一种新型空气源高温热泵，温度达100℃

    

       本期，我们将针对高温热泵系统中应用内部自复叠技术和喷射器进行研究分析，提出一种供热温度在８０~１００°Ｃ的新型空气源髙温热泵循环，其采用Ｒ２９０／Ｒ６００ａ非共沸混合工质，我们将针对该热泵循环，建立了热力学计算模型，分析其冷凝温度、蒸发温度、内部换热器换热温差等参数对系统性能及喷射器性能的影响情况，并与传统热泵循环进行了对比。

1、 新型高温热泵循环介绍    

   

传统单级压缩热泵系统（ＣＨＰ）包括串联的四个部件：压缩机、膨胀阀、蒸发器和冷凝器？新型空气源高温热泵循环（ＥＩＨＰ）的流程图和相应压焓图如图１所示。如图１（ａ）所示，在ＥＩＨＰ系统中，采用了一个气液分离器（ＳＰ）和一个复叠换热器（ＣＨＸ）以实现内部自复叠技术，提高蒸发器中Ｒ２９０的含量，从而提高系统蒸发压力，同时采用了喷射器（ＥＪ）来进一步提高压缩机的吸气压力。整个循环的流程描述如下：高压制冷剂蒸汽经冷凝器完全冷凝后经过膨胀阀１（ＥＶ１）膨胀成为两相流体（２－３－４）；该两相流体进入气液分离器（ＳＰ）实现气液分离（４－４ｖ，４１）；

一方面，Ｒ２９０含量较高的气相制冷剂经复叠换热器（ＣＨＸ）和内部换热器（ＩＨＸ）冷凝并过冷，过冷后的制冷剂经膨胀阀３（ＥＶ３）节流后进入蒸发器，蒸发后的饱和制冷剂蒸汽作为被引射流体进入喷射器（４ｖ－７－８－９－１０）；

另一方面，Ｒ６００ａ含量较高的液相制冷剂经膨胀阀２（ＥＶ２）节流后进入ＣＨＸ部分蒸发，蒸发后的两相流体作为工作流体进入喷射器（４１－５－６）；两股流体在喷射器中混合升压后进入ＩＨＸ完全蒸发，蒸发后的饱和制冷剂蒸汽进入压缩机被压缩（６，１０－１１－１－２）。

 

2、 热力学模型    

   

根据能量守恒、质量守恒以及动量守恒建立ＥＩＨＰ循环的计算模型，喷射器采用等压混合模型。

  为简化计算，作出以下几点假设：  

１）喷射器内部的膨胀、混合、扩压过程均为绝热过程；

２）忽略流体进入及离开喷射器时的速度；

３）喷射器的喷射效率、混合效率和扩压效率均根据实验结果确定为定值；

４）忽略循环中的制冷剂压降及部件漏热；

５）压缩机等熵效率由压缩机压比确定，引入了其经验关联式；

６）复叠换热器的冷端换热温差设定为５Ｋ；

７）以冷凝器出口制冷剂质量流速为1kg.s ^-1 为计算基准；

基于以上假设，可以得的以下方程，用以计算循环相关性能。

  喷射器的引射比定义为：  

 

其中，ｇ _ｖ 是系统的容积制热量，V _１ 是压缩机进口制冷剂比容。

基于上述方程，即可建立ＥＩＨＰ循环的性能计算模型，其流程图如图２所示。模型采用Ｆｏｒｔｒａｎ语言进行编程计算，制冷剂物性根据ＮＩＳＴ物性数据库确定％］。喷射器的效率根据实验结果确定为：η _n =η _d =0.8；η _m =0.85

以下将根据计算结果对ＥＩＨＰ系统的性能表现作详细分析。

 

3、 计算结果及分析    

   

图３展示了冷凝器出口温度为１００°Ｃ，工质中Ｒ６００ａ质量含量ｚ为６５％时，蒸发器出口温度t _eo 。对循环相关性能参数的影响情况。

如图３⑷所示，当蒸发温度升高时，两种循环的ＣＯＰ均呈上升趋势，这是由于蒸发温度的上升导致压缩机压比下降，压缩机耗功减少。３蒸发温度从２５°Ｃ降低到－１０°Ｃ时，相较于ＣＨＰ循环，ＥＩＨＰ循环的ＣＯＰ提升了１５％到２７％。 这主要是由于在ＥＨＩＰ循环中，采用了内部自复叠技术和喷射器，大幅降低了压缩机压比。

图３（ｂ）展示了t _eo 。对压缩机压比７和系统容积制热量的影响情况，可以看出，相较：ＦＣＨＰ循环，ＥＩＨＰ循环的压缩机压比较低，且容积制热童较高在ＥＩＨＰ循环中，内部自复叠技术的应用可以有效提高系统蒸发压力，而采用喷射器可以进一步提升压缩机吸气压力，即压缩机进口制冷剂比容会下降，从而提高了ＥＩＨＰ的容积制热量。 当teo从２５°Ｃ降低到－10°Ｃ时，相较于ＣＨＰ循环，ＥＩＨＰ循环的压缩机压比降低了２０％~４６％，容积制热量提高了２２％~５１％。

 

图４展示了t _eo ＝０ ^。 ，z＝６５％时，冷凝器出温度t _eo 对循环及喷射器相关性能参数的影响情况。如图４（ａ）所示，随t _eo 上升，两个循环的ＣＯＰ均呈下降趋势，压比呈上升趋势。当从80℃上升到１００°Ｃ时，相较于ＣＨＰ循环，ＥＩＨＰ循环的ＣＯＰ上升了１０％~２３％，压缩机压比下降了１８％~３７％，实际上，在ＥＩＨＰ循环中，冷凝温度的变化会直接影响喷射器工作流体的压力，从而影响其性能表现。

图４（ｂ）展示了喷射器引射比和升压比随心。 的变化情况，可以看出，喷射器的升压比随t _eo 的增加而降低。这主要是由于两方面原因，一方面，冷凝压力的上升会提高喷射器工作流体的压力，从而提升升压比；另一方面，由于内部换热器ＩＨＸ的冷端换热温差给定，根据能试和质量守恒，t _eo 的上升会使引射比降低，从而提高喷射器升压比。因此，冷凝器出口温度越高，ＥＩＨＰ循环的性能提升幅度越大。

 

图５展示了工质中Ｒ６００ａ质量含量Ｚ对循环相关参数的影响情况。如图５（ａ）所示，随ｚ的增加，两个循环的ＣＯＰ呈上升趋势，容积制热量呈下降趋势。这是由于相较于Ｒ２９０，Ｒ６００ａ是一种高温工质，其ＣＯＰ在高温工况时较高，但容积制热量降低。从图５（ｂ）可以看出，随２的增加，两个循环的压缩机压比上升，而压缩机排气温度下降。 即，Ｒ６００ａ含量的增加对循环ＣＯＰ和压缩机排气温度有益，但对容积制热量和压缩机压比不利，因此，在设计实际系统时，需对z进行综合考虑。

 

 

图６展示了内部换热器ＩＨＸ冷端换热温差△t8,11对ＥＩＨＰ循环ＣＯＰ及压缩机压比的影响情况。可以看出，随△t8,11的增加，循环ＣＯＰ下降，压缩机压比上升。这是由于当△t8,11上升时，ＩＨＸ的换热量下降，根据能量和质量守恒，气液分离器中的制冷剂干度増大，从而导致一次节流后制冷剂压力的降低，一方面使得喷射器工作流体的压力下降，另一方面导致引射比上升，进而导致喷射器升压比下降。而喷射器升压比的下降会直接对循环ＣＯＰ和压缩机压比产生不利影响。因此，在实际系统设计中，增加ＩＨＸ的换热面积可以有效提升系统性能。

 

4、结论    

   

本文提出了一种供热温度为８０~１００°Ｃ的新型空气源高温热泵循环（ＥＩＨＰ），该循环采用非共沸混合工质Ｒ２９０／Ｒ６００ａ，应用内部自复叠技术提升蒸发压力，并利用喷射器进一步提升压缩机吸气压力，从而改善循环性能。针对ＥＩＨＰ循环建立了相应的热力学计算模型，根据计算结果与传统热泵循环（ＣＨＰ）进行了对比研究。 计算表明，当冷凝器出口温度为100°Ｃ，蒸发器出口温度从２５°Ｃ下降到-１０°Ｃ时，相较于ＣＨＰ循环，ＥＩＨＰ循环的ＣＯＰ提高了１５％~２７％，压缩机压比降低了２０％~４６％，容积制热量提高了２２％~５１％。由于喷射器自身的工作特性，冷凝器出口温度越高，ＥＩＨＰ循环的性能提升越显著。

此外，本文还研究了工质中Ｒ６００ａ质量配比、内部换热器冷端换热温差等参数对循环及喷射器性能的影响情况。综上所述，相较于ＣＨＰ循环，ＥＩＨＰ循环的ＣＯＰ、压缩机压比和容积制热量等性能均有明显改善。

 

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