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bsp; 热泵型空调系统制冷剂流量控制方法的研究
苏顺玉 张春枝 陈 俭
武汉科技大学
摘要：以Harms模型计算两相区内的空泡系数,用稳态分布参数法计算了制冷和制热两种运行工况下热泵型空调系统冷凝器和蒸发器内所含的制冷剂量。结果表明,制热工况下的制冷剂充注量比制冷工况下的充注量小。在此基础上提出了储液器法和喷射液态制冷剂法两种制冷剂流量控制方法。
关键词：Harms模型 制冷剂充注量 储液器 喷射
0 引言
空气源热泵型空调器在夏热冬冷地区应用广泛,该装置在制冷和制热两种工况下空调系统所需的最佳制冷剂充注量是不同的。当冬季空气温度较低时,热泵的供热性能会下降。为了提高热泵型空调器的运行效率,有必要对高效节能空气源热泵技术进行研究。
热泵型空调器的制冷系统主要由制冷压缩机、冷凝器、节流元件和蒸发器组成,各部件通过管路联接。制冷压缩机和节流元件内制冷剂的储存量不大,这是因为节流元件的内容积相对整个系统来说一般都很小,制冷压缩机的内容积虽然较大,但在稳定运行时储存的基本上都是密度非常小的过热蒸气。冷凝器和蒸发器都是换热器,制冷剂在其中都要发生相变。在制冷系统稳定运行过程中,大部分制冷剂都是分布在这两个部件中[1]。本文通过分析以毛细管为节流元件的热泵型空调器在制冷和制热两种运行工况下空调系统的性能特性,用稳态分布参数法对冷凝器和蒸发器内的流动和传热进行模拟计算,用Harms模型计算两相区内的空泡系数[2-3],在制冷和制热两种运行工况下对冷凝器和蒸发器内所含制冷剂量分别进行计算和分析,确定热泵型空调系统内的制冷剂流量控制方法,从而提高热泵型空调器的运行效率。
1 基本方程
制冷剂在冷凝器和蒸发器中的流动呈液相、气相和气液两相三种状态,而不同的状态呈现出不同的传热特性。冷凝器和蒸发器的流动和传热计算可简化为如下数学模型[1]。
质量守恒方程:
动量守恒方程:
2 模拟计算
2.1 计算工况
在标准工况下,制冷循环工质为R22,采用焓差实验方法,对1台12 kW热泵型分体式空调器进行实验研究。传热管采用Φ9.52×0.35铜管时,根据实验结果,冷凝器内制冷剂与管壁之间的平均温差,过热段取10℃,两相段和过冷段均取5℃;蒸发器内制冷剂与管壁之间的平均温差,两相段和过热段均取5℃。
制冷运行工况为:冷凝温度tk=54.4℃;蒸发温度t0=7.2℃;过冷温度tsc=46.1℃;过热温度tsh=18.3℃;质量流量m·=320.58 kg/h。压缩机排气温度为95℃,制冷量为12 kW。制冷循环压焓图如图1所示。
制热运行工况为:冷凝温度tk=45℃;蒸发温度t0=0℃;过冷温度tsc=40℃;过热温度tsh=5℃;质量流量m·=195.84 kg/h。压缩机排气温度为70℃,制热量为13.5kW。制热循环压焓图如图2所示。
2.2 换热器内流动和传热的计算
在冷凝器和蒸发器内,制冷剂既存在单相状态,又存在气液两相状态。对于单相的过热区和过冷区,对制冷剂温度进行等分,用微元法求解。制冷剂侧的换热系数可采用Dittus-Boelter公式[4]计算;气液两相区采用稳态分布参数模型,用龙格-库塔法求解。对冷凝器内的两相流,制冷剂侧的换热系数采用Shah关联式[5-6]计算;对蒸发器内的两相流,忽略空气侧析湿影响,制冷剂侧的换热系数采用Wang关联式[7-8]计算。
2.3 换热器内制冷剂量的计算
单相区内的制冷剂质量m可由下式计算:
式(5)~(7)中 Δz为换热器单相区微元段管长,m;α为两相区内制冷剂空泡系数;V为换热器管内容积,m3;下标tp表示两相,g表示气相,f表示液相。用Harms模型计算两相区内的空泡系数[2],用辛普森法对式(6)求积分,可计算出两相区内的制冷剂质量。
3·制冷剂量的计算结果及分析
根据以上方法进行计算,制冷和制热两种运行工况下换热器内的制冷剂质量见表1。
从表1可看出,在制冷、制热两种运行工况下冷凝器内的制冷剂总质量基本相等,而蒸发器内的制冷剂总质量,制冷工况比制热工况的多。在制冷、制热两种运行工况下换热器内制冷剂质量之差为0.316 kg。
由前面的分析可知,制冷压缩机和毛细管内制冷剂的储存量不大,在空调系统稳定运行过程中,大部分制冷剂都是分布在冷凝器和蒸发器内。因此,制冷、制热两种运行工况下冷凝器和蒸发器两个换热器内制冷剂总质量之差就是制冷、制热两种运行工况下空调系统的制冷剂充注量之差。根据这个差值可以确定热泵型空调系统内制冷剂流量的控制方法。
4·制冷剂流量控制方法
热泵型空调系统一般是按照制冷工况参数进行设计的,因而空调系统的制冷剂充注量能保证制冷系统运行在最佳状态。但在制热工况时,空调系统的制冷剂充注量比制冷工况时的少,如果制热工况按制冷工况充注的制冷剂量运行,则会造成系统压力升高,冷凝器因积液而减小有效换热面积,制冷效率也随之下降。如果制冷工况按制热工况充注的制冷剂量运行,则会因制冷剂流量小而达不到预期的制冷效果。因此,在按制冷工况参数设计后,在制热工况时,多余的这部分制冷剂量必须进行有效的控制。常用的控制方法有储液器法和喷射液态制冷剂法。
4.1 储液器法
储液器控制系统如图3所示。根据以上计算出的制冷、制热两种运行工况下换热器内制冷剂总质量之差,即两种运行工况下空调系统的制冷剂充注量之差,计算出最佳储液器容量,其体积应大于制冷剂充注量差值所占的容积。在制冷循环时,制冷剂经过储液器时没有储存,充注的全部制冷剂都参与系统循环。在制热循环时,制冷剂经过储液器时储存了部分液态制冷剂,其余的制冷剂参与系统循环。制冷循环与制热循环的转换是通过四通电磁换向阀转换制冷剂流动方向来实现的。这种控制方法要求设计空调机组时考虑储液器所占的空间。
4.2 喷射液态制冷剂法
由液态制冷剂喷射系统的基本原理可知,液态制冷剂喷射能降低排气比焓,从而降低压缩机的排气温度,保证压缩机安全运行[9]。制冷剂喷射技术能有效提高热泵系统的性能。本文所研究的热泵型空调系统中的压缩机为1台12.5 kW的涡旋压缩机,适用于采用制冷剂喷射技术。由于喷射要消耗一部分制冷剂量,根据前面的计算可知,制热工况时空调系统的制冷剂充注量比制冷工况时低,多余了部分制冷剂量,因而制热工况时可采用喷射液态制冷剂的方法控制制冷剂流量。喷射液态制冷剂控制系统如图4所示。制热工况时,室内换热器(冷凝器)冷凝后的部分液态制冷剂经喷射膨胀阀后进入压缩机内喷射,喷射量即为制冷、制热两种运行工况下空调系统的制冷剂充注量差值。其余的液态制冷剂经毛细管节流后进入室外换热器(蒸发器)进行制热循环。这种控制方法要求设计空调机组时考虑增加喷射膨胀阀的成本。
5·结论
本文采用稳态分布参数法在制冷和制热两种运行工况下对冷凝器和蒸发器内的流动和传热进行了模拟计算,用Harms模型计算两相区内的空泡系数,并对制冷和制热两种运行工况下冷凝器和蒸发器内制冷剂量的分布进行了计算和分析。在计算制冷、制热两种运行工况下空调系统的制冷剂充注量差值的基础上,提出了提高热泵型空调器运行效率的储液器法和喷射液态制冷剂法两种制冷剂流量控制方法。其研究成果能为高效热泵空调装置的设计和节能降耗提供理论依据。
热泵型空调系统制冷剂流量的控制还可以采取其他方法,如储液器加喷射液态制冷剂相结合的方法等。但不管采用何种方法,首先要确定制冷、制热两种运行工况下空调系统制冷剂充注量的差值,其次是要控制好这个制冷剂流量,同时在设计空调机组时还应考虑附加部件的成本。
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