空氣源熱泵的穩(wěn)態(tài)仿真及性能比較

1、空氣源熱泵的穩(wěn)態(tài)仿真及性能比較摘要：本文建立了空氣源熱泵的穩(wěn)態(tài)仿真模型，通過對(duì)R22和其替代工質(zhì)R32/R134a （質(zhì)量百分比30/70 ）的穩(wěn)態(tài)模擬，得出了系統(tǒng)循環(huán)性能隨工況變化的曲線。通過對(duì)相同工況的兩種工質(zhì)性能比較，得出采用混合工質(zhì)的 系統(tǒng)制熱量要低，耗功量要小，制熱系數(shù)要高的結(jié)論。從而顯示了混合工 質(zhì)替代純質(zhì)的節(jié)能優(yōu)勢(shì)，為替代工質(zhì)的性能研究提供了一種理論比較的依 據(jù)。關(guān)鍵詞：空氣源熱泵，穩(wěn)態(tài)仿真，性能比較關(guān)鍵詞：空氣源熱泵穩(wěn)態(tài)仿真性能比較R22工質(zhì)由于不滿足環(huán)保要求而面臨淘汰，有關(guān)替代R22的新工質(zhì)研究正如火如荼地在世界各地展開。在相同熱泵系統(tǒng)中，新工質(zhì)替代 R22的 性能研究目前主

2、要通過實(shí)驗(yàn)獲得。目前被認(rèn)為較有前途的R22替代制冷劑主要有 R407Cffi R410A。R407C是 HFC-32、HFC-125和 HFC-134a按照 23:25: 52的質(zhì)量百分比組成的三元非共沸混合制冷劑， 其蒸發(fā)壓力和冷凝壓 力與R22非常接近，這是R407C替代R22的最大優(yōu)點(diǎn)。但是，在空調(diào)工況下R407C的單位容積制冷量和 CO陪B小于R22。R410A是HFC-32和HFC-125按照50: 50的質(zhì)量百分比組成的二元近共沸混合制冷劑。其溫度滑移不超過0.2 C,這給制冷劑的充灌、設(shè)備的更換提供了方便。但是， R410A 空調(diào)工況下的COP比R22約小9%其蒸發(fā)壓力、冷凝壓力

3、以及容積制冷量都比R22大很多，不能直接用來替代 R22,在使用時(shí)要重新設(shè)計(jì)壓縮機(jī)、換熱器、管路和系統(tǒng)。由于 R410A對(duì)壓縮機(jī)、冷凝器的強(qiáng)度要求高，所以其成本也會(huì)有所提高。因此，尋找新的替代制冷劑是目前國內(nèi)外的一個(gè)熱門課題。本文試圖建立一種常規(guī)空氣源熱泵的穩(wěn)態(tài)仿真模型以及研制相應(yīng) 的仿真軟件，通過模擬得出替代 R22的新工質(zhì)在同一熱泵機(jī)組相同工況下 的性能，從理論上得出該工質(zhì)可能的性能效果，為進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)研究提供 理論的依據(jù)。為了驗(yàn)證仿真模型和軟件，本文主要對(duì)R22的替代工質(zhì)R32/R134a （30/70wt%）進(jìn)行的了變工況的性能計(jì)算，并在相同工況下對(duì) 兩種工質(zhì)的性能進(jìn)行了比較。仿真系統(tǒng)

4、示意圖如圖1,模擬計(jì)算中所用的四大部件具體參數(shù)如下：壓縮機(jī)為定轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)。型號(hào)為CG533QB1-CL冷凝器為套管式冷凝器，內(nèi)管為內(nèi)徑 6 10m由2mm的紫銅管組成，內(nèi) 側(cè)流動(dòng)工質(zhì)為水；外管為內(nèi)徑 （）21mmc 2mm的無縫鋼管，外側(cè)流動(dòng)工質(zhì)為 制冷劑。在純質(zhì)和定比例混合工質(zhì)系統(tǒng)計(jì)算中長度取10000mm節(jié)流裝置采用內(nèi)徑為 6 0.9mm的毛細(xì)管，并聯(lián)兩根。長度依據(jù)標(biāo)況（蒸 發(fā)器進(jìn)風(fēng)7C,冷凝器進(jìn)水40oC）下，純質(zhì)與混合工質(zhì)（30/70wt）R32/R134a 具有相同的蒸發(fā)壓力和冷凝壓力選取。在純質(zhì)系統(tǒng)計(jì)算中，毛細(xì)管長度取 1000mm而在定比伊J混合工質(zhì) R32/R134a系統(tǒng)

5、中，長度取 1500mm蒸發(fā)器是冷卻介質(zhì)為空氣的平直套片干式蒸發(fā)器，長度取10800mm具體結(jié)構(gòu)參數(shù)為（）10mmc 0.7mm的紫銅管，翅片選用6 f=0.2mm的鋁套片,翅片間距S=2.2mm管束按正三角形叉排排列，垂直于流動(dòng)方向管間距S=25mnp沿流動(dòng)方向管排數(shù)-:=4,分路數(shù)Z=21壓蠕收2甌通國3室內(nèi)桃獨(dú)將4高壓他喊健5節(jié)施會(huì)或E室外植熱髭圖1常規(guī)熱泵的冬季循環(huán)示意圖圖2系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)仿真算法流程圖穩(wěn)態(tài)仿真主要用于預(yù)測一定工況下裝置穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)所表現(xiàn)出來的系統(tǒng)性能，反映了壓縮機(jī)、冷凝器、節(jié)流元件（毛細(xì)管）和蒸發(fā)器各部件之 間的耦合特性。為了將各部件模型連接起來形成一個(gè)可以預(yù)測系統(tǒng)性能的 系

6、統(tǒng)模型，需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的算法，算法流程圖見圖2,成砂為壓縮機(jī)的質(zhì) 量流量（單位：螃,自，以下相同符合的單位同），科陟為毛細(xì)管的質(zhì)量流量。本文采用改進(jìn)的 PT方程3,4對(duì)R22和R32/R134a二元混合物的熱物性 進(jìn)行了計(jì)算。為了便于各組工況下的性能比較，循環(huán)計(jì)算中設(shè)定:(1)蒸發(fā)器出口過熱度為5C。(2)混合工質(zhì)系統(tǒng)循環(huán)計(jì)算時(shí)，四大部件中工質(zhì)的組成配比保持不變。(3)冷凝溫度和蒸發(fā)溫度的取法分別為：對(duì)于純質(zhì)，取冷凝壓力和蒸 發(fā)壓力下工質(zhì)所對(duì)應(yīng)的飽和溫度；對(duì)于混合工質(zhì)，冷凝溫度取冷凝壓力下 混合工質(zhì)的泡點(diǎn)溫度，蒸發(fā)溫度取蒸發(fā)壓力下混合工質(zhì)的露點(diǎn)溫度5 0在程序調(diào)整過程中，當(dāng)冷凝器出口為兩相流時(shí)，

7、假定高壓儲(chǔ)液罐能將 制冷工質(zhì)冷凝到該冷凝壓力下的飽和液體。當(dāng)冷凝器出口為過冷液時(shí)，高 壓儲(chǔ)液罐出口制冷工質(zhì)狀態(tài)與冷凝器出口同。下面著重?cái)⑹鲆幌赂鞑考捎玫哪Ｐ图澳M中的假設(shè)條件和主要公 式。壓縮機(jī)模型壓縮機(jī)模型只考慮壓縮機(jī)吸排氣狀態(tài)，不考慮中間的實(shí)際壓縮過程。.1假設(shè)條件(1)壓縮機(jī)的等嫡效率為80%,即等嫡壓縮過程耗功為實(shí)際壓縮耗功 的 80%。(2)壓縮機(jī)的電效率為50%。(3)壓縮機(jī)吸氣、排氣壓損分別為零，即壓縮機(jī)吸、排氣壓力分別為蒸發(fā)壓力和冷凝壓力.2主要公式.壓縮機(jī)理論功率式(1)中，例4為壓縮機(jī)等嫡壓縮出口的始值(單位：Jtkg),先為壓縮機(jī)的吸氣始值。.制冷劑流量現(xiàn)FWI = 4

8、(2)式(2)中，9為壓縮機(jī)的理論容積輸氣量(單位：樓),匕a為壓縮機(jī) 吸氣口的制冷劑氣態(tài)比容(單位： 加/館)，兄為輸氣系數(shù)。其中，.由 壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)決定。冷凝器模型冷凝器模型采用分區(qū)集中參數(shù)模型，即將冷凝器分為三個(gè)區(qū)，過熱區(qū)、兩相區(qū)和過冷區(qū)。分段計(jì)算各區(qū)的換熱系數(shù)與換熱量。.1假設(shè)條件為簡化計(jì)算，模型主要假設(shè)：(1)冷凝器外管內(nèi)側(cè)制冷劑的流動(dòng)為一維均相流動(dòng)，且不考慮壓降。(2)冷凝器內(nèi)管內(nèi)側(cè)的換熱流體水亦視作一維流動(dòng)。(3)管壁熱阻忽略不計(jì)。(4)三個(gè)相區(qū)的物性計(jì)算中，過熱區(qū)按飽和氣態(tài)計(jì)算，過冷區(qū)按飽和 液相計(jì)算，兩相區(qū)按0.5干度系數(shù)的工質(zhì)進(jìn)行計(jì)算。.2主要公式(1).水側(cè)流動(dòng)換熱.

9、制冷劑側(cè)的流動(dòng)換熱J(4).管內(nèi)外換熱量平衡 ； (5)上式(3)(5)中，*、&分別為水側(cè)和制冷劑側(cè)的換熱量， 丸、4分 別為水側(cè)和制冷劑側(cè)的始值，下標(biāo) /，酬分別代表進(jìn)出口，順、陽，代表 水側(cè)和制冷劑側(cè)的質(zhì)量流量。 漏熱系數(shù)占根據(jù)實(shí)驗(yàn)測定，一般為 S , 在冷凝器基本模型計(jì)算中簡單取為 0.9 o.制冷劑側(cè)的換熱關(guān)聯(lián)式單相區(qū)(過冷區(qū)、過熱區(qū))，用 Dittus-Boeler換熱關(guān)聯(lián)式計(jì)算:一”廠(6)式中，叫 一丁， 一 / 。弓為單相制冷劑的換熱系數(shù)，心為冷 凝器制冷劑側(cè)管內(nèi)徑，迎為制冷劑的導(dǎo)熱系數(shù)，&為制冷劑的質(zhì)流密度(單60位：幅, N60對(duì)于兩相區(qū)，采用氟利昂套管式冷凝器的冷凝表面

10、傳熱系數(shù)計(jì)算式(7)中，為兩相區(qū)的對(duì)流換熱系數(shù)，g = 93加戶為制冷劑的 平均密度，為制冷劑導(dǎo)熱系數(shù)，.為制冷劑潛熱，“為冷凝溫度，小內(nèi)管 壁溫,X、/同公式(6)含義。低螺紋管換熱增強(qiáng)系數(shù)，與螺距、翅高 等因素有關(guān)，一般在1.21.4之間，取1.3。3為氟利昂蒸氣流速影響的 修正系數(shù)，對(duì)內(nèi)管為光管的表面來說，蒸氣流速修正系數(shù)取2.5 7 o.水側(cè)的換熱關(guān)聯(lián)式式(8)中，”謂為水側(cè)的對(duì)流換熱系數(shù)，w指水流速，人為水側(cè)的套管 內(nèi)徑；系數(shù)B是與冷卻水進(jìn)出口平均溫度 ”有關(guān)的物性集合系數(shù)。毛細(xì)管模型絕熱毛細(xì)管的近似積分模型，它運(yùn)算速度快，且避免了因采用分布參 數(shù)模型而造成的穩(wěn)定性差問題。.1假設(shè)條

11、件(1)制冷劑在毛細(xì)管內(nèi)的流動(dòng)為一維絕熱均相流動(dòng)。(2)忽略亞穩(wěn)態(tài)流動(dòng)，制冷劑在毛細(xì)管中只有過冷區(qū)和兩相區(qū)。.2主要公式.控制方程(9)式(9)中，尹、邛、行分別為制冷劑的壓力、比容(單位：琰,姐)和質(zhì)流密度；刃和分別為毛細(xì)管內(nèi)徑和長度；/為沿程摩阻系數(shù)。.過冷區(qū)、兩相區(qū)的模型式(10) (11)中，助用表示過冷區(qū)壓降，下標(biāo) SC,乃 分別表示過冷 區(qū)，兩相區(qū)。用 巧和力表示兩相區(qū)得進(jìn)口壓力和比容，巴和內(nèi)表示兩相區(qū)得出口壓力和比容。/為沿程摩阻系數(shù)，於是一個(gè)與邊界條件相關(guān)的常量, 由公式(12)決定。發(fā)生壅塞流時(shí)，公式參見文獻(xiàn)網(wǎng)。蒸發(fā)器模型蒸發(fā)器性能計(jì)算采用分區(qū)集中參數(shù)模型，即將蒸發(fā)器分為二個(gè)

12、區(qū)，兩 相區(qū)、過熱區(qū)。.1假設(shè)條件為簡化計(jì)算，模型中的假設(shè)條件：(1)忽略蒸發(fā)器內(nèi)的阻力損失。(2)制冷劑與換熱流體空氣處于逆流狀態(tài)。(3)管壁徑向溫度一致，不考慮管壁熱阻。.2主要公式.制冷劑側(cè)換熱二(i： . - : r m(13)式(12)中，為制冷劑側(cè)換熱系數(shù)，A為制冷劑側(cè)管內(nèi)表面積，圖為 管壁溫度，4為制冷劑平均溫度。.空氣側(cè)的換熱二；(14)式(13)中，/為空氣側(cè)的質(zhì)量流量，為空氣側(cè)顯熱換熱系數(shù)，4為 析濕系數(shù)，為空氣側(cè)平均溫度。.制冷劑換熱關(guān)聯(lián)式過熱區(qū)陽由過熱區(qū)陽由Dittus-Boeler二 0.023R戶 Pr3 G (15)呵號(hào)取q詼呵號(hào)取儀,5為制冷劑質(zhì)流密度，口陽為過

13、熱區(qū)的對(duì)流換熱系數(shù)，4為蒸發(fā)器制冷劑側(cè)管內(nèi)徑。兩相區(qū)，采用Kandlikar的關(guān)聯(lián)式：力盧十a(chǎn)(昆產(chǎn)耳 = 0 023里” 嗯上(16) r )3(17)公式（15）中*、工、G、和1為常數(shù)，它們的值取決于 馬的大 小網(wǎng)。均為沸騰特征數(shù)， %為液相弗勞德數(shù)， /為取決于制冷劑性質(zhì)的 無量綱系數(shù)，對(duì)于 R22取2.20, R134a取1.63, R32取1.50 ,混合工質(zhì) R32/R134a按其組分摩爾分?jǐn)?shù)乘各自 求平均近似取得。與為液相表面?zhèn)?熱系數(shù)，R為質(zhì)量含氣率（干度）。.空氣側(cè)換熱關(guān)聯(lián)式采用McQuistion關(guān)聯(lián)式網(wǎng):=0.00144-0.26IgRe/* W （18）式中，為四排平

14、均的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，R為以管外徑為特征尺度的 雷諾數(shù)，力為總外表面積；4為管束的外表面積（不考慮翅片）。本文限于篇幅的關(guān)系，只列出兩種工質(zhì)的壓縮機(jī)耗功量、制熱量隨蒸 發(fā)器進(jìn)風(fēng)溫度變化的關(guān)系U.U2 -UUU.U2 -UUUl- 31 .U4 -U2 -3成-4 d蓑發(fā)靜進(jìn)網(wǎng)溫度七圖3壓縮機(jī)耗功量隨蒸發(fā)器進(jìn)風(fēng)溫度變化關(guān)系圖從圖3和圖4可以看出，對(duì)于R22系統(tǒng)，隨著蒸發(fā)器進(jìn)風(fēng)溫度的降低, 壓縮機(jī)耗功量和制熱量都減小，在相同蒸發(fā)器進(jìn)風(fēng)溫度下，隨著冷凝器進(jìn) 水溫度的升高，壓縮機(jī)耗功量增大，而制熱量下降，同時(shí)系統(tǒng)可運(yùn)行的蒸 發(fā)器進(jìn)風(fēng)溫度范圍減小。LA QI -法愛需進(jìn)風(fēng)溫度匚LA QI -法愛需進(jìn)風(fēng)溫度匚

15、圖4制熱量隨蒸發(fā)器進(jìn)風(fēng)溫度變化關(guān)系圖* Um* 制* Um* 制B O 0 0 6 名胤年照SW-饋也圖5壓縮機(jī)耗功隨蒸發(fā)器進(jìn)風(fēng)溫度變化關(guān)系圖KLft-MKLft-M。,立， 2 1 4* 1 ,1 1圖6冷凝制熱量隨蒸發(fā)器進(jìn)風(fēng)溫度變化關(guān)系圖從圖5和圖6可以看出，對(duì)于混合工質(zhì) R32/R134a系統(tǒng)，隨著蒸發(fā)器 進(jìn)風(fēng)溫度的降低，壓縮機(jī)的耗功量和系統(tǒng)制熱量均減小。在相同的蒸發(fā)器 進(jìn)風(fēng)溫度下，隨著冷凝器進(jìn)水溫度的升高，壓縮機(jī)耗功量增大，而制熱量 減?。▓D中進(jìn)風(fēng)為5C,進(jìn)水為40c時(shí)的制熱量值低于進(jìn)水為 44c的值可 認(rèn)為是誤差引起的），可運(yùn)行的蒸發(fā)器進(jìn)風(fēng)溫度范圍也減小。從圖3和圖5可以看出，在相同冷凝器進(jìn)水溫度下，混合工質(zhì)R32/R134a和純質(zhì)系統(tǒng)壓縮機(jī)耗功隨蒸發(fā)器進(jìn)風(fēng)溫度的變化趨勢(shì)相同，且 相同工況下，混合工質(zhì) R32/R134a系統(tǒng)的壓縮機(jī)耗功量比純質(zhì) R22系統(tǒng)耗 功量要低。從圖4和圖6可以看出，在相同冷凝器進(jìn)水溫度下，混合工質(zhì)R32/R134a和純質(zhì)系統(tǒng)制熱量隨蒸發(fā)器進(jìn)風(fēng)溫度的變化趨勢(shì)相同，且相同 工況下，混合工質(zhì)R32/R134a系統(tǒng)的制熱量比純質(zhì)R22系統(tǒng)耗功量要低it- if e a冷罐器進(jìn)水混度七it- if e a冷罐器進(jìn)水混度七圖7壓縮機(jī)耗功率隨冷凝器進(jìn)水溫度的變化關(guān)系圖工祝r ITS摩法內(nèi)工祝r IT