李玉春 蔡志鴻 何永鋒

(1 順德職業(yè)技術(shù)學(xué)院 佛山 528300；2 順德科創(chuàng)達(dá)冷熱設(shè)備公司 佛山 528300)

熱泵熱水器的應(yīng)用近年來日益廣泛，然而常規(guī)熱泵系統(tǒng)在壓比較高時(shí)，存在壓縮機(jī)效率低，排氣溫度高等技術(shù)難題，因而成為行業(yè)發(fā)展的技術(shù)瓶頸；由制冷原理可知，采用雙級(jí)壓縮系統(tǒng)或復(fù)疊式制冷系統(tǒng)是解決高壓比下技術(shù)難題(也即高溫差)的有效途徑，然而，由于系統(tǒng)過于復(fù)雜及成本因素，目前尚未有真正意義上的雙級(jí)壓縮式(或復(fù)疊式)熱泵產(chǎn)品。經(jīng)過分析與研究，人們發(fā)現(xiàn)將一定中間壓力的制冷劑噴入處于壓縮過程中的密閉氣缸內(nèi)，可以增大壓縮機(jī)的輸氣量，從而提高制熱量與COP，這成為解決熱泵在高壓比情況下的各種技術(shù)難題的一種有效解決方案[1-2]，此即帶經(jīng)濟(jì)器的制冷系統(tǒng)，目前針對(duì)帶經(jīng)濟(jì)器的制冷系統(tǒng)運(yùn)行規(guī)律進(jìn)行深入分析與研究的文獻(xiàn)尚未見之，不利于此項(xiàng)技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化與商品化，這里擬在此方面做一些探索。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)采用可帶經(jīng)濟(jì)器的渦旋壓縮機(jī)ZW61，冷凝器采用殼管式換熱器，制冷劑走殼程，水走管程，蒸發(fā)器采用翅片管換熱器(鋁翅銅管)，經(jīng)濟(jì)器采用內(nèi)外皆為銅管的套管式換熱器(內(nèi)管為螺旋管)，主電子膨脹閥采用EPF30，輔電子膨脹閥采用DPF14，組成實(shí)驗(yàn)裝置如圖1。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic of experiment instrument

采用輔汽液分離器是為了避免噴入口含有液態(tài)制冷劑產(chǎn)生液擊，經(jīng)濟(jì)器中內(nèi)管與外管的制冷劑流向采用逆流布置，壓縮機(jī)吸入口制冷劑流量由主電子膨脹閥控制，壓縮機(jī)噴入口制冷劑流量由輔電子膨脹閥控制。實(shí)驗(yàn)中，蒸發(fā)器側(cè)的進(jìn)風(fēng)狀態(tài)由干球溫度計(jì)、相對(duì)濕度計(jì)測量，冷凝器側(cè)的進(jìn)、出水溫度各由一溫度計(jì)進(jìn)行測量，水流量由渦輪流量計(jì)測量，實(shí)驗(yàn)在廣東省制冷產(chǎn)品檢驗(yàn)站(順德站)下屬焓差室進(jìn)行，溫度計(jì)精度±0.1℃，流量計(jì)精度為0.5%，實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的輸入功率由功率計(jì)測得，精度0.2%，實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的(瞬時(shí))制熱量Q1及COP由下式計(jì)算：

式中，Q1—制熱量，W；P —輸入功率，W；qW—水流量，m3/s；cp—水的比定壓熱容，J/(kg.k)；ρ —水的體積質(zhì)量，kg/m3；to, ti—進(jìn)、出口水溫，℃。

實(shí)驗(yàn)過程中，調(diào)整輔電子膨脹閥開度來控制壓縮機(jī)噴入口的制冷劑流量，當(dāng)輔電子膨脹閥開度為0時(shí)，此時(shí)噴入口無制冷劑流過，相當(dāng)于常規(guī)壓縮機(jī)。這里以膨脹閥驅(qū)動(dòng)脈沖數(shù)來代表開度，脈沖數(shù)為0時(shí)，膨脹閥處于全閉狀態(tài)，脈沖數(shù)為500時(shí)，膨脹閥處于全開狀態(tài)。制冷劑流動(dòng)方向以制取熱水時(shí)的流向?yàn)檎?，同時(shí)定義制冷劑主路為：壓縮機(jī)-四通閥-冷凝器-經(jīng)濟(jì)器-主電子膨脹閥-蒸發(fā)器-四通閥-主汽液分離器-壓縮機(jī)；定義制冷劑輔路為：壓縮機(jī)-四通閥-冷凝器—輔電子膨脹閥-經(jīng)濟(jì)器 -輔汽液分離器-壓縮機(jī)。

2 帶經(jīng)濟(jì)器的制冷循環(huán)

圖2 噴氣增焓熱泵循環(huán)Fig.2 Heat pump cycle with economizer

制冷劑在帶經(jīng)濟(jì)器的熱泵系統(tǒng)中的理想循環(huán)如圖2[3]所示，制冷劑從壓縮機(jī)排氣口(狀態(tài)3)排出，經(jīng)冷凝器冷卻(狀態(tài)3—狀態(tài)4)后分成主、輔兩路，主路制冷劑在經(jīng)濟(jì)器中被輔路制冷劑冷至狀態(tài)5后，經(jīng)主電子膨脹閥節(jié)流至狀態(tài)5’，在蒸發(fā)器中蒸發(fā)(狀態(tài)5’—狀態(tài)0)，從壓縮機(jī)吸入口進(jìn)入壓縮機(jī)被壓縮至中間狀態(tài)1；而輔路制冷劑經(jīng)輔電子膨脹閥節(jié)流(狀態(tài)4—狀態(tài)4’)，然后在經(jīng)濟(jì)器中被主路制冷劑加熱后蒸發(fā)至狀態(tài)6，經(jīng)噴入口噴入壓縮機(jī)，與主路制冷劑(狀態(tài)1)混合后形成狀態(tài)2，再經(jīng)壓縮形成排氣狀態(tài)3，如此重復(fù)循環(huán)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

實(shí)驗(yàn)中主電子膨脹閥開度固定為320，改變輔電子膨脹閥開度(0～320)，得到了帶經(jīng)濟(jì)器的熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行規(guī)律。實(shí)驗(yàn)工況為：環(huán)境干球溫度(-15±0.3)℃，相對(duì)濕度60%，進(jìn)水溫度為(47.5±0.3)℃，水量控制在(25±1)L/min。

圖3 性能隨開度的變化Fig.3 Performance variation with opening

由圖3中可見，隨輔電子膨脹閥開度增大，樣機(jī)功率及制熱量先是逐漸增大，隨后稍作穩(wěn)定，最大功率及最大制熱量出現(xiàn)的工況點(diǎn)基本相同(開度為200)，分別是4788W及8050W，此時(shí)樣機(jī)的COP值也最大(1.68)，此后繼續(xù)增大輔電子膨脹閥開度，功率及制熱量則開始下降，到開度為320時(shí)，已降至4484W及7336W，COP也較之略有下降(1.63)。

圖4展示了樣機(jī)制冷系統(tǒng)各溫度點(diǎn)以及樣機(jī)出水溫度的變化，隨輔電子膨脹閥的開度增大，排氣溫度是先升后降又再上升；吸氣溫度在開度低于200時(shí)，隨輔電子膨脹閥的開度增大而下降，開度在200～320之間，吸氣溫度又開始上升；噴入口溫度則是先快速飛升，然后又快速下降，最后趨于平穩(wěn)，而出水溫度的變化趨勢則與制熱量變化相對(duì)應(yīng)。

圖4 溫度隨開度的變化Fig.4 Temperature variation with opening

3.2 分析

輔路制冷劑經(jīng)輔電子膨脹閥節(jié)流后變成低溫流體，在經(jīng)濟(jì)器中與主路高溫液態(tài)制冷劑換熱,當(dāng)輔電子膨脹閥開度較小時(shí)，由于輔路流量不夠，故經(jīng)過經(jīng)濟(jì)器后，輔路制冷劑出口溫度接近于經(jīng)濟(jì)器中主路入口的制冷劑溫度，因此在開度為40時(shí)，噴入口的溫度達(dá)到最高(48℃)，之后隨著輔路流量增大，噴入口溫度逐漸下降，當(dāng)輔路開度過大(超過200)時(shí)，輔路制冷劑在經(jīng)濟(jì)器出口帶有液體，在經(jīng)輔汽液分離器后，噴入口處于飽和蒸氣狀態(tài)，因此溫度基本不再變化，此時(shí)即便加大輔電子膨脹閥開度，也只是影響輔汽液分離器中的液位而已，故輔路制冷劑流量是先隨開度(＜200時(shí))的增大而增大，當(dāng)開度大于200后，流量趨于穩(wěn)定。

主路制冷劑流量的影響因素較為復(fù)雜，當(dāng)輔路電子膨脹閥開度在0～200間不斷增大時(shí)，由于輔路制冷劑流量增大，在經(jīng)濟(jì)器中對(duì)主路高溫液態(tài)制冷劑冷卻作用增強(qiáng)，故主電子膨脹閥前的液體溫度下降，在冷凝壓力變化極微的情況下(實(shí)驗(yàn)過程中，冷凝溫度相差小于1℃)，液體過冷度增加，主電子膨脹閥開度不變時(shí)，主路流量開始增大，此時(shí)流過蒸發(fā)器的液體開始增多，蒸發(fā)器出口溫度降低，從而使壓縮機(jī)吸入口溫度隨之降低，這在圖4中開度在0～200間的溫度變化可以得到印證。當(dāng)輔路開度超過200時(shí)，由前述知，輔路制冷劑量流量不再增大，但輔汽液分離器中開始蓄存液態(tài)制冷劑，從而使得冷凝器中蓄存的制冷劑量減少，冷凝器底部的制冷劑液位下降，從而減少液態(tài)制冷劑在冷凝器中的停留時(shí)間(也即換熱時(shí)間)，故冷凝器出口處的溫度會(huì)升高，兼之冷凝器中制冷劑相變換熱面積的增大，換熱效果增強(qiáng)，故冷凝壓力會(huì)略降；即便輔路開度增大，但由于流量基本不變(前已述)，故對(duì)主路制冷劑的冷卻效果不變，冷凝器出口溫度的升高必然導(dǎo)致主膨脹閥前液體溫度的升高。從圖4可見輔路開度由200增大到320時(shí)，主電子膨脹閥前溫度反而由12.7℃上升至13.6℃，冷凝器出口溫度由50.8℃上升至51.5℃，此時(shí)因?yàn)橹麟娮优蛎涢y前液體過冷度減小，閥前壓力減小，閥后壓力不變，故主路制冷劑流量減少，從而使蒸發(fā)器供液不足，制冷劑過早蒸發(fā)完全，壓縮機(jī)吸氣溫度由-22.7℃升至-17.8℃，因此可見，由吸入口進(jìn)入壓縮機(jī)的制冷劑量先隨輔電子膨脹閥開度的上升而增大，后又隨輔電子膨脹閥開度的上升而減少，最大流量點(diǎn)在開度為200處。

由于壓縮機(jī)總輸氣量等于吸氣口吸入制冷劑與噴入口噴入制冷劑之和，故總輸氣量存在一個(gè)極值，由前述知，主、輔路流量和的最大點(diǎn)應(yīng)在輔路開度為200時(shí)，這也是圖3中功率、制熱量、COP在開度為200處出現(xiàn)最大值的原因。

在吸排氣壓力變化較小的情況下，排氣溫度主要受吸氣溫度和噴入口溫度的影響。在其它條件不變時(shí)，吸氣溫度越低，排氣溫度也就越低，當(dāng)輔路開度低于200時(shí)，吸氣溫度隨開度的增加而不斷下降，故吸氣對(duì)排氣溫度起到降溫的作用；而噴入口溫度先上升后又下降，當(dāng)噴入氣體溫度高于噴入口處壓縮腔中原有氣體的溫度時(shí)，此時(shí)噴入氣體與腔內(nèi)原有氣體混合后，會(huì)提高腔中氣體溫度，排氣溫度也會(huì)隨之上升，故在輔電子膨脹閥開度小于120時(shí)，開度越大，噴入氣體比例越高，與腔內(nèi)原氣體混合后混合點(diǎn)溫度也就越高，故噴入氣體對(duì)排氣溫度起升溫的作用，且該升溫作用大于吸氣對(duì)排氣的降溫作用，故輔路開度在0～120間，排氣溫度隨輔路開度的增大而升高。當(dāng)輔路開度超過120時(shí)，噴入氣體的溫度下降，對(duì)排氣的升溫作用開始逐漸減少甚至反轉(zhuǎn)成降溫作用(當(dāng)輔路流量進(jìn)一步增大時(shí)，噴入氣體處于飽和氣態(tài)，低于噴入腔內(nèi)原氣體溫度，此時(shí)噴入氣體的作用將由升溫轉(zhuǎn)化成降溫作用)，此時(shí)排氣溫度開始下降。這也是圖4中排氣溫度在輔路開度為120時(shí)處于最高點(diǎn)的原因。當(dāng)輔路開度超過120后，且吸氣與噴入氣體對(duì)排氣都起降溫作用時(shí)，排氣溫度將迅速下降，因此圖4中輔路開度為200時(shí)，排氣溫度已急降為86.1℃。隨后，當(dāng)開度數(shù)超過200時(shí)，由于主路制冷劑流量減少，吸氣溫度開始上升，而噴入氣體狀態(tài)及噴入量基本不再變化，故排氣溫度又掉頭上升(開度為320時(shí)，升至91.6℃)。

3.3 最佳工況特征歸納

由上述分析可知，在主電子膨脹閥開度不變情況下，輔電子膨脹閥處于不同開度，系統(tǒng)的性能變化大(制熱量為5130～8050W；COP為1.37～1.68)、排氣溫度變化大(86.1～113℃),若調(diào)試不當(dāng)，非但不能提高熱泵性能，甚至可能急速降低系統(tǒng)壽命(因排氣溫度過高)，尋找?guī)Ы?jīng)濟(jì)器的熱泵系統(tǒng)工作最佳狀態(tài)點(diǎn)就顯得尤為重要。該最佳工況點(diǎn)應(yīng)是主路制冷劑流量最大，而輔路制冷劑經(jīng)過經(jīng)濟(jì)器后，剛好處于飽和氣態(tài)(即輔汽液分離器內(nèi)無液體)時(shí)。

進(jìn)一步對(duì)圖3、圖4輔路開度為200(實(shí)驗(yàn)的最佳工況點(diǎn))時(shí)特征進(jìn)行歸納可得：

1)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)在輔電子膨脹閥開度為200時(shí)，性能達(dá)到最佳點(diǎn)，此時(shí)吸氣溫度、排氣溫度最低，有利于提高熱泵系統(tǒng)可靠性，同時(shí)功率、制熱量、COP最高，也有利于提高系統(tǒng)低溫工況下的制熱效果及節(jié)能效果。

2)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)在該最佳點(diǎn)時(shí)，主電子膨脹閥前溫度最低12.7℃，輔電子膨脹閥后溫度與噴入口溫度差絕對(duì)值最小(0.2℃)。

4 結(jié)語

對(duì)帶經(jīng)濟(jì)器的熱泵系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，闡述了系統(tǒng)主要性能及制冷系統(tǒng)典型溫度的變化趨勢，定性分析了參數(shù)變化的內(nèi)在規(guī)律，歸納了帶經(jīng)濟(jì)器的熱泵系統(tǒng)最佳工作點(diǎn)的特征，可做為產(chǎn)品設(shè)計(jì)中性能調(diào)試的工作指南。

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