R410A/R134a雙級耦合熱泵系統(tǒng)最優(yōu)中間水溫實驗研究

王驛凱, 田艷龍, 金磊, 曹鋒

(1.西安交通大學能源與動力工程學院, 710049, 西安; 2.河北省黃壁莊水庫管理局, 050224, 石家莊;3.中國鐵道科學研究院, 100081, 北京)

近年來,霧霾等大氣污染問題嚴重影響空氣質(zhì)量,引發(fā)了全國和世界范圍內(nèi)的高度關(guān)注。相對于太陽能供暖和電加熱采暖等其他方式,熱泵采暖技術(shù)以其優(yōu)越的特性,得到廣泛的應(yīng)用[1]。采用空氣源熱泵機組與水源熱泵機組相結(jié)合的方式,可改善常規(guī)單級空氣源熱泵系統(tǒng)在低環(huán)境溫度下運行時系統(tǒng)性能系數(shù)P降低、壓縮機排氣溫度升高等性能惡化問題[2]。

雙級耦合熱泵系統(tǒng)研究的核心問題是尋找最優(yōu)中間溫度,以使P達到最大值。Bansal等通過高低溫級不同制冷劑的選擇,對最優(yōu)冷凝溫度進行估計[3];Lee等對CO2/NH3雙級耦合系統(tǒng)的最優(yōu)冷凝溫度進行熱力分析[4];Bhattacharyya等建立了數(shù)學模型,為最優(yōu)中間溫度的選取提供了參考[5];Jeong等通過熱力學分析指出最優(yōu)中間溫度為冷凝溫度和蒸發(fā)溫度的幾何平均數(shù)[6];Kim等雖然對中間溫度變化進行實驗研究[7],但未提及最優(yōu)中間溫度概念。Dopazo等通過實驗確定了耦合系統(tǒng)最優(yōu)冷凝溫度的關(guān)聯(lián)式[8],王偉等通過仿真計算得到一定工況下中間環(huán)路水溫的變化范圍[9],Dong等通過理論計算確定了最優(yōu)中間溫度的關(guān)聯(lián)式[10],但未對實際系統(tǒng)中的應(yīng)用進行實驗驗證。

本文在對R410A/R134a雙級耦合熱泵系統(tǒng)中最優(yōu)中間水溫Ti,opt理論分析的基礎(chǔ)上,對耦合系統(tǒng)在不同環(huán)境溫度和熱水供水溫度條件下進行了實驗研究,探討中間水溫對P變化的影響。根據(jù)冷凝溫度和蒸發(fā)溫度的變化情況,擬合得到R410A/R134a雙級耦合熱泵系統(tǒng)最優(yōu)中間水溫的實驗關(guān)聯(lián)式。

1 系統(tǒng)描述

雙級耦合熱泵系統(tǒng)主要由空氣源熱泵(低溫級)、水源熱泵(高溫級)和中間水箱(提供中溫水)3部分組成?？諝庠礋岜脧目諝庵形諢崃?作為低溫級熱源來加熱中間水箱中的水,使水溫控制在15～35 ℃;中間水箱中的水經(jīng)水泵進入水源熱泵的蒸發(fā)器中,水源熱泵系統(tǒng)以此為熱源,其制冷劑在蒸發(fā)器中吸熱,經(jīng)壓縮機壓縮后進入冷凝器中,將末端回水加熱到更高的溫度。R410A/R134a雙級耦合熱泵系統(tǒng)典型壓焓圖如圖1所示。

(a)高溫級R134a循環(huán)壓焓圖

(b)低溫級R410A循環(huán)壓焓圖圖1 R410A/R134a雙級耦合熱泵系統(tǒng)典型壓焓圖

2 最優(yōu)中間水溫分析

雙級耦合熱泵系統(tǒng)通過中間水箱耦合而成,水箱的存在優(yōu)化了空氣源和水源熱泵的工作環(huán)境,而且作為水源熱泵熱源,將空氣源熱泵產(chǎn)生的熱量傳遞給水源熱泵。在系統(tǒng)各部件幾何參數(shù)確定的條件下,當環(huán)境溫度和水源熱泵冷凝器進出水溫度一定時,雙級耦合熱泵系統(tǒng)性能受中間水箱中水溫的影響。雙級耦合熱泵系統(tǒng)的循環(huán)流程如圖2所示。

由逆卡諾循環(huán)可知,對于理想循環(huán),系統(tǒng)循環(huán)熱效率只取決于高溫熱源和低溫熱源溫度。在理想工況下,雙級耦合熱泵系統(tǒng)的性能系數(shù)可表示為

(1)

式中:Te為耦合系統(tǒng)低溫級蒸發(fā)溫度;Tc為高溫級冷凝溫度。

但是,由于實際循環(huán)為不可逆過程,空氣源熱泵與水源熱泵的性能系數(shù)為關(guān)于中間水溫的函數(shù),系統(tǒng)性能受中間水溫影響,即

P1=f(Te,Ti)

(2)

P2=f(Tc,Ti)

(3)

式中:P1為空氣源熱泵性能系數(shù);P2為水源熱泵性能系數(shù);Ti為中間水溫。

圖2 雙級耦合熱泵循環(huán)流程圖

為了研究中間水溫變化對雙級耦合熱泵系統(tǒng)性能的影響,假定空氣源熱泵蒸發(fā)溫度為-35 ℃,水源熱泵冷凝溫度為75 ℃,當中間水溫為15～35 ℃時,研究兩個相對獨立系統(tǒng)性能參數(shù)的變化趨勢。本文采用經(jīng)濟器補氣熱泵作為低溫級空氣源熱泵循環(huán)。

壓縮機性能參數(shù)隨中間水溫的變化規(guī)律如圖3所示。由圖3可知,隨中間水溫不斷升高,高低溫級壓縮機壓縮比ε呈相反的變化趨勢,水源熱泵壓縮機的壓縮比由6.8減小至3.6,空氣源熱泵壓縮機的壓縮比則由7.5升高至12.4,而空氣源熱泵和水源熱泵的耗功量W均逐漸增大。水源熱泵功耗增大主要是由于系統(tǒng)內(nèi)制冷劑質(zhì)量流量增大,而空氣源熱泵功耗增大的原因是:中間水溫升高導(dǎo)致壓縮機壓比增大,等熵效率降低;補氣路制冷劑流量增大,壓縮機內(nèi)準二級壓縮過程功耗增加。

圖3 壓縮機性能參數(shù)隨中間水溫的變化

穩(wěn)態(tài)工況下高、低溫級系統(tǒng)制熱量Qh、Ql和總性能系數(shù)P隨中間水溫的變化規(guī)律如圖4所示。隨中間水溫升高,高溫級水源熱泵蒸發(fā)溫度升高,制冷劑流量增大,系統(tǒng)制熱量增大。對于低溫級熱泵,水溫升高使得空氣源熱泵的冷凝溫度升高,壓縮機壓比增大,制熱量逐漸衰減。由于采用經(jīng)濟器補氣系統(tǒng),最優(yōu)中間補氣壓力也逐漸升高,補氣路制冷劑流量增大,二者共同作用,使得空氣源熱泵的制熱量變化較為平緩?？紤]到隨中間水溫升高,高低溫級系統(tǒng)系數(shù)呈現(xiàn)相反的變化趨勢,當兩個系統(tǒng)性能系數(shù)接近相等時,系統(tǒng)總性能系數(shù)應(yīng)為最大值。在系統(tǒng)最大性能系數(shù)對應(yīng)的中間水溫下,高低溫級的壓縮機壓縮比接近1.3∶1,這說明為使耦合系統(tǒng)達到最佳P值,高溫級的P應(yīng)該比低溫級的略大。

圖4 制熱量、P隨中間水溫的變化

3 實驗研究

R410A/R134a雙級耦合熱泵系統(tǒng)流程圖及主要的壓力、溫度測點示意圖如圖5所示。

圖5 R410A/R134a實驗系統(tǒng)示意圖

3.1 測試裝置

實驗系統(tǒng)采用T型熱電偶和PT-100熱電阻測溫,量程分別為-50～150 ℃、-30～150 ℃,測量精度為±0.5 ℃、±0.2 ℃;壓力測量采用壓力傳感器,量程分別為0～6 MPa和0～16 MPa,精度均為±0.2%;水側(cè)質(zhì)量流量采用電磁流量計,量程為0～6 m3/h,精度為±0.5%。

3.2 實驗裝置

本實驗在余熱回收高溫熱泵系統(tǒng)實驗中心進行,實驗中心由環(huán)境室、空氣控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)、水路控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)5部分組成。環(huán)境室通過空氣控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)對環(huán)境溫濕度進行控制,水路控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)采用水量熱技法,通過變頻水泵的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)水路熱水流量。電控系統(tǒng)和數(shù)采系統(tǒng)控制機組的運行和數(shù)據(jù)的采集。機組主要部件的詳細參數(shù)如下:高低溫級系統(tǒng)均采用渦旋壓縮機,壓縮機排氣量分別32.9、24.87 m3·h-1;系統(tǒng)高溫級采用殼管式換熱器,單根換熱管長為2 m,管徑Φ為19 mm×1.5 mm,管程/殼程為2/1,換熱管總數(shù)為54,低溫級為板式換熱器,板換片數(shù)為40,單片長×寬為519 mm×191 mm;高溫級采用干式蒸發(fā)器,單根換熱管長為2 m,管徑Φ為10 mm×1.0 mm,管程/殼程為4/1,換熱管總數(shù)為348;低溫級為翅片管式換熱器,單根換熱管長為1.6 m,管徑Φ為10 mm×0.7 mm,換熱器為2排,每排為40根管。

4 系統(tǒng)測試與分析

4.1 測試工況

通過控制外部參數(shù)環(huán)境溫度和水路供水溫度的變化,分別對雙級耦合系統(tǒng)在不同蒸發(fā)和冷凝溫度下的系統(tǒng)性能進行測試,具體測試工況為:保持高溫級R134a冷凝溫度不變,低溫級蒸發(fā)溫度分別為-30、-25、-20、-15、-10 ℃;保持低溫級R410A蒸發(fā)溫度不變,高溫級冷凝溫度分別為50、55、60、65、70、75 ℃。

4.2 系統(tǒng)參數(shù)和不確定度分析

制熱量、系統(tǒng)總耗功量和性能系數(shù)為

Q=mwCpΔTw

(4)

W=Wc,R410A+Wc,R134a+Wf+Wp

(5)

(6)

式中:mw為水側(cè)的質(zhì)量流量;Cp為水的比定壓熱容;ΔTw為水側(cè)的進出水溫差;Wc,R410A為低溫級壓縮機功耗;Wc,R134a為高溫級壓縮機功耗;Wf為風機耗功量;Wp為水路側(cè)水泵耗功量。

實驗的不確定度分析是指對耦合系統(tǒng)P的分析,具體采用參考文獻[11-12]中的方法,不確定度的計算公式為

(7)

式中:R為獨立變量x的函數(shù);wxi為每個獨立變量的不確定度。由式(7)計算得到P的實驗不確定度約為3%。

4.3 實驗結(jié)果

在不同低溫級R410A蒸發(fā)溫度下,中間水溫變化對耦合系統(tǒng)性能的影響如圖6所示。由圖6可知:在不同的蒸發(fā)溫度下,當未達到最優(yōu)中間水溫時,系統(tǒng)P隨中間水溫的增加而增加;當中間水溫超過最優(yōu)值時,P開始下降,即耦合系統(tǒng)P總會在某一個中間水溫下達到最大值。

圖6 不同蒸發(fā)溫度下中間水溫對P的影響

環(huán)境溫度改變與低溫級R410A蒸發(fā)溫度的變化有直接關(guān)系,在實驗過程中,當系統(tǒng)運行環(huán)境溫度升高時,低溫級蒸發(fā)溫度不斷增加,此時低溫級壓縮機壓比不斷減小,系統(tǒng)P整體呈現(xiàn)上升趨勢,即系統(tǒng)性能不斷提升,同時每條變化曲線的峰值右移。這說明當蒸發(fā)溫度增加時,耦合系統(tǒng)的最大性能系數(shù)Pmax和對應(yīng)的最優(yōu)中間水溫同時增加,蒸發(fā)溫度對最優(yōu)中間水溫Ti,opt、Pmax的影響如圖7所示。由圖7可知,雙級耦合熱泵系統(tǒng)P的最大值與最優(yōu)中間水溫關(guān)于蒸發(fā)溫度是一種近似線性的變化關(guān)系。

圖7 蒸發(fā)溫度對最優(yōu)中間水溫、Pmax的影響

不同冷凝溫度下,中間水溫變化對P的影響如圖8所示。對于每條變化曲線,總存在一個最優(yōu)中間水溫使耦合系統(tǒng)P在高溫級R134a冷凝溫度不變時達到最大值。這說明對于在一定工況下穩(wěn)定運行的雙級耦合熱泵系統(tǒng),最優(yōu)中間水溫和高溫級冷凝溫度有關(guān)。

圖8 不同冷凝溫度下中間水溫對P的影響

當高溫級R134a冷凝溫度上升時,系統(tǒng)P下降。這是因為R134a冷凝溫度與熱水供水溫度有關(guān),實驗過程中不斷增加高溫級冷凝器側(cè)供水溫度,會導(dǎo)致耦合系統(tǒng)高溫級壓縮比增加,系統(tǒng)P持續(xù)下降。當高溫級冷凝溫度升高時,不同P變化曲線的峰值所對應(yīng)的最優(yōu)中間水溫也會升高,隨高溫級R134a冷凝溫度的升高,系統(tǒng)最優(yōu)中間水溫與最大P呈現(xiàn)相反的變化趨勢,但其與冷凝溫度是一種線性的變化關(guān)系,結(jié)果如圖9所示。

圖9 冷凝溫度對最優(yōu)中間水溫、Pmax的影響

為分析低溫級蒸發(fā)溫度和高溫級冷凝溫度變化對最優(yōu)中間水溫的影響,將圖7、9進行對比整合,結(jié)果如圖10所示。由圖10可知:在實驗過程中低溫級R410A蒸發(fā)溫度從-30 ℃增加至-10 ℃,系統(tǒng)蒸發(fā)溫度上升20 ℃,最優(yōu)中間水溫增加了約15 ℃,變化率達到75%;當高溫級冷凝溫度從50 ℃增加至75 ℃時,最優(yōu)中間水溫變化13 ℃,其變化率僅為52%,這說明低溫級R410A蒸發(fā)溫度的變化對耦合系統(tǒng)最優(yōu)中間水溫的影響更大。

圖10 最優(yōu)中間水溫的變化對比圖

4.4 最優(yōu)中間水溫關(guān)聯(lián)式的確立與分析

根據(jù)雙級耦合熱泵系統(tǒng)P在不同工況下隨中間水溫的變化,可知系統(tǒng)最優(yōu)中間水溫與低溫級蒸發(fā)溫度和高溫級冷凝溫度的變化有直接關(guān)系。在系統(tǒng)運行過程中,蒸發(fā)溫度或冷凝溫度的上升均會導(dǎo)致系統(tǒng)最優(yōu)中間水溫的升高。實驗過程中,當?shù)蜏丶壵舭l(fā)溫度或高溫級冷凝溫度變化時,通過調(diào)節(jié)中間水溫可使得系統(tǒng)P達到最大值。雙級耦合熱泵系統(tǒng)在不同工況下對應(yīng)的最優(yōu)中間水溫三維分布圖如圖11所示。

圖11 不同工況下最優(yōu)中間水溫三維分布圖

前人關(guān)于雙級耦合系統(tǒng)最優(yōu)中間溫度的研究中,以低溫級蒸發(fā)和高溫級冷凝溫度作為自變量,以兩者的幾何平均值作為最優(yōu)中間溫度,但并未通過實驗研究驗證其準確性,所以誤差相對較大、可信度較低。本文在確定的蒸發(fā)溫度(-30 ℃≤Te≤-10 ℃)和冷凝溫度(50 ℃≤Tc≤75 ℃)的情況下,通過大量的實驗數(shù)據(jù)分析,建立了中間水溫關(guān)于冷凝、蒸發(fā)溫度的三維示意圖,通過擬合方式,給出了R410A /R134a雙級耦合熱泵系統(tǒng)最優(yōu)中間水溫的實驗函數(shù)關(guān)聯(lián)式

(8)

在雙級耦合熱泵系統(tǒng)實際運行過程中,機組通過傳感器實時采集并轉(zhuǎn)化成溫度信號,進而在冷暖型溫度控制器中求解當前工況下的最優(yōu)中間水溫。機組通過隨動PID調(diào)節(jié)控制器,利用在中間水箱中預(yù)設(shè)的電加熱棒和補水閥對中間水溫進行調(diào)節(jié),使其達到當前工況下的最優(yōu)值。

5 結(jié) 論

本文在自行設(shè)計搭建的R410A/R134a雙級耦合熱泵系統(tǒng)實驗臺上,通過改變外部參數(shù)環(huán)境溫度和熱水供水溫度對最優(yōu)中間水溫進行實驗研究,得到的主要結(jié)論如下。

(1)針對-30 ℃≤Te≤-10 ℃、50 ℃≤Tc≤75 ℃不同的運行工況,雙級耦合熱泵系統(tǒng)最優(yōu)中間水溫存在且唯一。

(2)根據(jù)實驗結(jié)果,當?shù)蜏丶壵舭l(fā)溫度上升時,耦合系統(tǒng)最優(yōu)中間水溫和最大P值均會增大;當高溫級冷凝溫度上升時,系統(tǒng)最大P值下降而最優(yōu)中間水溫升高。

(3)通過實驗數(shù)據(jù)分析,確定低溫級蒸發(fā)溫度對系統(tǒng)最優(yōu)中間水溫的影響更大。當蒸發(fā)溫度上升20 ℃時,最優(yōu)中間水溫增加15 ℃,其變化率達到75%,明顯高于冷凝溫度上升導(dǎo)致的最優(yōu)中間水溫變化率52%。

(4)通過大量實驗數(shù)據(jù),擬合得到低溫級蒸發(fā)溫度-30 ℃≤Te≤-10 ℃、高溫級冷凝溫度50 ℃≤Tc≤75 ℃工況下,最優(yōu)中間水溫關(guān)于低溫級蒸發(fā)溫度和高溫級冷凝溫度的實驗關(guān)聯(lián)式,對系統(tǒng)的實際運行具有一定的指導(dǎo)作用。