CN111059762B - 补气增焓准二级压缩空气源热泵热水器的调试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种补气增焓准二级压缩空气源热泵热水器的调试方法，将准二级压缩系统转换为压焓图，根据测试原理图布置温度测点，依据温度参数通过压焓图查得各个点的压力参数，根据各个点的压力参数查得对应的状态点，进而计算得出压焓图的状态点；根据状态点计算得出理论产热量、做功、制热能效比COP。在测试的基础上得到系统蒸发压力、冷凝压力、中间补气压力、压缩机吸气温度，通过对上述所得参数行热力学计算与分析，最后根据所得结果对电子膨胀阀的开度进行调节从而控制中间补气压比，得到在不同室外环境下系统的运行状态，此方法可以进一步提升空气源热泵在低温环境下的热效率。

Description

补气增焓准二级压缩空气源热泵热水器的调试方法

技术领域

本发明属于空气源热泵热水器技术领域，特别是涉及一种补气增焓准二级压缩空气源热泵热水器的调试方法。

背景技术

空气源热泵热水器是一种非常节能的制取热水的设备，可从空气吸收低位热量而制取热水用于供暖或者制取生活热水。常规的空气源热泵在这种低温高湿地区运行时会遇到湿冷地区的结霜问题以及低温环境下制热效率急剧下降的问题。为此，很多机构对于如何提升冬季的热泵效率做了非常多的研究，利用补气增焓技术提高冬季空气源热泵制热是非常有效的途径。

空气源热泵在低温工况运行时制热量与系统性能系数COP会急剧下降，使得空气源热泵满足不了寒冷地区的冬季采暖需求，尤其当空气源热泵在黄河流域、华北等寒冷地区使用时，冬季甚至无法正常运行。

现有技术中只对空气源热泵热水器的试验、模拟和热力学理论等方面进行过研究，但没有系统的提及过对准二级压缩补气增焓系统进行COP测试和调试的方法，因此无法很好地实现对补气增焓准二级压缩热泵系统的热力学优化。

发明内容

本发明的目的是提供一种补气增焓准二级压缩空气源热泵热水器的调试方法，从而实现热水器在最佳状态下运行。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：一种补气增焓准二级压缩空气源热泵热水器的调试方法，包括如下步骤：

准二级压缩系统为：补气增焓压缩机出口的高温高压气体经过冷凝器，通过电子膨胀阀进行第一次节流后在闪蒸器中分为两部分，一部分经过闪蒸器后再经电子膨胀阀进行第二次膨胀降压，最后通过蒸发器进入压缩机的吸入端；另一部分为闪蒸器的上方，闪蒸蒸汽直接进入压缩机的辅助吸入口进行补气；

根据准二级压缩系统转换为压焓图；

根据测试原理图布置温度测点，依据温度参数通过压焓图查得各个点的压力参数，根据各个点的压力参数查得对应的状态点，进而计算得出压焓图的状态点；

所述状态点进入循环状态，计算得出理论循环的产热量以及循环状态下的做功、制热能效比COP；

对准二级压缩的空气源热泵热水器进行热力学特性分析，只改变补气压比,对准二级压缩中预压缩过程、中间补气压缩过程、补气后压缩过程、产热量和压缩功进行分析计算。

优选地，所述压焓图中过程11-21表示等熵压缩；21'表示状态点21和61的混合过程；21'–31也表示等熵压缩过程；31–41表示冷凝等压放热过程，41–41'表示绝热膨胀过程；工作流体在41'点被分为两部分，一部分闪蒸蒸汽被压缩机吸收，另一部分通过电子个膨胀阀到达51'点；过程51'–11表示等压吸热过程。

优选地，步骤三中的温度测点分别为测试压缩机吸、排温度、电子膨胀阀节流前、后的温度以及压缩机补气温度，对应的温度t₁ t₃ t₄ t_5’ t₆，依据测得的温度参数t₁ t₃ t₄t_5’ t₆，通过压焓图查得各个点的压力参数：P₁ P₂ P_2’ P_4’ P₅ P_5’，查出对应的状态点11,51,61点，再计算压焓图对应的状态点21,21’,31,41,41’,51’，其中11点表示蒸发器出口制冷剂状态，21点表示压缩机吸入端制冷剂状态；21’点表示状态点21和61的混合过程，即压缩机吸入端制冷剂气体与闪蒸器中闪发蒸汽混合状态点；31点表示压缩机出口制冷剂状态；41点表示水侧换热器出口的制冷剂状态；41’点表示经过电子膨胀阀的制冷剂液体状态；51点表示制冷剂在对应的中间补气压力下的饱和制冷剂状态；51’点表示经过电子膨胀阀的制冷剂状态；61点表示制冷剂在对应的中间补气压力下的饱和制冷剂气体状态。

本发明公开了以下技术效果：本文提出了一种简单方便的测试方法，并在测试的基础上得到系统蒸发压力、冷凝压力、中间补气，及压缩机吸气温度，通过对上述所得参数行热力学计算与分析，最后根据所得结果对电子膨胀阀的开度进行调节从而控制中间补气压比，得到在不同环境室外环境下系统的运行状态，此方法进一步提升空气源热泵在低温环境下的热效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的准二级压缩补气增焓热泵热水器系统图；

图2为补气增焓准二级压缩系统工作循环压焓图；

图3为准二级压缩补气增焓热泵热水器测试计算原理图。

其中，1为气体分离器，2为冷凝器，3为压缩机，4为储液器，5为干燥过滤器，6为闪蒸器，7为蒸发器，8为电子膨胀阀。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参照图1，补气增焓压缩机3出口的高温高压气体经过冷凝器2，进行第一次节流后在闪蒸器6中分为两部分，一部分经过闪蒸器6后再进行第二次膨胀降压，最后通过蒸发器7进入压缩机3吸入端；另一部分为闪蒸器7的上方蒸汽，其直接进入压缩机3的辅助吸入口进行补气。系统一方面通过提高蒸发器7过冷度增加了热泵机组在空气中吸收热量的能力，另一方面也通过补气系统提高进入压缩机3工质的温度，从而增加系统的效率。此方案针对的是冬季提升空气源热泵，从实际效果来说，运行较为稳定，系统效率及防霜效果良好。

根据图1的准二级压缩系统，转换成如图2所示的压焓图，具体过程如下：过程11-21表示等熵压缩；21'表示状态点21和61的混合过程；21'–31也表示等熵压缩过程；31–41表示冷凝等压放热过程，41–41'表示绝热膨胀过程；工作流体在41'点(闪蒸器)被分为两部分，一部分闪蒸蒸汽被压缩机3吸收，另一部分通过电子膨胀阀8到达51'点；过程51'–11表示等压吸热过程。本文采用闪蒸器6前节流的补气增焓系统，从冷凝器2冷凝之后的质量流量为m+i的液体经过电子膨胀阀8第一次节流后进入闪蒸器6，在闪蒸器6中制冷剂分成两部分：(1)主回路部分，质量流量为m的饱和液体，再经电子膨胀阀8节流后进入蒸发器7中吸热，最后进入压缩机3吸气口；(2)补气回路部分，质量流量为i的中间补气压力的饱和蒸汽，经过截止阀后被压缩机3补气口吸入，与主回路部分的气体混合后压缩。

步骤一、对准二级压缩补气增焓热泵热水器测试：

根据图2的压焓图进行热力学分析，要将状态点全部获取，需要建立试验台进行测量与计算。一般来说，建立试验台测试氟利昂系统，需将所有状态点的压力和温度测得，还需对系统各个状态点的关系进行分析。根据理论分析，可以找出系统间的热力学关系，从而找出最简单的测试方法。对于工程应用，需要作出如下假定：1)、假定蒸发器7出口的过热段的压力不变；2)、假定冷凝器2的的压力不变；3)、假定补气增焓压缩过程中为定熵压缩，且补气前后的熵不变。因此，本文根据测试原理图布置好五个温度测点，分别测试压缩机3吸、排温度、电子膨胀阀8节流前后的温度以及压缩机3补气温度，对应的温度t₁ t₃ t₄ t_5’ t₆。

依据测得的温度参数t₁ t₃ t₄ t_5’ t₆，直接可以通过压焓图查得各个点的压力参数：P₁ P₂ P_2’ P_4’ P₅ P_5’，可以查出对应的状态点11,51,61点。再计算压焓图对应的状态点21,21’,31,41,41’,51’，其中1点表示蒸发器出口制冷剂状态，21点表示压缩机3吸入端制冷剂状态；21’点表示状态点21和61的混合过程，即压缩机3吸入端制冷剂气体与闪蒸器中闪发蒸汽混合状态点；31点表示压缩机3出口制冷剂状态；41点表示水侧换热器出口的制冷剂状态；41’点表示经过电子膨胀阀的制冷剂液体状态；51点表示制冷剂在对应的中间补气压力下的饱和制冷剂状态；51’点表示经过电子膨胀阀的制冷剂状态；61点表示制冷剂在对应的中间补气压力下的饱和制冷剂气体状态。

状态点21点(假定系统属于等熵压缩)：

S₂＝S_l (1)

假定状态点21’点到31点的压缩过程为等熵压缩，且假定S₂＝S₁＝S_2’＝S₃，则状态点21’点：

S_2’＝S₁ (2)

状态点31点：

S₃＝S₁ (4)

状态点41点：

P₄＝P₃ (5)

状态点41’点：

h₄＝h_4’ (6)

状态点51’点：

h₅＝h_5’ (7)

将上述循环过程中的状态点代入到产热过程，可以得出循环的产热量：

Q＝(m+i)(h₃-h₄) (8)

做功过程为：

W₀＝(m+i)(h₃-h_2’)+m(h₃-h_2’) (9)

其中h₁表示蒸发器出口制冷剂焓值，h₂表示压缩机3吸入端制冷剂焓值；h_2’表示压缩机3吸入端制冷剂气体与闪蒸器中闪发蒸汽混合状态点焓值；h₃表示压缩机3出口制冷剂焓值；h₄表示水侧换热器出口的制冷剂焓值；h_4’点表示经过第电子膨胀阀的制冷剂焓值；h₅点表示制冷剂在对应的中间补气压力下的饱和制冷剂液体焓值；h_5’点表示经过电子膨胀阀的制冷剂焓值；h₆点表示制冷剂在对应的中间补气压力下的饱和制冷剂气体焓值。

因此制热能效比COP：

式中，η_R为热泵效率，本文取0.8。

步骤二、准二级压缩补气增焓热泵热力学热性分析：

通过上述计算原理图中，在验证完测试测试技术可以很好的应用在准二级补气增焓热泵系统中的基础上时，对准二级压缩的空气源热泵热水器进行热力学特性分析，通过定义一个补气压比β₁，其表达式见下：

式中P₂为中间补气压力，P₁为蒸发压力，P₃为冷凝压力。

通过只改变补气压比对准二级压缩中预压缩过程、中间补气压缩过程和补气后压缩和产热量进行分析计算。通过研究在不同补气压比下COP和产热量的变化情况，本热力学特性研究可以很好的补充上述测试方法不能对系统进行调试运行问题，能够使系统在不同的工况下能够更好的运行。

步骤三、压缩功的确定,得出系统压缩功与补气压比之间的关系

1、预压缩过程

假设压缩过程为等熵压缩则比压缩功为：

式中k为制冷剂等熵指数，R₂₂取1.19；R制冷剂气体常数，R₂₂取96.16×10^-3；

w_1-2表示状态点1到2的压缩功P₁，P₂分别表示蒸发压力和冷凝压力，kpa；T₁表示压缩机3吸气温度，K。

2、补气-压缩功过程压缩功：

在闪蒸器中的热平衡方程为：

式中：i为补气回路质量流量，kg/s；m为主回路质量流量，kg/s；a相对补气量；h₄、h₅、h₆分别为压焓图中41、51、61点焓值。

在压焓图中通过找点通过公式拟合发现：R₂₂饱和气体焓值与压力满足公式：

h₆＝411.1(P₂)^0.023 (14)

R₂₂饱和液体焓值与压力满足公式：

h₅＝232.7(P₂)^0.1981 (15)

两相区焓值计算：

h_4’＝232.7(P₂)0^.1981+(411.1(P₂)^0.023-232.7(P₂)^0.1981)x (16)

式中x表示干度，P₂表示中间压力。则根据质量守恒，能量守恒以及非稳态热力系统的气体微分方程，积分得到21-21’压缩功，并将式(13)至(16)代入得到公式：

式中a表示相对补气量；k为制冷剂等熵指数，取1.19；R制冷剂气体常数，R₂₂取96.16×10^-3，w_2-2’表示状态点21到21’的压缩功，P_2’，P₂为21’、21点制冷剂压力，kpa；T₆状态点61温度，K；V₂，V_2’为点21、21’点制冷剂比容，m³/kg；

3、补气后压缩过程压缩功：

式中k为制冷剂等熵指数，取1.19；R制冷剂气体常数，R₂₂取96.16×10^-3，w_2’-3表示状态点21’到31的压缩功，P_2’，P₃为21’、31点制冷剂压力，kpa；T₂状态点21温度，K；V₂，V_2’为点21、21’点制冷剂比容，m³/kg；

4、系统总压缩功：

W＝m(h₂-h₁)+(i+m)(h₃-h_2’)+iw_2-2’ (19)

在工质混合过程中压力值变化不明显，故其视为等压过程，即可忽略w_2-2’。将式子(12)(17)(18)代入上式则：

将式(11)至(16)代入：

最终式(21)式中变为只有β₁为变量的式子，其中k为制冷剂等熵指数，取1.19；R制冷剂气体常数，R₂₂取96.16×10^-3，P₁，P₃为蒸发压力和冷凝压力，kpa；T₁状态点压缩机3吸气温度，K；x为干度取0.1。

步骤四、产热量的确定

在压焓图易得产热量Q为：

Q＝(i+m)(h₃-h₄) (22)

由于41到41’为绝热膨胀，所以：

h₄＝h_4’ (23)

根据假设和补气过程的能量平衡方程可知21’焓值为：

h_2’＝(ah₆+h₂+w_2-2’)/(1+a) (24)

且

h₃＝h_2’+w_2’-3 (25)

由于在补气-压缩过程中压力值变化不明显，故可将W2-2’忽略。

即：

代入上式：

式中P₁，P₃表示蒸发压力，冷凝压力，β₁为补气压比，其中k为制冷剂等熵指数，取1.19；R制冷剂气体常数，R₂₂取96.16×10^-3，h₁表示压缩机3吸入端焓值。

步骤五、制热能效比COP的确定

通过将公式(21)与公式(27)进行计算公式(28)，这种方式太复杂，很难通过理论分析直接推倒出压比参数与系统COP之间的关系，故本发明采用图3准二级压缩补气增焓热泵热水器测试计算原理图的方式进行分析。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (3)

1.一种补气增焓准二级压缩空气源热泵热水器的调试方法，其特征在于：包括如下步骤：

准二级压缩系统为：补气增焓压缩机出口的高温高压气体经过冷凝器，通过电子膨胀阀进行第一次节流后在闪蒸器中分为两部分，一部分经过闪蒸器后再经电子膨胀阀进行第二次膨胀降压，最后通过蒸发器进入压缩机的吸入端；另一部分为闪蒸器的上方，闪蒸蒸汽直接进入压缩机的辅助吸入口进行补气；

对于工程应用，作出如下假定：

假定一：假定蒸发器出口的过热段的压力不变；

假定二：假定冷凝器的压力不变；

假定三：假定补气增焓压缩过程中为定熵压缩，且补气前后的熵不变；

根据准二级压缩系统转换为压焓图；

根据测试原理图布置温度测点，依据温度参数通过压焓图查得各个点的压力参数，根据各个点的压力参数查得对应的状态点，进而计算得出压焓图的状态点；

所述状态点进入循环状态，计算得出理论循环的产热量以及循环状态下的做功、制热能效比COP；

所述COP为

η_R为热泵效率，本文取0.8；m+i为从冷凝器冷凝之后的液体的质量流量，m为主回路部分的饱和液体的质量流量，h₁表示蒸发器出口制冷剂焓值，h₂表示压缩机吸入端制冷剂焓值，h_2’表示压缩机吸入端制冷剂气体与闪蒸器中闪发蒸汽混合状态点焓值，h₃表示压缩机出口制冷剂焓值，h₄表示水侧换热器出口的制冷剂焓值；

对准二级压缩的空气源热泵热水器进行热力学特性分析，通过定义一个补气压比β₁,其表达式为：

公式中P₂为中间补气压力，P₁为蒸发压力，P₃为冷凝压力；

通过对电子膨胀阀的开度进行调节，控制中间补气压比，从而只改变补气压比,对准二级压缩中预压缩过程、中间补气压缩过程、补气后压缩过程、产热量和压缩功进行分析计算,得到在不同室外环境下系统的运行状态。

2.根据权利要求1所述的补气增焓准二级压缩空气源热泵热水器的调试方法，其特征在于：所述压焓图中11-21表示等熵压缩；21'表示状态点21和61的混合过程；21'–31也表示等熵压缩过程；31–41表示冷凝等压放热过程，41–41'表示绝热膨胀过程；工作流体在41'点被分为两部分，一部分闪蒸蒸汽被压缩机吸收，另一部分通过电子膨胀阀到达51'点；过程51'–11表示等压吸热过程。

3.根据权利要求1所述的补气增焓准二级压缩空气源热泵热水器的调试方法，其特征在于：所述温度测点分别为测试压缩机吸、排温度、电子膨胀阀节流前、后的温度以及压缩机补气温度，对应的温度t₁ t₃ t₄ t_5’ t₆，依据测得的温度参数t₁ t₃ t₄ t_5’ t₆，通过压焓图查得各个点的压力参数：P₁ P₂ P_2’ P_4’ P₅ P_5’，查出对应的状态点11,51,61点，再计算压焓图对应的状态点21,21’,31,41,41’,51’，其中11点表示蒸发器出口制冷剂状态，21点表示压缩机吸入端制冷剂状态；21’点表示状态点21和61的混合过程，即压缩机吸入端制冷剂气体与闪蒸器中闪发蒸汽混合状态点；31点表示压缩机出口制冷剂状态；41点表示水侧换热器出口的制冷剂状态；41’点表示经过电子膨胀阀的制冷剂液体状态；51点表示制冷剂在对应的中间补气压力下的饱和制冷剂状态；51’点表示经过电子膨胀阀的制冷剂状态；61点表示制冷剂在对应的中间补气压力下的饱和制冷剂气体状态。

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