張彥廷，黃 崢，張 晧，徐敬玉，王 林，張廣志

（1.中國石油大學(xué)(華東)機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266580；2.上海昊姆節(jié)能科技有限公司，上海 200335；3.河南科技大學(xué)土木工程學(xué)院，河南 洛陽 471000）

隨著熱泵技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)階段熱泵技術(shù)的研究逐漸由中低溫?zé)岜眉夹g(shù)向高溫?zé)岜眉夹g(shù)轉(zhuǎn)變。在電力工業(yè)中，冷端損失是電廠最大的熱損失。利用大型熱泵回收電廠冷端余熱是電力行業(yè)節(jié)能減排的一項(xiàng)重要措施。但是因?yàn)榇蟛糠挚衫玫睦涠擞酂釡囟容^低，高溫?zé)岜孟到y(tǒng)在單級(jí)壓縮循環(huán)下的壓比過大，導(dǎo)致系統(tǒng)能效系數(shù)（CCOP）和經(jīng)濟(jì)效益較低等問題[1-4]。因此，提高大壓比熱泵系統(tǒng)的CCOP是冷端余熱回收高溫?zé)岜眉夹g(shù)發(fā)展的重要途徑。

參考制冷系統(tǒng)的相關(guān)結(jié)構(gòu)，19世紀(jì)提出的雙級(jí)壓縮循環(huán)結(jié)構(gòu)可以有效分?jǐn)倖渭?jí)壓縮中工質(zhì)壓力的增量，降低系統(tǒng)中壓縮機(jī)的壓比，提高系統(tǒng)CCOP；1982年張明元等[5]就率先提出了多級(jí)壓縮循環(huán)結(jié)構(gòu)，通過經(jīng)濟(jì)器進(jìn)行補(bǔ)氣作業(yè)提高系統(tǒng)的CCOP；2011年Torrella等人[6]根據(jù)雙級(jí)壓縮的循環(huán)結(jié)構(gòu)特征將其歸總為7個(gè)循環(huán)類型。

但隨著雙級(jí)壓縮循環(huán)研究的進(jìn)一步加深，將雙級(jí)壓縮循環(huán)的7種類型縮減為具有較好工作性能的4種循環(huán)類型，分別為一級(jí)節(jié)流中間不完全冷卻式雙級(jí)壓縮、一級(jí)節(jié)流中間完全冷卻式雙級(jí)壓縮、二級(jí)節(jié)流中間不完全冷卻式雙級(jí)壓縮以及二級(jí)節(jié)流中間完全冷卻式雙級(jí)壓縮。黃輝等[7]從系統(tǒng)的排氣溫度、熱泵效率、回油性能以及制冷劑輸送距離4個(gè)指標(biāo)對(duì)4種循環(huán)方式進(jìn)行了簡(jiǎn)單分析。其結(jié)果表明，具有二級(jí)節(jié)流特性的循環(huán)系統(tǒng)更適用于大壓比的作業(yè)環(huán)境。

電廠行業(yè)隨著熱泵系統(tǒng)余熱回收技術(shù)的發(fā)展，對(duì)高溫?zé)岜糜酂峄厥障到y(tǒng)的需求量逐步增加，考慮系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益，需要進(jìn)一步優(yōu)化高溫?zé)岜孟到y(tǒng)，提高系統(tǒng)的CCOP[8-10]。為此，本文針對(duì)工質(zhì)的壓焓特性，引入工質(zhì)液擊斜率定義及相關(guān)參數(shù)，通過對(duì)比系統(tǒng)的壓焓變化斜率來判定系統(tǒng)中是否出現(xiàn)液擊現(xiàn)象。此外，為提高系統(tǒng)的熱力學(xué)性能，通過研究中間回?zé)崞鲗?duì)系統(tǒng)CCOP、壓焓變化斜率等參數(shù)的影響，構(gòu)建出3種具有兩級(jí)回?zé)崽匦缘母邿岜孟到y(tǒng)結(jié)構(gòu)，以期提高高溫?zé)岜孟到y(tǒng)的熱力學(xué)性能。

1 工質(zhì)液擊斜率及系統(tǒng)壓焓變化斜率

為避免工質(zhì)在壓縮過程中變?yōu)闅庖簝上鄳B(tài)而造成壓縮機(jī)的液擊現(xiàn)象，希望在壓縮過程中，工質(zhì)的狀態(tài)點(diǎn)始終處于工質(zhì)飽和氣態(tài)曲線的右側(cè)[11]。在壓縮機(jī)作業(yè)時(shí)，工質(zhì)壓力由低壓pl升高至高壓ph，焓值h多為單調(diào)遞增關(guān)系，如圖1所示。因此本文僅對(duì)該類工質(zhì)進(jìn)行討論。

圖1 工質(zhì)液擊斜率示意Fig.1 Schematic diagram of liquid hammer slope of the working medium

在該類工質(zhì)的p-h圖中，2個(gè)壓力所對(duì)應(yīng)的氣態(tài)飽和點(diǎn)分別為（hl，pl）、（hh，ph）且hh為壓縮階段中的最大焓值。由此可將工質(zhì)液擊斜率定義為

式中，klp即為工質(zhì)的液擊斜率，kJ-1·(kg·kPa)。

當(dāng)系統(tǒng)循環(huán)作業(yè)的冷凝溫度與蒸發(fā)溫度分別為393.15 K及328.15 K時(shí)，幾種高溫工質(zhì)的臨界溫度及工質(zhì)液擊斜率見表1[12]。

表1 幾種高溫工質(zhì)的臨界溫度及工質(zhì)液擊斜率Tab.1 The critical temperature of several high temperature refrigerants and liquid slope of working fluids

當(dāng)壓縮機(jī)壓縮前工質(zhì)無過熱度時(shí)，由于壓縮機(jī)存在等熵效率，則壓縮前后的實(shí)際比焓為ha、hb：

式中：hb表示壓縮前工質(zhì)的比焓，kJ/kg；h'a表示等熵壓縮后的工質(zhì)比焓，kJ/kg；ha表示實(shí)際壓縮后的工質(zhì)比焓，kJ/kg；ηh表示壓縮機(jī)的等熵效率。

當(dāng)壓縮機(jī)壓縮前工質(zhì)存在過熱度時(shí)，壓縮前后的實(shí)際比焓為ha、hb：

式中，Δh表示由工質(zhì)過熱帶來的比焓增量，kJ/kg。

由此得出工質(zhì)實(shí)際壓縮過程中的壓焓變化斜率與系統(tǒng)液擊斜率為：

式中，kt為工質(zhì)壓縮過程中的壓焓變化斜率，kJ–1·(kg·kPa)。

無過熱度工質(zhì)和存在過熱度工質(zhì)壓焓示意如圖2所示。

圖2 壓焓示意Fig.2 Schematic diagram of pressure enthalpy

由圖2可見：當(dāng)壓縮機(jī)吸入工質(zhì)無過熱度時(shí)，只有kt≤klp，系統(tǒng)循環(huán)工質(zhì)在壓縮工程中不產(chǎn)生液擊；當(dāng)壓縮機(jī)吸入工質(zhì)存在因?yàn)楣べ|(zhì)過熱帶來的比焓增量時(shí)，系統(tǒng)液擊斜率klp相對(duì)于工質(zhì)無過熱時(shí)有明顯增大，允許工質(zhì)壓縮變化斜率的范圍變大。

綜上，當(dāng)比焓增量Δh一定時(shí)，kt≤klp是滿足系統(tǒng)循環(huán)工質(zhì)在壓縮過程中不產(chǎn)生液擊的充分條件。因此，在滿足作業(yè)需求、工質(zhì)臨界物性需求的前提下，工質(zhì)的液擊斜率越大，同等環(huán)境下所需要的吸氣過熱度越小，所適用壓縮機(jī)的等熵效率范圍越大。但是，當(dāng)kt＞klp時(shí)，則需要通過增加工質(zhì)的吸氣過熱度來避免壓縮機(jī)出現(xiàn)液擊現(xiàn)象，在系統(tǒng)中設(shè)置中間回?zé)崞骺梢暂^好地實(shí)現(xiàn)這一目的。

2 具有回?zé)崽匦缘男滦蜔岜孟到y(tǒng)模型建立

基于工質(zhì)液擊斜率，分析傳統(tǒng)具有兩級(jí)節(jié)流特性的兩級(jí)壓縮熱泵系統(tǒng)的熱力學(xué)性能。圖3為完全冷卻式兩級(jí)節(jié)流兩級(jí)壓縮系統(tǒng)及不完全冷卻式兩級(jí)節(jié)流兩級(jí)壓縮系統(tǒng)[13]模型示意。

圖3 傳統(tǒng)兩級(jí)節(jié)流兩級(jí)壓縮熱泵系統(tǒng)模型Fig.3 The conventional two-stage throttling two-stage compression heat pump system model

2.1 傳統(tǒng)兩級(jí)壓縮熱泵系統(tǒng)的壓焓變化斜率分析

根據(jù)上述熱泵系統(tǒng)的循環(huán)結(jié)構(gòu)，令冷凝溫度為393.15 K、蒸發(fā)溫度為328.15 K，壓縮機(jī)的等熵效率定為0.72，當(dāng)中間閃發(fā)溫度取在343.15~392.15 K范圍內(nèi)，采用工質(zhì)R236ea進(jìn)行循環(huán)作業(yè)，計(jì)算圖3a)系統(tǒng)中壓縮機(jī)的排氣溫度及系統(tǒng)的壓焓變化斜率，結(jié)果如圖4所示。由圖4可見：工質(zhì)R236ea的液擊斜率為54.140，系統(tǒng)壓焓變化斜率隨著中間閃發(fā)器溫度的提升先減小后增大；二級(jí)壓縮機(jī)的排氣溫度隨著中間閃發(fā)器溫度的增加也呈先上升后下降的趨勢(shì)，但是當(dāng)系統(tǒng)的壓焓變化斜率大于54.140后，壓縮機(jī)的排氣溫度恒定為393.15 K，意味著此時(shí)壓縮機(jī)排出的工質(zhì)呈氣液兩相態(tài)，即壓縮過程中將會(huì)出現(xiàn)液擊現(xiàn)象。

圖4 完全冷卻型系統(tǒng)壓焓變化斜率Fig.4 The change slope of pressure and enthalpy of complete cooling system

對(duì)圖3b)系統(tǒng)進(jìn)行相同環(huán)境下的計(jì)算，得出傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)下的不完全冷卻型系統(tǒng)的壓焓變化斜率如圖5所示。由圖5可以看出：在不完全冷卻型系統(tǒng)中，系統(tǒng)的壓焓變化斜率隨著中間閃發(fā)器溫度升高呈先下降后增長的趨勢(shì)；但由于壓焓變化斜率的數(shù)值均高于工質(zhì)R236ea的液擊斜率54.14，因此壓縮機(jī)的排氣溫度始終處于393.15 K，即工質(zhì)壓縮過程均產(chǎn)生液擊現(xiàn)象。

圖5 不完全冷卻型系統(tǒng)壓焓變化斜率Fig.5 The change slope of pressure and enthalpy of incomplete cooling system

2.2 新型雙級(jí)壓縮熱泵系統(tǒng)的模型特性

中間回?zé)崞髟缙趹?yīng)用于制冷系統(tǒng)中，通過回?zé)崞鳠峤粨Q作業(yè)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中熱量轉(zhuǎn)移，使系統(tǒng)具有吸氣過熱及增加制冷量等優(yōu)勢(shì)[14-16]。結(jié)合上述傳統(tǒng)兩級(jí)壓縮熱泵系統(tǒng)壓焓變化斜率較低所帶來的問題，將系統(tǒng)中加入中間回?zé)崞?，來分析中間回?zé)崞鲗?duì)熱泵系統(tǒng)熱力學(xué)性能的影響。

根據(jù)上述兩級(jí)壓縮循環(huán)具有較大壓比以及兩級(jí)壓縮等特性，在新型系統(tǒng)中設(shè)置2個(gè)中間回?zé)崞鱽頋M足較大的回?zé)崃啃枨蟆⑾到y(tǒng)是否完全冷卻以中間回?zé)崞鞯幕責(zé)狳c(diǎn)位置作為研究對(duì)象，對(duì)新型熱泵系統(tǒng)進(jìn)行分析，模型結(jié)構(gòu)如圖6所示。新型熱泵系統(tǒng)采用新型雙級(jí)回?zé)?，指在雙級(jí)壓縮中，由于兩級(jí)壓縮腔相對(duì)獨(dú)立，回?zé)崞骺煞謩e安置在2個(gè)壓縮機(jī)前端進(jìn)行作業(yè)。

圖6 基于回?zé)崽匦缘男滦蛢杉?jí)壓縮式熱泵系統(tǒng)Fig.6 The new two-stage compression heat pump systems with regenerative characteristics

2.3 新型雙級(jí)壓縮熱泵系統(tǒng)的模型計(jì)算

為對(duì)比新型系統(tǒng)的熱力學(xué)性能與傳統(tǒng)雙級(jí)壓縮熱泵系統(tǒng)的差異，需要對(duì)新型熱泵系統(tǒng)的熱力學(xué)性能參數(shù)進(jìn)行計(jì)算并分析。為了方便計(jì)算，先對(duì)上述系統(tǒng)進(jìn)行如下假設(shè)[17-18]：1）分析系統(tǒng)的熱量傳遞過程中，忽略系統(tǒng)自身與外界的熱量交換；2）假定工質(zhì)在蒸發(fā)器及冷凝器等熱交換器作業(yè)中沒有能量損失；3）為對(duì)比傳統(tǒng)系統(tǒng)的壓焓變化斜率，令冷凝溫度為393.15 K，蒸發(fā)溫度為328.15 K，且中間閃發(fā)溫度取在343.15~392.15 K范圍內(nèi)變化；4）假設(shè)回?zé)崞鬟^冷度端的溫度差值始終為5 K，且回?zé)崞鲹Q熱過程忽略熱量損失；5）壓縮機(jī)等熵效率恒定為0.72；6）假定閃發(fā)器中的補(bǔ)氣工質(zhì)為純氣態(tài)，不攜帶液相工質(zhì)；7）假設(shè)熱泵子系統(tǒng)中擁有精準(zhǔn)且穩(wěn)定的控制系統(tǒng)，可控制閃發(fā)壓力使系統(tǒng)CCOP穩(wěn)定保持最優(yōu)化；8）系統(tǒng)內(nèi)任一節(jié)流方式均為等焓節(jié)流。

根據(jù)上述假設(shè)，建立具有回?zé)崽匦缘碾p級(jí)壓縮熱泵系統(tǒng)的熱力學(xué)模型，并根據(jù)熱泵作業(yè)要求設(shè)定冷凝溫度Tcond與蒸發(fā)溫度Teva，得出工質(zhì)冷凝液態(tài)與蒸發(fā)氣態(tài)的飽和狀態(tài)：

式中：h表示工質(zhì)比焓，kJ/kg；s表示工質(zhì)比熵，kJ/(kg·K)；p表示工質(zhì)壓力，kPa。

根據(jù)假設(shè)條件，回?zé)崞鞯倪^冷度均為5 K，由此2種新型系統(tǒng)在節(jié)點(diǎn)8處的狀態(tài)均為

通過精準(zhǔn)控制閃發(fā)器溫度，可以表示T9趨于343.15~392.15 K范圍內(nèi)，由于節(jié)點(diǎn)8到節(jié)點(diǎn)9為等焓節(jié)流，得到h8=h9。由此得出2種新型系統(tǒng)的中間壓力p9為

2.3.1 新型兩級(jí)回?zé)岵煌耆鋮s系統(tǒng)

新型兩級(jí)回?zé)岵煌耆鋮s系統(tǒng)中，本節(jié)變量下標(biāo)1—13均對(duì)應(yīng)圖6a)中節(jié)點(diǎn)狀態(tài)，由節(jié)點(diǎn)9參數(shù)狀態(tài)計(jì)算閃發(fā)器中飽和氣及飽和液工質(zhì)的狀態(tài)，則節(jié)點(diǎn)10、節(jié)點(diǎn)11表示為：

按照假設(shè)條件，閃發(fā)器中的氣態(tài)工質(zhì)不攜帶液態(tài)工質(zhì)，將氣態(tài)工質(zhì)的氣液比設(shè)為xa/(1–xa)，結(jié)合能量守恒，可得xa的計(jì)算表達(dá)式為

節(jié)點(diǎn)11到節(jié)點(diǎn)12為二級(jí)回?zé)?，根?jù)假設(shè)，回?zé)徇^冷度為5 K，因此T12=T11–5；假定工質(zhì)在管道內(nèi)無壓力損失，則p12=p11=p9，由此可計(jì)算節(jié)點(diǎn)12其余熱力學(xué)參數(shù)為

節(jié)點(diǎn)12到節(jié)點(diǎn)13的過程為等焓節(jié)流，h12=h13，壓力由中間壓力p9降低至工質(zhì)的蒸發(fā)壓力p1，得出節(jié)點(diǎn)13的熱力學(xué)參數(shù)為

節(jié)點(diǎn)1到節(jié)點(diǎn)2為回?zé)崞鞯墓べ|(zhì)過熱階段，根據(jù)回?zé)崞鱾鳠釤o熱能損失假設(shè)，工質(zhì)過熱的比焓增量應(yīng)與工質(zhì)由節(jié)點(diǎn)11到節(jié)點(diǎn)12的比焓減少量相等，由此得到h2的表達(dá)式為

節(jié)點(diǎn)2至節(jié)點(diǎn)3為壓縮機(jī)的壓縮過程，在等熵壓縮下節(jié)點(diǎn)3的比焓h3s可表示為

p3為節(jié)點(diǎn)3壓力，根據(jù)不完全冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，p3=p9。

實(shí)際過程中節(jié)點(diǎn)工質(zhì)的比焓h3可表示為

式中ηs為等熵效率，無量綱。

其中節(jié)點(diǎn)4的工質(zhì)由節(jié)點(diǎn)3與節(jié)點(diǎn)10混合而成，其比焓h4表示為

新型兩級(jí)回?zé)岵煌耆鋮s系統(tǒng)在系統(tǒng)循環(huán)結(jié)構(gòu)中將一級(jí)回?zé)崞鞯倪^熱端放在了二級(jí)壓縮機(jī)的進(jìn)口前，此時(shí)由圖6a)中的節(jié)點(diǎn)4到節(jié)點(diǎn)5的工質(zhì)流量與節(jié)點(diǎn)7到節(jié)點(diǎn)8的工質(zhì)流量一致，因此該結(jié)構(gòu)的以及回?zé)徇^熱端節(jié)點(diǎn)5的比焓表達(dá)式為

與節(jié)點(diǎn)2到節(jié)點(diǎn)3算法一致，節(jié)點(diǎn)6的壓力與節(jié)點(diǎn)7一致，可得到節(jié)點(diǎn)6的熱力學(xué)參數(shù)為：

由此可以計(jì)算系統(tǒng)壓縮機(jī)的比功w，表示單位循環(huán)工質(zhì)作業(yè)時(shí)壓縮機(jī)的做功：

式中ηm為機(jī)械效率，無量綱。

系統(tǒng)的能效系數(shù)CCOP可以表示為

2.3.2 新型兩級(jí)回?zé)嵬耆鋮s系統(tǒng)

本節(jié)變量下標(biāo)1—13均對(duì)應(yīng)圖6b)中節(jié)點(diǎn)狀態(tài)，新型兩級(jí)回?zé)嵬耆鋮s系統(tǒng)在系統(tǒng)作業(yè)穩(wěn)定后，閃發(fā)器的氣液比不但與節(jié)點(diǎn)9有關(guān)，并且與節(jié)點(diǎn)3一級(jí)壓縮機(jī)排出的工質(zhì)比焓有一定關(guān)系。

該系統(tǒng)中，閃發(fā)器的液態(tài)工質(zhì)狀態(tài)即為節(jié)點(diǎn)10的工質(zhì)參數(shù)，工質(zhì)經(jīng)過二級(jí)回?zé)崞鞯倪^冷端，節(jié)點(diǎn)11的溫度T11=T9–5。工質(zhì)由節(jié)點(diǎn)11到節(jié)點(diǎn)12為等焓節(jié)流，且節(jié)點(diǎn)12的工質(zhì)壓力p12=p1、工質(zhì)比焓h12=h11，由此節(jié)點(diǎn)12的其余熱力學(xué)參數(shù)為

節(jié)點(diǎn)1到節(jié)點(diǎn)2為工質(zhì)在回?zé)崞鬟^熱端的過熱過程，根據(jù)熱量守恒，節(jié)點(diǎn)2處工質(zhì)比焓表達(dá)式為

此外，根據(jù)壓縮機(jī)的實(shí)際壓縮過程的比焓計(jì)算，得到節(jié)點(diǎn)3處的工質(zhì)比焓表達(dá)式為

式中，h3表示一級(jí)壓縮機(jī)等熵壓縮時(shí)節(jié)點(diǎn)3的比焓，

kJ/kg。

依據(jù)上述參數(shù)，結(jié)合工質(zhì)的質(zhì)量守恒及能量守恒，可計(jì)算該系統(tǒng)中閃發(fā)器中氣態(tài)工質(zhì)占比xc，表達(dá)式為

節(jié)點(diǎn)4狀態(tài)為閃發(fā)器中工質(zhì)的飽和氣態(tài)，由節(jié)點(diǎn)4到節(jié)點(diǎn)5為一級(jí)回?zé)崞鞯墓べ|(zhì)過熱過程，同樣根據(jù)假設(shè)條件得出節(jié)點(diǎn)5的工質(zhì)比焓：

節(jié)點(diǎn)6的壓力與節(jié)點(diǎn)7一致，可得到節(jié)點(diǎn)6的熱力學(xué)參數(shù)：

系統(tǒng)壓縮機(jī)比功及能效系數(shù)CCOP均參照上述兩級(jí)回?zé)岵煌耆鋮s系統(tǒng)中的計(jì)算過程。

3 新型熱泵系統(tǒng)的綜合性能分析

3.1 壓焓變化斜率及系統(tǒng)液擊分析

通過上述模型，結(jié)合系統(tǒng)的壓焓變化斜率，對(duì)具有回?zé)崽匦缘男滦拖到y(tǒng)進(jìn)行熱力學(xué)分析。與傳統(tǒng)系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比，采用R236ea作為循環(huán)工質(zhì)進(jìn)行計(jì)算，得出系統(tǒng)壓焓變化斜率及排氣溫度如圖7所示。由圖7可以看出：新型系統(tǒng)的壓焓變化斜率均低于工質(zhì)R236ea的液擊斜率（54.140）；中間閃發(fā)器溫度在343.15~392.15 K區(qū)間內(nèi)，排氣工質(zhì)均過熱，即不發(fā)生壓縮機(jī)液擊；從趨勢(shì)上看，系統(tǒng)的排氣溫度與壓焓變化斜率幾乎趨于一致，在相同環(huán)境作業(yè)下新型不完全冷卻系統(tǒng)與新型完全冷卻系統(tǒng)相比，不完全冷卻系統(tǒng)的排氣過熱度較低，同時(shí)其壓焓變化斜率也較低，出于工質(zhì)排氣過熱度來看，不完全冷卻系統(tǒng)更具有實(shí)用優(yōu)勢(shì)。

圖7 系統(tǒng)液擊性能對(duì)比Fig.7 Comparison of liquid hammer performance between different systems

3.2 CCOP及系統(tǒng)過熱對(duì)比分析

具有中間閃發(fā)器的熱泵系統(tǒng)隨著中間閃發(fā)溫度的變化具有最優(yōu)的系統(tǒng)CCOP，結(jié)合系統(tǒng)得到的工質(zhì)排氣過熱度進(jìn)一步進(jìn)行相關(guān)計(jì)算，得出新型系統(tǒng)的系統(tǒng)CCOP變化如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)CCOP及過熱度分析Fig.8 The CCOP and superheat analysis for the systems

由圖8可以看出，新型系統(tǒng)最優(yōu)CCOP所對(duì)應(yīng)的中間閃發(fā)器溫度不同。假定系統(tǒng)可以做到精準(zhǔn)控制中間溫度，則傳統(tǒng)不完全冷卻系統(tǒng)的最優(yōu)CCOP為3.382，傳統(tǒng)完全冷卻系統(tǒng)的最佳CCOP為3.388，新型不完全冷卻系統(tǒng)的最優(yōu)CCOP為3.520。在該狀態(tài)下系統(tǒng)循環(huán)工質(zhì)的排氣過熱度為7.60 K，新型完全冷卻系統(tǒng)中的最優(yōu)CCOP為3.487，系統(tǒng)循環(huán)工質(zhì)的排氣過熱度為5.68 K。綜上，新型系統(tǒng)的最優(yōu)CCOP相對(duì)于傳統(tǒng)系統(tǒng)CCOP均有所提高，且新型完全冷卻系統(tǒng)相較新型不完全冷卻系統(tǒng)，其CCOP僅降低0.9%，而對(duì)應(yīng)的工質(zhì)排氣過熱度卻降低了25.3%。因此，同等環(huán)境作業(yè)下，新型完全冷卻系統(tǒng)的綜合熱力學(xué)性能遠(yuǎn)優(yōu)于新型不完全冷卻系統(tǒng)。

3.3 新型系統(tǒng)所需壓縮容積及經(jīng)濟(jì)性分析

除了考慮系統(tǒng)的熱力學(xué)性能，還要考慮系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。系統(tǒng)中壓縮機(jī)通過額定的吸氣量來保障正常的壓縮作業(yè)，工質(zhì)在壓縮機(jī)吸氣前的體積流量越大，壓縮機(jī)所對(duì)應(yīng)的體積越大、功率越高，導(dǎo)致系統(tǒng)的占地面積大、作業(yè)成本高。為此，計(jì)算單位質(zhì)量流量工質(zhì)作業(yè)下兩級(jí)壓縮機(jī)的所需容積變化，結(jié)合系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)一步判定系統(tǒng)的優(yōu)劣，如上述描述環(huán)境，新型系統(tǒng)中壓縮機(jī)的所需容積如圖9所示。

圖9 系統(tǒng)兩級(jí)壓縮機(jī)所需容積Fig.9 The required volume of two-stage compressor in the systems

圖9 中，左側(cè)y坐標(biāo)表示單位質(zhì)量流量循環(huán)工質(zhì)作業(yè)下一級(jí)壓縮機(jī)的所需容積變化，右側(cè)y坐標(biāo)表示單位質(zhì)量流量循環(huán)工質(zhì)作業(yè)下二級(jí)壓縮機(jī)的所需容積變化。從趨勢(shì)上來看，單位質(zhì)量流量循環(huán)工質(zhì)作業(yè)下，新型系統(tǒng)二級(jí)壓縮機(jī)的所需容積數(shù)值及變化幾乎趨于一致，但系統(tǒng)一級(jí)壓縮機(jī)的所需容積差異較為顯著。二級(jí)壓縮機(jī)的所需容積差異主要是由二級(jí)壓縮機(jī)吸氣溫度的變化所導(dǎo)致；一級(jí)壓縮機(jī)的所需容積差異主要是由新型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不同導(dǎo)致循環(huán)工質(zhì)進(jìn)入中間閃發(fā)器的氣液比不同。

根據(jù)上述參數(shù)，新型系統(tǒng)在單位質(zhì)量流量循環(huán)工質(zhì)作業(yè)下壓縮機(jī)總的所需容積變化如圖10所示。由圖10可以看出，在同等環(huán)境作業(yè)下，新型完全冷卻系統(tǒng)中壓縮機(jī)的總所需容積數(shù)值最小，數(shù)值為0.031 7 m3，對(duì)比新型系統(tǒng)2單位質(zhì)量流量的循環(huán)工質(zhì)作業(yè)下可節(jié)省壓縮機(jī)容積的3.22%，因此新型完全冷卻系統(tǒng)具有較好的經(jīng)濟(jì)性。

圖10 系統(tǒng)壓縮機(jī)總所需容積Fig.10 The total required volume of compressors in the systems

綜上所述，新型兩級(jí)回?zé)嵬耆鋮s系統(tǒng)在大壓比、高冷凝溫度的作業(yè)環(huán)境下具有較好的綜合性能，在保障壓縮機(jī)不發(fā)生液擊現(xiàn)象的前提下排氣過熱度較低，其CCOP較傳統(tǒng)完全冷卻系統(tǒng)提高2.93%。

4 結(jié) 論

1）采用工質(zhì)液擊斜率、系統(tǒng)壓焓變化斜率作對(duì)比，判斷所設(shè)計(jì)系統(tǒng)在作業(yè)過程中是否產(chǎn)生液擊現(xiàn)象，采用傳統(tǒng)完全冷卻兩級(jí)壓縮系統(tǒng)及不完全冷卻兩級(jí)壓縮系統(tǒng)進(jìn)行判別，驗(yàn)證了該參數(shù)的有效性。

2）通過采用中間回?zé)崞鞲淖兿到y(tǒng)的壓焓變化斜率來避免大壓比下傳統(tǒng)雙級(jí)壓縮系統(tǒng)出現(xiàn)的液擊現(xiàn)象，構(gòu)造出兩級(jí)回?zé)岵煌耆鋮s系統(tǒng)及兩級(jí)回?zé)嵬耆鋮s系統(tǒng)2種具備回?zé)崽匦缘男滦蜔岜孟到y(tǒng)。

3）在工作介質(zhì)為R236ea，工作溫差為65 K、冷凝溫度為393.15 K的作業(yè)條件下，新型系統(tǒng)均不會(huì)產(chǎn)生液擊現(xiàn)象，其中新型兩級(jí)回?zé)岵煌耆鋮s系統(tǒng)的最優(yōu)CCOP可達(dá)到3.520，在新型系統(tǒng)中最高；新型兩級(jí)回?zé)嵬耆鋮s系統(tǒng)的最優(yōu)CCOP為3.487，僅比前者低了0.9%，比傳統(tǒng)完全冷卻系統(tǒng)高出2.93%。此外，相同作業(yè)條件下新型兩級(jí)回?zé)嵬耆鋮s系統(tǒng)的排氣過熱度相較新型兩級(jí)回?zé)岵煌耆鋮s系統(tǒng)降低了25.3%，有效提升了壓縮機(jī)的使用壽命。

4）考慮經(jīng)濟(jì)性因素，計(jì)算單位質(zhì)量流量的循環(huán)工質(zhì)作業(yè)下，新型兩級(jí)回?zé)嵬耆鋮s系統(tǒng)中壓縮機(jī)的總所需容積相較新型兩級(jí)回?zé)岵煌耆鋮s系統(tǒng)節(jié)省了3.22%，不僅節(jié)省了壓縮機(jī)的占地面積、材料成本，同時(shí)降低了壓縮機(jī)的作業(yè)能耗。