm 2A 2/mm 21p C 為噴射器出口壓力。樣

16、機(jī)由熱泵系統(tǒng)、冷水系統(tǒng)和熱水系統(tǒng)3部分組成。冷、熱水系統(tǒng)分別形成熱泵的低溫端和高溫端,利用加熱器、冷卻塔等設(shè)備并通過微電腦穩(wěn)定其溫度。被測(cè)或計(jì)算的參數(shù)包括機(jī)組的制熱量、壓縮機(jī)輸入功率、制熱能效比EER 等。實(shí)驗(yàn)的目的是測(cè)試樣機(jī)在低溫工況下的運(yùn)行性能,實(shí)驗(yàn)方法符合GB10870 89 容積式冷水機(jī)組性能實(shí)驗(yàn)方法 及J B /T4329 1997 容積式冷水(熱泵機(jī)組 。樣機(jī)測(cè)試結(jié)果整理在圖4 6的曲線中。圖4為相對(duì)補(bǔ)氣量隨蒸發(fā)溫度變化關(guān)系。普通補(bǔ)氣系統(tǒng)和噴射器系統(tǒng)的補(bǔ)氣量均隨蒸發(fā)溫度的增101 許樹學(xué)等 準(zhǔn)二級(jí)壓縮 噴射熱泵的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究加而降低,其原因是蒸發(fā)溫度越低,補(bǔ)氣壓力與壓縮機(jī)腔內(nèi)壓差

17、越大;同一補(bǔ)氣壓力下,噴射器系統(tǒng)的補(bǔ)氣壓力大于普通補(bǔ)氣系統(tǒng),原因是噴射器引射了來自蒸發(fā)器的低焓蒸汽,導(dǎo)致補(bǔ)入壓縮機(jī)的氣體過熱度低比體積較小;在-20 噴射器處在設(shè)計(jì)工況附近,噴射器的引射性能最佳,使得噴射器系統(tǒng)的相對(duì)補(bǔ)氣量與普通補(bǔ)氣系統(tǒng)的差值存在一最大點(diǎn)。圖5表示制熱量隨蒸發(fā)溫度變化關(guān)系。噴射器系統(tǒng)的制熱量稍高于普通補(bǔ)氣系統(tǒng),并隨蒸發(fā)溫度的降低差距有擴(kuò)大的趨勢(shì)。原因是雖然噴射器系統(tǒng)補(bǔ)氣量高于普通的補(bǔ)氣系統(tǒng),但由于補(bǔ)入的低焓值氣體導(dǎo)致了排氣焓值的降低,而制熱量等于排氣焓差與流量的乘積,即只有當(dāng)排氣焓差與流量的乘積大時(shí)制熱量才會(huì)增大。圖6表示制熱性能系數(shù)EER隨蒸發(fā)溫度變化關(guān)系。補(bǔ)氣后壓縮機(jī)的輸入

18、功率變化不大,但比單級(jí)系統(tǒng)要提高約1.5% 3.4%。這主要是隨著蒸發(fā)溫度的降低,補(bǔ)氣量同時(shí)增加的結(jié)果;相同蒸發(fā)溫度下,噴射器熱泵系統(tǒng)的輸入功率低于普通系統(tǒng)約4%,原因是噴射器系統(tǒng)引射了低焓值的氣體,對(duì)壓縮機(jī)的冷卻作用更大程度上提高了壓縮機(jī)的指示效率。噴射器熱泵系統(tǒng)制熱量相對(duì)普通補(bǔ)氣系統(tǒng)不減少,因此制熱能效比EER平均提高3% 5%。并且隨著蒸發(fā)溫度的降低,噴射器補(bǔ)氣對(duì)EER的改善程度會(huì)增大。充分體現(xiàn)了噴射器補(bǔ)氣對(duì)熱泵系統(tǒng)制熱性能的改善效果。另一方面,隨著蒸發(fā)溫度的升高,噴射器補(bǔ)氣對(duì)熱泵系統(tǒng)制熱性能的相對(duì)改善效果會(huì)減弱,當(dāng)蒸發(fā)溫度-15 時(shí)與普通補(bǔ)氣效果趨同。其原因是蒸發(fā)溫度較高時(shí)(本實(shí)驗(yàn)用壓

19、縮機(jī)為-15 及以上,由圖4可知,對(duì)壓縮機(jī)的相對(duì)補(bǔ)氣量會(huì)減小,從20% 30%減至10%以下,使得無論普通補(bǔ)氣還是噴射補(bǔ)氣,對(duì)系統(tǒng)性能改進(jìn)均減弱,并使噴射器的相對(duì)效果不再明顯。3 結(jié)論(1保證最佳制熱性能,補(bǔ)氣口設(shè)在吸氣腔剛閉合的位置,并保證不造成級(jí)間串氣。(2以普通準(zhǔn)二級(jí)壓縮機(jī)組為依據(jù),結(jié)合噴射器的最佳運(yùn)行工況,確定噴射器系統(tǒng)的最佳補(bǔ)氣壓力。 (3噴射器內(nèi)的工質(zhì)流量與壓縮機(jī)補(bǔ)氣流量要相匹配,以此為依據(jù)確定噴射器截面尺寸。對(duì)蒸發(fā)溫度為-20 的某渦旋壓縮機(jī)進(jìn)行了系統(tǒng)設(shè)計(jì),樣機(jī)測(cè)試結(jié)果表明,通過此方法設(shè)計(jì)出的噴射器熱泵系統(tǒng),較普通補(bǔ)氣熱泵系統(tǒng),提高了相對(duì)補(bǔ)氣量,進(jìn)一步降低了壓縮機(jī)的排氣焓值,保證

20、了機(jī)組在低溫環(huán)境下的穩(wěn)定性;同時(shí),在保證了機(jī)組的制熱量的前提下,使熱泵系統(tǒng)的能效比提高3% 5%。有關(guān)方法對(duì)準(zhǔn)二級(jí)壓縮 噴射復(fù)合熱泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。參考文獻(xiàn):1 W I NAN DY E L,LEBRUN J.Scro ll com pre sso rs usinggas and li qu i d i n j ec ti on:expe ri m en tal analysis and m ode llingJ.In ternati onal Journa l of R efr i gerati on,2002,24:1143 1156.2 M A Guoyuan,CHA I Q i nhu.Character i stics o f an i m provedhea t pu mp cyc l e for co ld reg ionsJ.A pp lied Ene rgy,2004,77(3:235 247.3 M A G uoyuan,Z HAO H u i x ia.Experi m enta l study o f a heatpu m p syste m w ith fl ash t