1、第3 2 卷第3 期南京工业大学学报( 自然科学版)V 0 1 3 2N o 32 0 1 0 年5 月J O U R N A LO FN A N J I N GU N I V E R S I T YO FT E C H N O I 。O G Y ( N a t u r a lS c i e n c eE d i t i o n )M a y2 0 1 0d o i ：1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 6 7 1 7 6 2 7 2 0 1 0 0 3 0 1 8双级压缩空气源热泵热水器系统模拟汤新敏，金苏敏，谢淑萍，程文洁( 南京工业大学能源学院，江苏南京2 1 0 0 0 9
2、 )摘要：为研究双级空气源热泵热水器运行参数对其性能的影响，缩短机组的开发周期，采用稳态仿真的方法对双级压缩热泵系统进行仿真模拟，建立各部件模型，并对中间冷却器建立模型，采用R 1 3 4 a 制冷剂，低压和高压级压缩机为活塞式压缩机，活塞排量分剐为3 2 7 和1 8 3c m 3 蒸发器选择一般的翅片管式换热器结果表明：系统性能系数( C O P ) 随冷凝压力和中间压力的增大而减小，随蒸发温度增大而增大；系统耗功则随中间压力增大而增大通过建立试验台，收集试验数据与仿真结果进行比较，仿真结果能良好地反映系统运行中的参数变化，其误差范围在1 0 以内关键词：热泵；双级压缩；模拟；稳态模型中图
3、分类号：T K l l 4文献标志码：A文章编号：1 6 7 1 7 6 2 7 ( 2 0 1 0 ) 0 3 0 0 8 8 0 6S i m u l a t i o no fa i r s o u r c eh e a tp u m pw a t e rh e a t e rs y s t e mw i t ht w o - s t a g ec o m p r e s s i o nc y c l eT A N GX i n m i n ，J I NS u m i n ，X I ES h u p i n g ，C H E N GW e n - j i e( C o l l e g eo
4、 fE n e r g y ，N a n j i n gU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y ，N a n j i n g2 1 0 0 0 9 ，C h i n a )A b s t r a c t ：T os t u d yt h ei m p a c to fo p e r a t i n gp a r a m e t e r so ft w o - - s t a g ea i r s o u r c eh e a tp u m pw a t e rh e a t e ro ni t sp e r f o r m a n c ea n ds
5、 h o r t e nt h ed e v e l o p m e n tc y c l eu n i t ，as y s t e mm o d e lo ft h et w o - s t a g ec o m p r e s s i o nh e a tp u m pw a t e rh e a t e rw a sb u i l tb yt h es t e a d y s t a t es i m u l a t i o nm e t h o d ，a n dt h em o d e lo fm i d d l ec h i l l e rW a sa l s ob u i l t
6、U s i n gR 1 3 4 ar e f r i g e r a n t ，3 2 7c m 3t h ef o rt h el o wp r e s s u r es t a g ea n d18 3c m 3f o rt h eh i g hp r e s s u r es t a g eo u t p u tv o l u m e sp i s t o nc o m p r e s s o r ，a n df i n n e d t u b eh e a te x c h a n g e ra st h ee v a p o r a t o r S y s -t e r nC O
7、Pd e c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s eo fc o n d e n s a t i o np r e s s u r ea n di n t e r m e d i a t ep r e s s u r e ，a n di n c r e a s e dw i t ht h ee v a p o r a t i o nt e m p e r a t u r ei n c r e a s e T h es y s t e mp o w e rc o n s u m p t i o ni n c r e a s e dw i t ht h ei
8、n c r e a s eo fi n t e r m e d i a t ep r e s s u r e B yb u i l d i n gt h et e s tp l a t f o r m ，c o l l e c t i n gt e s td a t aw e r ec o m p a r e dw i t ht h es i m u l a -t i o nr e s u l t s T h es i m u l a t i o nr e s u l tr e f l e c t e dt h ep a r a m e t e rv a r i a t i o no fs y
9、 s t e mo p e r a t i o nw e l la n di t se r r o rr a n g eW a sl e s st h a n1 0 K e yw o r d s ：h e a t p u m p ；t w o s t a g ec o m p r e s s i o n ；s i m u l a t i o n ；s t e a d y - s t a t em o d e l随着当今世界节能与环保问题的日益凸显，空气源热泵以其独特优点成为热泵诸多形式中应用最广泛的一种，它能从空气中汲取低品位太阳潜能，具有效率高、使用方便、投资小、安装维修方便及对周围环境影响
10、小的优点- 2 但是长期以来的理论和实践均表明：空气源热泵系统的应用受到气候条件的约束，它在我国长江中下游、华南及西南等地区应用较好，可随着室外气温的不断下降，室内采暖热负收稿日期：2 0 0 9 1 0 2 7作者简介：汤新敏( 1 9 8 2 一) ，男，江苏宜兴人，硕士，主要研究方向为空调与热泵技术；金苏敏( 联系人) ，教授，E - m a i l ：s m j i n n j u t e d u c n 万方数据第3 期汤新敏等：双级压缩空气源热泵热水器系统模拟8 9荷会不断增加，同时传统空气源热泵将会产生下列问题p “J ：1 ) 随着室外气温的降低，制冷剂吸气比容增大，机组吸气量
11、迅速下降，从而减少热泵系统的制热量，不能满足室内最大采暖热负荷；2 ) 由于压缩机压缩比的不断增加，压缩机的排气温度迅速升高在较低的室外温度下，压缩机会因防止过热而自动停机保护，这使得热泵只能在不太低的室外气温下运行；3 ) 由于压缩机压力比的增大，系统的性能系数( c o p ) 急剧下降这些低温不适应性问题使传统的单级空气源热泵系统难以推广到黄河流域、华北、西北等地区，因为设备无法在冬季正常工作这也推动了研究人员在热泵系统方面的改进研究根据空气源热泵系统在低温环境下制取较高温度的生活热水，压缩比过大，普通单级压缩循环系统难以保持较高制热量，甚至可能会因为恶劣的运行状况导致系统运行故障p 6
12、J 因此，小型的热泵系统选择双级压缩循环，低压和高压级压缩机分别承担合适的压比，通过合理的设置匹配，使双级压缩系统达到较高的制热系数本文主要研究双级空气源热泵热水器运行参数对其性能的影响，采用稳态仿真的方法对双级压缩热泵系统进行仿真模拟，并对中间冷却器建立模型1 双级压缩空气源热泵系统从双级压缩空气源热泵热水器系统在低温环境下制取较高温度的生活热水来考虑，保证制热量和制热效率是主要的问题双级压缩空气源热泵试验系统见图1 1 低压机进气口；2 低压机排气口；3 一高压机进气口；4 一高压机排气口；5 一冷凝器出口；6 一膨胀阀进口；7 一中间冷凝器出口；8 一蒸发器进口图1 系统结构F i g
13、1S y s t e ms t r u c t u r e由图1 可知，相对于一级节流，两级节流减少了节流过程的不可逆损失，制热效率相对要高，2 种两级节流循环中的中间不完全冷却方式较之中间完全冷却方式的制热效率高，回油情况也要好于完全冷却方式，另外，保证系统串联接装的各组件合理匹配，且小型系统管路压降小，工质流速大，较级节流方式，两级节流回油问题不大，所以最终选择两级节流中间不完全冷却循环方式哺】2 双级压缩空气源热泵机组稳态仿真模型2 1 压缩机模型本课题试验台为小型双级压缩热泵热水器系统，采用R 1 3 4 a 制冷剂，选用2 台小型全封闭活塞式压缩机为简化仿真计算，忽略制冷剂蒸汽在气缸
14、进、排气管道中温度、密度、比容的不均匀性，以及缸内工质热力参数的不均匀性模型采用( 经验公式建立了以蒸发温度、冷凝温度、压缩机单程排量及转速为输入参数，压缩机制冷量、功耗、排气温度为输出参数的小型全封闭活塞式双级压缩机稳态数学模型 o 压缩机数学模型如下2 1 1高低压级压缩机建立数学模型首先对图1 所示的高压级压缩机和低压级压缩机建立数学模型1 ) 压缩机的质量流量万方数据南京工业大学学报( 自然科学版)第3 2 卷m e = 尝( 1 )式中：m ，为压缩机质量流量，k s s ；v 。为吸气口制冷剂气体比容，m 3 k g ；K 为理论容积输气量，m 3 s ；A为输气系数2 ) 压缩机
15、的功率P = v m 。音者吲“一】( 2 )式中：P 为实际电机功率，W ；p 。为压缩机吸气压力，P a ；p 。为压缩机排气压力，P a ；m 为压缩过程多变指数；叼为电效率3 ) 压缩机排气温度幻= 屯f 丛1 ( 3 )、P 8 式中：幻为压缩机排气温度，o C ；t 。为压缩机吸气温度，；尼为压缩过程绝热指数；p 。为压缩机吸气压力，P a ；p d 为压缩机排气压力，P a 2 1 2 高压压缩机进气口3 点模型高压压缩机进气口前蒸气是由低压级压缩机排气口和中间冷凝器的出口饱和制冷剂气体2 部分混合组成能量平衡m 3 h 3 = m 7 h 7 + m 2 h 2( 4 )式中：
16、2 、3 、7 分别对应图1 中低压机排气口制冷剂、高压机进气口制冷剂和中间冷凝器出口制冷剂蒸气的状态；m 为制冷剂质量流量，k s s ；h 为制冷剂焓值，J k g 2 1 3 中间冷却器模型视中间冷却器中为绝热蒸发过程满足质量平衡方程m ，= m 。+ m ，( 5 )能量平衡方程( 以一h 6 ) = 叻( 7 一鬼) ( 6 )式中：5 、6 、7 分别对应于中间冷却器相接的冷凝器出口制冷剂、膨胀阀人口制冷剂和将蒸发的饱和制冷剂蒸气的状态2 2 冷凝器模型对采用R 1 3 4 a 制冷剂的钎焊板式冷凝器建立分区集中参数稳态模型，结构如图2 所示即将冷凝器分为3 个区：过热区、两相区和
17、过冷区，分段计算各区的换热系数与换热量冷凝器两侧的流体流动图如图3 所示为简化模型作如下假设哺】：1 ) 冷凝器板间流体的流动为一维均相流，且不考虑压降；2 ) 只考虑沿径向导热，忽略平板其他方向的导热板壁热阻忽略不计；3 ) 各流道内的流速以及传热系数为定值图2 板式冷凝器结构F i g 3S t r u c t u r eo fp l a t ec o n d e n s e r图3 板换器内部流体流动r i g 3I n n e rf l u i df l o wo fp l a t ee x c h a n g e r2 2 1 制冷剂侧模型冷凝器模型如下过热区Q h = m ，( h
18、r i h 。) =，K A h A t 。，l = 甄A 孚f m 1 ( 7 )U式中：Q 。为过热区流体换热量，W ；m ，为制冷剂质量流量，k s s ；h “为冷凝器进口制冷剂焓值，J k g ；h 。为饱和气体焓值，J k g ；K 。为换热系数；A 。为过热区换热面积，m 2 ；A t 。为过热区对数平均温差，o C ；“为过热区板片长度，m ；为整个板片的长度，m ，两相区Q l = m ，y = K A 。A t 。- 2 = K A 手& 。2 ( 8 )式中：Q t 为两相区流体换热量，w ；7 为制冷剂潜热，J k g ；K 为换热系数；A 。为两相区换热面积，m 2
19、；A t 。2为两相区对数平均温差，；Z 。为两相区板片长度，m 过冷区Q 。= m ，( h 。1 一h 。) =ZK c A 。A t 。，3 = K 。A 手t 。，3 ( 9 )万方数据第3 期汤新敏等：双级压缩空气源热泵热水器系统模拟9 1式中：Q 。为过冷区流体换热量，W ；m ，为制冷剂质量流量，k g s ；h 毗。为饱和液体焓值，J k g ； 。为冷凝器出口制冷剂焓值，J k g ；K 。为换热系数；A 。为过冷区换热面积，m 2 ；A t 。3 为过冷区对数平均温差，；f 。为过冷区板片长度，1 1 1 2 2 2 冷却水侧模型( 水侧无相变)换热量Q 。= m 。c 。
20、( t 。一t 。i )( 1 0 )式中：Q 。为冷却水换热量，W ；m 。为冷却水的质量流量，k g s ；c 。为冷却水的比热，J ( 蝇K ) ；t ”为制冷剂出口温度，；“为制冷剂进口温度，Q = K h F A t( 1 1 )式中：Q 为换热量，W ；F 为换热面积，m 2 ；A t 为对数平均温差，；换热系数瓦2 衫靠对于不同相区的换热关联式分别由以下公式计算： h h = 0 0 2 3 R e n8 p r o 4( 1 2 )N g 。- o 0 4 1 3 ( 鲁) 0 8 6 4 胪3 眄0 5 5 ( 1 3 )舷，= 0 0 3 6 R e n 硒s p r o
21、3 3( 1 4 )式中：a 。为过热区制冷剂换热系数；a 。为冷却水的换热系数；N u N u 。、N u 。分别为过热区、两相区和过冷区的努谢尔数；n 是液体密度，k s m 3 ；p 。是气体密度，k s m 。2 3 节流装置模型【 1节流装置模型通过下述方程来描述能量方程h ；n = h 。( 1 5 )动量方程m ，a l = C 。A ( t ) 2 p i p( 1 6 )C D = 0 0 2 0 妇i + 0 6 3 4 y 。( 1 7 )A = a r h s i n 詈( d 一九s i n a )( 1 8 )式中：C 。为阀的流量特性参数，与节流装置的结构形式、取
22、压方式、孔口截面积与管道截面积之比等因素有关，通常由实验或经验取值；7 。为膨胀阀出l Z l 制冷剂的比热容，m 3 k g ；A ( t ) 为膨胀阀开口面积，即制冷剂流通面积，m 2 ；对于不同的阀型，当膨胀阀开启度为h 、阀孔径为d 、阀针角为a 时，可以计算其通路面积；P ；为电子膨胀阀入口处制冷剂的密度，k s m 3 ；= P 为膨胀阀人口与出口压力差，P a ；h ；、h o 为膨胀阀入口和出口焓，J k g 针对中间冷却器前和中间冷却器后的2 个不同的膨胀阀，其制冷剂质量流量因2 个阀门的结构以及2 个阀门进出口制冷剂的压力、密度的不同而计算得到不同的结果，即中间质量流量和低
23、压段质量流量2 4 蒸发器模型本文选用的蒸发器为翅管式风冷换热器，为建立蒸发器模型，先做假设如下( 且取制冷剂的流动方向为正方向) ：1 ) 管内制冷剂和管外空气均作一维稳态流动，并且处于逆流状态；2 ) 气相和液相处于热力平衡，即气液两相有相同的饱和压力和温度，不存在亚稳态；3 ) 管内没有螺纹、翅片等微结构；4 ) 忽略管壁热阻；5 ) 忽略制冷剂侧的压降与冷凝器相同，本文对蒸发器建模采用分区集中参数法，通常制冷剂在蒸发器中依次进入两相区，过热区，计算公式如下：Z两相区Q t = y = K A 。A t 。2 = K A ，手& 。2 ( 1 9 )D式中：t 以为两相区对数平均温差，过
24、热区Q h = m ，( ，。一h 。) =，K h A h 。1 = K h A “A t7 。1( 2 0 )U式中：矗。为蒸发器出E l 制冷剂焓值，J k g ；h 虬。为饱和气体焓值，J k g ；A t 。为过热区对数平均温差，3 计算结果与分析本课题的研究对象是设计工况下制冷量为3k W 的小型活塞式双级压缩空气源热泵系统采用R 1 3 4 a 制冷剂，低压和高压级压缩机为活塞式压缩机，活塞排量分别为3 2 7 和1 8 3c m 3 蒸发器选择一般的翅片管式换热器考虑低温工况下的空气源热泵系统的结霜问题选择的翅片间距取较大，尽量抑制由于结霜对换热性能的影响蒸发器的相关结构参数为
25、：紫铜管内径1 0m m 、壁厚0 7m m 、正三角形叉排、垂直于流动方向的管间距2 5r a m 、铝套片壁厚0 2m m 、翅片间距取为6m m 沿空气流动方向管排数为6 排，每排有1 6根管子，每根管长为5 0 0m i l l ，制冷剂分为6 条回路冷凝器选择新型高效紧凑的板式换热器，单片换热面积为0 0 2 3I n 2 ，板片壁厚O 3m m 图4 、图5 给出了系统C O P 随冷凝压力、蒸发温度的变化图6 、图7 给出了系统C O P 、总功耗随中间压力的变化万方数据南京工业大学学报( 自然科学版)第3 2 卷图4 、图5 分别反映了系统性能系数C O P 在一定蒸发温度(
26、，) 下随冷凝压力和蒸发温度的变化情况由图4 、图5 可知：在整个冷凝压力范围内，C O P变化比较平缓，受冷凝压力影响不是很大，但受蒸发温度影响比较大这是由于在冷凝温度不变的条件下，随着蒸发温度的升高，压缩比不断减小，输气量增加，且蒸发温度增加，制冷剂蒸发所吸收的气化潜热也要增加 10 | 由图4 、图5 还可看出，试验值和仿真值的变化趋势是一样的，但是仿真值比试验值稍大，这是由于系统仿真过程中忽略了如冷凝压力损失、制冷剂中混有不凝结气体等因素，且没有考虑热泵功率、风机功率，因此试验结果的C O P 要低于模拟结果对于双级压缩，系统中间压力是一个特殊的量从图6 可以看出，在不同的蒸发温度下，
27、中间压力对系统的影响相近，中间压力越大，系统C O P 减小从图7 看出，中间压力增大，系统总功率也增大，蒸发温度越高，总功率受中间压力的影响越大图4 系统C o P 随冷凝压力的变化F i g 4C h a n g e so fs y s t e mC O Pw i t ht h ec o n d e n a t i o np r e s s u r e图5 系统C O P 随蒸发温度的变化F i g 5a m n g 巧o fs y s t e mC O Pw i t ht h ee v a p o r a t i o nt e m p e r a t u r e4 结论从仿真和试验值比较
28、来看，稳态仿真的数据与图6 系统C O P 随中间压力的变化F i g 6C h a n g e so fs y s t e mC O Pw i t ht h ei n t e r m e d i a t ep r e s s u r e图7 系统总功耗随中间压力的变化F i g 7C h a n g e so ft o t mp o w e rc o n s u m p t i o nw i t ht h ei n t e r m e d i -a t ep r e s s u r e实验数据有相同的变化趋势，能真实地反映系统的参数变化从计算数据分析，系统C O P 随冷凝压力和中间压力的增
29、大而减小，随蒸发温度增大而增大，系统耗功则随中间压力增大而增大仿真计算能正确描述系统C O P 和各参数的变化，其误差范围在1 0 以内因此，稳态仿真在一定的工作情况下，能够保证一定的仿真精度，能够为生产和工程实验提供一个参考依据参考文献： 1 王伟，金苏敏，陈建中用于低温环境下的双级压缩风冷热泵热水器 J 流体机械，2 0 0 5 ，3 3 ( 9 ) ：6 2 6 6 W a n gW e i ，J i nS u m i n ，C h e nJ i a n z h o n g T w o s t a g ec o m p r e s s i o na i r$ o u r c th e a
30、 tp u m pw a t e rh e a t e ru s e di nl o wt e m p e r a t u r ee n v i r o n m e r i t J F l u i dM a c h i n e r y ，2 0 0 5 ，3 3 ( 9 ) ：6 2 6 6 2 田长青。石文星，王森用于寒冷地区双级压缩变频空气源热泵的研究 J 太阳能学报，2 0 0 4 。2 5 ( 3 ) ：3 8 8 3 9 3 T i a nC h a n g q i n g ，S h iW e n x i n g ，W a n gS e n R e s e a r c hO nt W
31、 O s t a g ec o m p r e s s i o nv a r i a b l ef r e q u e n c ya i rg o u l eh e a tp u m pi nc o l du e -g i o n s J A c t aE n e r g i a cS o l a r i sS i n i c a ，2 0 0 4 ，2 5 ( 3 ) ：3 8 8 3 9 3 3 H a s e g a w aH D e v e l o p m e n to ft W o s t a g ec o m p r e s s i o na n dc a s c a d eh e
32、 a t i n gh e a tp u m ps y s t e mf o rh o tw a t e rs u p p l y J A S H R A ET r a n s a c t i o n s ，1 9 9 6 ，1 0 2 ( 1 ) ：2 4 8 2 5 6 万方数据第3 期汤新敏等：双级压缩空气源热泵热水器系统模拟9 3 4 5 6 7 8 王伟，金苏敏，陈建中，等空气源热泵热水器双级压缩循环研究 J 暖通空调。2 0 0 6 ，3 6 ( 9 ) ：5 8 - 6 1 W a n gW e i ，J i nS u m i n ，C h e nJ i a n z h o n
33、g ，e ta 1 T w o s t a g ec o m p r e s -s i o nc y c l ef o rw a t e rh e a t e r si na i r8 0 U 1 C eh e a tp u m p s J H V &A C 。2 0 0 6 。3 6 ( 9 ) ：5 8 6 1 柴沁虎，马国远空气源热泵低温适应性研究的现状及进展 J 能源工程，2 0 0 2 ( 5 ) ：2 5 3 1 C h a iQ i n h u ，M aG u o y u a n S t a t eo fk n o w l e d g ea n dc u r r e n tc h
34、 a l l e n g e si nt h eA S H Pd e v e l o p e df o rt h ec o l da r e a s J E n e r g yE n g i n e e r i n g ，2 0 0 2 ( 5 ) ：2 5 3 1 王伟双级压缩空气源热泵热水器系统的研究 D 南京：南京工业大学，2 0 0 6 丁国良，张春路制冷空调装置仿真与优化 M 北京：科学出版社，2 0 0 1 景步云，谷波，黎远光板式蒸发器仿真计算模型 J 系统仿真学报，2 0 0 3 ，1 5 ( 1 0 ) ：1 4 8 1 1 4 8 3 J i n gB u y u n ，C
35、 , uB o ，L iY u a n g u a n g S i m u l a t i o no nt h ep e r f o r m a n c eo fp h t t ee v a p o r a t o r J A c t aS i m u l a t aS y s t e m a t i c aS i n i e a ，2 0 0 3 ，1 5 ( 1 0 ) ：1 4 8 1 1 4 8 3 9 张川，马善伟，陈江平，等电子膨胀阀制冷剂流量系数经验模型的试验研究 J 机械工程学报，2 0 0 5 ，4 1 ( 1 1 ) ：1 4 8 1 1 4 8 3 Z h a n gC
36、h u a n ，M aS h a n w e i ，C h e nJ i a n g p i n g ，e ta 1 E x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho ne m p i r i c a lm o d e lo ff l o wc o e f f i c i e n to fe l e c t r o n i ce g p a n s i o nv a l u e J 】C h i n e s eJ o u r n a lo fM e c h a n i c a lE n g i n e e r i n g ，2 0 0 5 ，4 1 ( 1 1
37、) ：1 4 8 1 1 4 8 3 1 0 K i l i c a r s l a nA A ne x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o no fad i f f e r e n tt y p eV a -p o rc o m p r e s s i o nc a s c a d er e f r i g e r a t i o ns y s t e m J A p p l i e dT h e r -m a lE n g i n e e r i n g ，2 0 0 4 ，2 4 ( 1 7 1 8 ) ：2 6 1l 一2 6 2 6
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