CO_2跨临界循环冷热联供机组性能实验研究_刘业凤.pdf

第 卷 第 期 年 月 化 学 工 程（）收稿日期：基金项目：中央引导地方科技发展资金项目（）作者简介：刘业凤（），女，教授，主要研究制冷及低温技术、热泵技术等，：；陆晨阳（），男，硕士，通信联系人，研究方向为 热泵技术，：。化工流力学跨临界循环冷热联供机组性能实验研究刘业凤，陆晨阳，张 华，罗勇辉，刘 帅（上海理工大学 能源与动力工程学院，上海）摘要：采用 跨临界循环水水热泵技术，测试了 跨临界循环冷热联供机组的性能特点。通过调节压缩机频率、电子膨胀阀开度、蒸发器侧乙二醇水溶液进口温度与气冷器侧进水温度等方式，测试该机组在以制热为主要目标时最优排气压力的变化，以及不同参数对制热量、制冷量、制热 与系统综合能效（制热 与制冷之和）的影响规律。研究结果表明：在额定工况下，压缩机频率从 增加到 时，系统最大制热从 降到；当乙二醇水溶液进口温度升高、气冷器进口水温降低时，系统的制热 以及系统综合能效 都随之升高。机组同时供冷供热可明显提高系统综合能效，经济性好且节能效果显著。文中的研究成果对于屠宰、酿造等同时具有冷热需求的行业推广应用 冷热联供机组具有参考价值。关键词：跨临界 热泵；压缩机频率；最优排气压力；中图分类号：文献标识码：文章编号：（）：，（，）：，（），：；在禽类屠宰企业里，由于生产工艺的特殊性，在食品工艺制冷场所内也需要热水来进行漂烫、清洗、消毒等措施。目前大部分食品行业采用制冷机组加燃气锅炉结合的方式制冷和制取热水，运行成本较高且并不节能环保，而热泵作为一种能量梯级利用的供热方式，能高效的生产热水。近十多年来，天化学工程 年第 卷第 期 投稿平台：然工质 的研究应用已成为全球范围的热点，对跨临界循环热泵性能与优化方面，国内外学者做了大量研究。目前典型的 热泵循环系统应用案例有单级压缩热水系统、双级压缩带中间补气热水系统，按热源分类可以分为水源热泵和空气源热泵热水系统。等研究了空气源跨临界 热泵热水器热水出口温度的影响因素。等通过实验研究了带套管式换热器的 跨临界水水热泵。国内大学也都在其所搭建的 水水循环热泵实验装置上进行了运行性能实验与数值模拟分析。但是，对于可同时供冷供热的 跨临界循环热泵的性能研究还比较少。文中以 跨临界循环水水热泵系统为基础，提出建立一套 跨临界循环冷热联供机组。与前人研究相比：该机组同时制取冷量和热量，在蒸发器侧采用乙二醇水溶液作为载冷剂，可让机组在 以下的蒸发温度运行制取冷量，气冷器侧则以制取 热水为目标。该热泵可应用于工业上同时需要冷量和热量的应用场合，如屠宰行业、酿造行业等。文中通过调节该机组压缩机频率、电子膨胀阀开度以及乙二醇水溶液 冷却水进口温度的方式，研究了该机组以制热为主要目标时最优排气压力的变化以及不同工况对制热量、制冷量、制热 与系统综合能效 的影响。系统设计及实验台搭建 系统设计跨临界循环冷热联供机组系统工作原理如图 所示，该机组主要由压缩机、气冷器、回热器、电子膨胀阀、蒸发器、干燥过滤器以及 个水泵组成。图 跨临界冷热联供机组系统示意图 压缩机是机组运行的核心部件，本机组选用的全封闭双转子滚动压缩机，具有高容积效率、低振动、轻量化、高可靠性、高能效等特点，采用直流变频驱动，排量为 ，转速范围为 ；气冷器和蒸发器均采用板式换热器；回热器采用同轴套管式内部换热器，来自气体冷却器的高温 走管内，来自蒸发器的低温 在管外流动；电子膨胀阀的开度通过脉冲信号调节。搭建的热泵机组如图 所示，放在焓差室内进行性能测试。图 跨临界循环冷热联供机组实验台 测点布置以及测量器件选型在机组上布置温度测点、压力传感器和流量计，布点位置如图 所示。数据采集频率均设定为 次。侧温度采用热电偶贴于管壁上测量，乙二醇水溶液温度采用铂电阻测量，仪器参数见表。表 测量仪器 名称测量范围精度热电偶 （）铂电阻 （）压力传感器 电磁流量计 测试内容及步骤 测试方法及工况为了测试 冷热联供机组的运行调节特性，在焓差室中进行机组变工况的稳态运行实验。实验过程中，根据测试仪器的精度及分辨率等性能参数，当系统的运行参数波动在一定范围内时，认为机组运行达到稳态，既保持稳定的运行工况（采样时间 内乙二醇水溶液与水温度不超过 ，压力刘业凤等 跨临界循环冷热联供机组性能实验研究 投稿平台：波动不超过 ）。根据屠宰行业、酿造行业等常见冷热需求特点及机组性能，设置该机组的额定工况为：蒸发器侧的乙二醇水溶液进口温度为 ，流量为 ；气体冷却器侧的冷却水进口温度为 ，流量为 。测试内容包括：（）最优排气压力实验：分为 组实验。第 组实验：在上述额定工况下，分别改变压缩机频率为、，调节电子膨胀阀开度，使排气压力从 变化到 左右。待系统运行稳定时，记录数据，计算系统的制冷量、制热量与。第 组实验，在上述额定工况下，保持压缩机频率 不变，改变气冷器侧进口水温分别为、，控制排气压力从 增加到 ，待系统运行稳定时，记录数据，计算机组的制冷量、制热量与。（）不同频率下，机组制热量与制冷量随气冷器的冷却水进口温度变化实验：在额定工况下，分别控制冷却水进口温度为、时，改变压缩机频率从 增长到 ，调节电子膨胀阀开度使机组排气压力维持在 ，待系统运行稳定时，记录数据，计算机组的制冷量、制热量。（）不同频率下，机组制热量与制冷量随蒸发器乙二醇水溶液进口温度变化的实验：在额定工况下，分别控制压缩机频率为、，改变蒸发器乙二醇水溶液进口温度，从 增加到 ，调节电子膨胀阀开度使机组排气压力维持在 ，待系统运行稳定时，记录数据，计算机组的制热量、制冷量。最后，为了分析蒸发器乙二醇水溶液进口温度与气冷器的冷却水进口温度对系统 的共同影响，在压缩机频率为 时，保持排气压力、乙二醇水溶液流量与冷却水流量不变。分别在乙二醇水溶液进口温度为、时，改变冷却水进口温度 到 ，共记录 组不同工况点数据并计算。数据处理分析制热量为（）（）式中：为制冷剂质量流量，；为气冷器入口焓值，；为气冷器出口焓值，。制冷量为（）（）式中：为蒸发器出口焓值，；为蒸发器入口焓值，。压缩机功耗为 （）（）式中：为制冷剂质量流量，；为压缩机排气口的焓值，；为压缩机吸气口的焓值，。系统制热能效为（）系统制冷能效为（）系统综合能效为 （）实验结果及分析 排气压力对系统制热性能影响排气压力是影响跨临界 热泵系统性能最重要的参数之一。等、等、都研究了压缩机排气压力如何影响系统 以及系统内其他参数影响最优排气压力的关系。图 为不同频率下 随排气压力变化的实验结果。图 不同频率下 随排气压力的变化 由图 可知，系统的 都是随着压缩机排气压力升高先增加后减小，存在一个极值，最大时对应的排气压力称为系统的最优排气压力。在压缩机频率分别为、时，系统最优排气压力分别为，对应的最大 分别为，。与压缩机频率为 时相比，频率在 时系统最大 降低约 ，相应的最优排气压力增长约 。这是因为 由制热量与压缩机耗功决定，随着排气压力增加，制热量快速上升，其上升幅度大于压缩机耗功上升值，使化学工程 年第 卷第 期 投稿平台：得 迅速增加。随着排气压力的继续增加，制热量涨幅变慢并开始趋于平缓而压缩机耗功继续增加，从而使 开始降低。因此，系统具有相应的最优排气压力。图 为不同进水温度下 随排气压力变化的实验结果。从图 可以明显看出，随着进水温度的升高，的增加趋于缓慢。在进水温度为 时，系统的最大 为 ，相应的最优排气压力为 ；在进水温度为 时，系统的最大为 ，相应的最优排气压力为 。与进水温度为 时相比，进水温度在 时系统最大 降低约 ，相应的最优排气压力增长约 。这是由于气体冷却器中是逆流热交换，进水温度升高使得气体冷却器 的出口温度也升高，从而提高了系统的最优排气压力。此外，由于最优排气压力的增加，尽管气体冷却器 的进口焓值随着进水温度的升高而升高，但相应的比压缩功升高的增值更大，故最大 随着进水温度的升高而下降。图 不同进水温度下系统 随排气压力的变化 冷却水进口温度对系统制热 制冷量影响分析图 与图 为不同频率下，机组制热量与制冷量随气冷器冷却水进口温度变化的实验结果。如图所示，制热量和制冷量都随着压缩机频率的增加而增加，但随着冷却水进口温度的升高而降低。在，种不同的冷却水进口温度下，当压缩机频率从 增加到 ，制热量和制冷量的平均增长率分别为 和 。当压缩机频率保持恒定时，进水温度每增加 ，制热量平均降低 ，制冷量平均降低 。这是因为当冷却水进口温度升高时，气冷器出口制冷剂的温度也随之增加，出口制冷剂焓值增加，蒸发器入口的焓值也增加，故气冷器与蒸发器进出口的焓差随着冷却水进口温度的增加而减小，导致制热量与制冷量下降。图 不同压缩机频率和进水温度下系统制热量的变化 图 不同压缩机频率和进水温度下系统制冷量的变化 乙二醇水溶液进口温度对系统制热 制冷量影响分析 图 与图 为不同频率下，机组制热量与制冷量随蒸发器乙二醇水溶液进口温度变化的实验结果。图 系统制热量随乙二醇水溶液进口温度的变化 刘业凤等 跨临界循环冷热联供机组性能实验研究 投稿平台：图 系统制冷量随乙二醇水溶液进口温度的变化 由图 可以看出系统的制热量与制冷量都随着乙二醇水溶液进口温度的升高而升高。在，种压缩机频率下，当乙二醇水溶液进口温度从 增加到 ，制热量和制冷量的平均增长率分别为 和 。这是因为蒸发温度随着乙二醇水溶液进口温度升高而升高，为保持压缩机排气压力不变，则需要增大电子膨胀阀开度，使得制冷剂的质量流量增加，所以系统制热量与制冷量就随着制冷剂质量流量的增加而增加。冷却水进口温度与乙二醇水溶液进口温度对系统制热 以及系统综合能效 的共同影响分析 图 与图 为当机组压缩机频率为 并保持排气压力 、乙二醇水溶液流量与冷却水流量不变时，在乙二醇水溶液进口温度为、时，分别改变冷却水进口温度 到 的实验结果。图 乙二醇水溶液进口温度与冷却水进口温度对系统制热 的共同影响 图 乙二醇水溶液进口温度与冷却水进口温度对系统综合能效 的共同影响 由图 可以看出当乙二醇水溶液进口温度为，冷却水进口温度为 时，系统 最小为，而当乙二醇水溶液进口温度为 ，冷却水进口温度为 时，系统 达到了最大值为.。这是因为当冷却水温度降低时，系统制热量随之增加，压缩机耗功随之减小，所以 随着冷却水温度降低而增加；当乙二醇水溶液进口温度增加时，使得蒸发温度上升，蒸发压力也随之上升，压缩机的压缩比减小，则压缩机耗功也减小，从而使 上升。为了体现此机组同时供冷供热的高能效性，文中还分析了系统综合能效 在不同工况下的变化关系，其结果如图 所示。经分析可知，系统综合能效 的变化规律与上述制热 的相同，随着蒸发器的乙二醇水溶液进口温度升高与气冷器进口水温降低，系统综合能效 随之升高。当乙二醇水溶液进口温度为 ，冷却水进口温度为 时，系统综合能效 最小为，而当乙二醇水溶液进口温度为 ，冷却水进口温度为 时，系统综合能效 达到了最大值为 。对比图 与图，可以看出机组冷热联供时系统综合能效明显高于单独制热或单独制冷时系统能效，其经济性优点体现在本机组能在蒸发器侧制冷的同时在气冷器侧进行热回收，大大提高了系统的综合能效，节能效果显著。结论（）在额定工况下，系统的制热量随着排气压力的上升先迅速增加后再趋于稳定，不同频率下制热 随着排气压力的增加先上升再下降，存在最优排气压力，并且随着压缩机频率从 增加到化学工程 年第 卷第 期 投稿平台：时，达到系统最大 的速率变慢，最优排气压力从 增加到 ，系统最大 从 降低到 ；在相同压缩机频率 下，随着气冷器冷却水进口温度从 升高到 ，系统的最优排气压力从 增加到 ，系统最大 从 降低到 。（）当机组保持排气压力不变，压缩机频率恒定时，冷却水进口温度从升高到 时，每增加，制热量平均降低 ，制冷量平均降低.；乙二醇水溶液进口温度从增加到，制热量和制冷量的平均增长率分别为和。（）当机组压缩机频率为 时并维持排气压力为 ，改变乙二醇水溶液进口温度从 增加到 、冷却水进口温度从 增加至 时，机组在乙二醇水溶液进口温度为 ，冷却水进口温度为 工况下，系统制热 与系统综合能效 都达到最