準二級壓縮 - 噴射熱泵的設計與實驗研究 - 圖文-

1、第38卷第1期2010年1月化 學 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基金項目:國家自然科學基金資助項目(50776001作者簡介:許樹學(1981 ,男,博士研究生,主要從事制冷熱泵技術的研究,E m ai:l xs xe m ai.l b j ut .edu .cn ;馬國遠(1963 ,男,教授,博士生導師,通訊聯系人,主要從事制冷熱泵技術、建筑物余熱回收研究,電話:(01067391613。準二級壓縮 噴射熱泵的設計與實驗研究許樹學,馬國遠,彭 瓏(北京工業(yè)大學環(huán)境與能源工程學院,北京

2、100124摘要:為回收利用普通準二級壓縮熱泵系統中補氣回路的有用能,提出了準二級壓縮 噴射熱泵系統。文中對其設計方法進行了介紹,搭建了蒸發(fā)溫度-20 樣機實驗臺。測試結果表明,在保證制熱量的情況下,能效比較普通補氣系統增加3% 5%,設計方法能為其他工質、其他容量的渦旋壓縮機準二級壓縮 噴射復合熱泵系統的設計提供參考。關鍵詞:熱泵;噴射器;系統設計中圖分類號:TB 6 文獻標識碼:A 文章編號: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在低溫環(huán)境下制熱運行時制熱量小、能效比低的問題,研究者做了大量的工作。在眾多方案中,渦旋壓縮機補氣的準二級壓縮熱泵系統被認為是技術上合理、實際可行的解決方案。21世紀初,研究者建立了準二級壓縮熱泵的熱力學分析模型,確定出了最優(yōu)的中間壓力范圍,通過實驗或理論分析了不同型式的準二級壓縮各自的運行特性1 3。但普通的補氣熱泵系統,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,在普通補氣系統基礎上提出了帶有噴射器的渦旋壓縮機補氣熱泵系統,即準二級壓縮 噴射熱泵系統。文獻4搭建了噴射器補氣熱泵系統的試驗臺,試驗結果表明,帶噴射器的熱泵系統較普通補氣系統,制熱量可增大10%左右,制熱性能系數提高4%左右。噴射器應用在氟利昂類工質中,是近幾年噴射式制冷的研究熱點5 6。它解決了普通以水為工質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80 90年代,國內的研究者將噴射器應用在冰箱中,回收壓力能并制取冷凍溫度7 8。應用在渦旋壓縮機準二級壓縮熱泵系統中的噴射器,工作、引射流體以及壓縮流體參數均不同于噴射式制冷機組或噴射

8、真空設備,須重新考慮噴射器的結構參數設計及工質流量的匹配。本文以一臺國內某廠生產的R22渦旋壓縮機為例,對準二級壓縮 噴射復合熱泵系統設計進行系統介紹,其中重點介紹所用噴射器的設計方法,并測試樣機的運行性能。1 準二級壓縮 噴射復合熱泵系統的設計準二級壓縮 噴射復合熱泵系統原理如圖1所示。與普通的準二級壓縮不同之處是補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,并改變補入壓縮機內氣體的狀態(tài), 因此可在更大程度上改進熱泵性能。圖1 準二級壓縮 噴射熱泵系統圖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 補氣口的設計補氣口位置在一定的范圍內變化對于系統的運行安全不造成影響,但為保證系統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。開孔的形狀對性能影響不大,考慮可加工性選擇圓形即可,開孔時在渦旋盤的相鄰2個工作腔成對開設,并確保不使2個相鄰的工作腔連通發(fā)生級間串氣的嚴重后果。依靠油膜進行密封的壓縮機,壁厚較大可以加工尺寸稍大些;靠密封圈進行密封的壓縮機,密封圈的厚度較小(大多為2mm ,補氣口要開得相對小一些。1.2 噴射器的設計圖2為噴射器示意圖。在噴射器中,高壓的工作流體經噴

10、射器內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,在擴壓室內,混 合流體進行擴壓過程,最終以壓縮壓力從噴射器射出。對于渦旋壓縮機來說,壓縮壓力p C 即為壓縮機的補氣壓力。壓縮機進行了部分程度的預壓縮后,腔內氣體壓力變?yōu)閜 2(狀態(tài)2處的制冷劑的壓力進行第2階段的邊補氣邊旋轉壓縮階段。且在補氣管路上設置有避免腔內氣體倒流的單向閥,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是噴射系數u ,其定義為引射

11、流體的質量流量與工作流體的質量流量之比。當工作流體壓力及引射流體壓力一定時,噴射系數主要受壓縮壓力的影響,噴射系數u 隨壓縮壓力p C 的變化關系如圖3所示。圖3 噴射器噴射系數與壓縮壓力變化關系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,噴射系數隨壓縮壓力的增加而降低,當壓縮壓力增大到1.0M Pa 后,噴射系數將降低到0.1以下;相同的壓縮壓力下,引射壓力越高噴射系數越大。為保證噴射器的效果,使之工作在一定的噴射系數下,在本研究范圍內取噴射系數不小于0.14,相應的壓力p C

12、 u 為p C p C u(2在圖1所示的準二級壓縮 噴射熱泵系統中,打開閥3,同時關閉閥1,2,則系統按普通的補氣方式運轉。補氣增加了壓縮機的排氣量,從而使壓縮機的制熱量增加;同時,補氣還改善了壓縮機的工作過程,提高了壓縮機的效率,因此制熱性能系數EER 有所提高。但補氣壓力不是越高越好。研究表明,補氣壓力存在一個最佳值2,超過某值后補氣壓力100 化學工程 2010年第38卷第1期的增大會帶來壓縮機耗功量的增加,使制熱EER 降低。綜上即可確定壓縮壓力,進而確定噴射器的噴射系數。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,等于引射量與工作流體量之比。根據剛性容器的補氣原理求得相對補氣量:=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處的制冷劑質量流量,kg /s ;q m 2 為狀態(tài)2 處的制冷劑質量流量,kg /s ;R 為制冷劑的氣體常數,kJ/(kg K ;T 為制冷劑溫度,K ;K 為等熵指數;v 2為狀態(tài)2處的制冷劑的比體積,m 3/kg ; p 為補氣過程的損失系數,取0.2。工作流體流量由噴射器內噴嘴喉部截面積及流體參數決定:

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通過噴射器計算出的相對補氣量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 為壓縮機吸氣量,kg /s ;q m d 為壓縮機排氣量,kg /s ;n 為壓縮機轉速,r/m i n ; s 為吸氣密度,kg /m 3;V 為壓縮機吸氣腔容積,m 3; V 為壓縮機容積效率。聯立式(5 (6,并代入壓縮機的技術

15、參數:吸氣容積、容積效率、壓縮機轉速,則可求出噴射器噴嘴喉部面積A p 進而求得噴射器各個截面的尺寸10。2 樣機設計與測試以國內某廠生產的的渦旋壓縮機為例進行準二級壓縮 噴射復合熱泵系統設計。所用壓縮機技術參數如下:吸氣容積為80c m 3/r ,額定輸入功率為4.55k W,轉速2800r/m i n ,運行工況為蒸發(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 2A 3/mm 2p C /M

16、Pa 0.1960.31810.4940.7p C 為噴射器出口壓力。樣機由熱泵系統、冷水系統和熱水系統3部分組成。冷、熱水系統分別形成熱泵的低溫端和高溫端,利用加熱器、冷卻塔等設備并通過微電腦穩(wěn)定其溫度。被測或計算的參數包括機組的制熱量、壓縮機輸入功率、制熱能效比EER 等。實驗的目的是測試樣機在低溫工況下的運行性能,實驗方法符合GB10870 89 容積式冷水機組性能實驗方法 及J B /T4329 1997 容積式冷水(熱泵機組 。樣機測試結果整理在圖4 6的曲線中。圖4為相對補氣量隨蒸發(fā)溫度變化關系。普通補氣系統和噴射器系統的補氣量均隨蒸發(fā)溫度的增101 許樹學等 準二級壓縮 噴射熱泵

17、的設計與實驗研究加而降低,其原因是蒸發(fā)溫度越低,補氣壓力與壓縮機腔內壓差越大;同一補氣壓力下,噴射器系統的補氣壓力大于普通補氣系統,原因是噴射器引射了來自蒸發(fā)器的低焓蒸汽,導致補入壓縮機的氣體過熱度低比體積較小;在-20 噴射器處在設計工況附近,噴射器的引射性能最佳,使得噴射器系統的相對補氣量與普通補氣系統的差值存在一最大點。圖5表示制熱量隨蒸發(fā)溫度變化關系。噴射器系統的制熱量稍高于普通補氣系統,并隨蒸發(fā)溫度的降低差距有擴大的趨勢。原因是雖然噴射器系統補氣量高于普通的補氣系統,但由于補入的低焓值氣體導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,即只有當排氣焓差與流量的乘積大時制熱量才

18、會增大。圖6表示制熱性能系數EER隨蒸發(fā)溫度變化關系。補氣后壓縮機的輸入功率變化不大,但比單級系統要提高約1.5% 3.4%。這主要是隨著蒸發(fā)溫度的降低,補氣量同時增加的結果;相同蒸發(fā)溫度下,噴射器熱泵系統的輸入功率低于普通系統約4%,原因是噴射器系統引射了低焓值的氣體,對壓縮機的冷卻作用更大程度上提高了壓縮機的指示效率。噴射器熱泵系統制熱量相對普通補氣系統不減少,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,噴射器補氣對EER的改善程度會增大。充分體現了噴射器補氣對熱泵系統制熱性能的改善效果。另一方面,隨著蒸發(fā)溫度的升高,噴射器補氣對熱泵系統制熱性能的相對改善效果會減弱,當

19、蒸發(fā)溫度-15 時與普通補氣效果趨同。其原因是蒸發(fā)溫度較高時(本實驗用壓縮機為-15 及以上,由圖4可知,對壓縮機的相對補氣量會減小,從20% 30%減至10%以下,使得無論普通補氣還是噴射補氣,對系統性能改進均減弱,并使噴射器的相對效果不再明顯。3 結論(1保證最佳制熱性能,補氣口設在吸氣腔剛閉合的位置,并保證不造成級間串氣。(2以普通準二級壓縮機組為依據,結合噴射器的最佳運行工況,確定噴射器系統的最佳補氣壓力。 (3噴射器內的工質流量與壓縮機補氣流量要相匹配,以此為依據確定噴射器截面尺寸。對蒸發(fā)溫度為-20 的某渦旋壓縮機進行了系統設計,樣機測試結果表明,通過此方法設計出的噴射器熱泵系統,

20、較普通補氣熱泵系統,提高了相對補氣量,進一步降低了壓縮機的排氣焓值,保證了機組在低溫環(huán)境下的穩(wěn)定性;同時,在保證了機組的制熱量的前提下,使熱泵系統的能效比提高3% 5%。有關方法對準二級壓縮 噴射復合熱泵系統的設計具有指導意義。參考文獻: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,

21、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 tank coupled w ith scro ll compressorJ.Energy and Bu ildi ngs,2008,4