带喷射器的经济补气热泵系统循环机理与特性研究

摘要

电驱动的空气源热泵，采用空气作为低温热源，具有无污染物排放的特点，符合供暖的理想模式。尤其在春、秋过渡季节，农村、城郊等集中供暖不完善的地方，空气源热泵更具有可调性强、使用方便的优点。但普通的空气源热泵在环境温度低于-5℃运行时，出现了诸如制热量不足、效率低，甚至不能长时间运行等问题。在众多改进方案中，对涡旋压缩机补气的热泵系统( Economized Vapor Injection Heat Pump System，简称EVI系统，下同)及其各种改变型系统，被认为是技术上合理，实际可行的方案。但是，EVI系统的辅助回路中仍然有较大的有用能损失，为回收此部分能量，研究者提出了带有喷射器的涡旋压缩机补气热泵系统（Economized Vapor Injection Heat Pump System Coupled with Scroll Compressor and Ejector，简称EVIe系统，下同）。本文的主要工作体现在如下几个方面：
　　 对普通单级压缩热泵供热性能的衰减特征进行了分析。从探讨热泵效率降低的机理出发，分析压缩过程、吸气过热、排气温度、节流过程等各种因素降低热泵制热性能的特征，提出了准理想热泵循环的概念。认为，准理想热泵循环是基于特定工质的制热性能系数最高的循环。EVI热泵系统可以改进压缩机的压缩过程，使得循环更加接近准理想热泵循环。将结构简单、没有运动部件、对两相流适应性强的喷射器用到补气回路中代替普通的节流装置，构造出EVIe系统，回收EVI系统补气回路的有用能中，进一步保证机组运行的稳定性，提高其制热性能。
　　 建立了EVIe系统的热力学分析模型。通过模型分析了EVIe系统在改进制热性能方面的运行规律。喷射器替代节流元件回收补气过程的压力能，更大程度上改善压缩机的指示效率，进一步降低压缩机的排气焓值及排气温度，保证机组在低温环境下运行的稳定性。EVIe系统在保持热泵系统的制热量稳定不变的前提下，降低了压缩机的输入功率，从而使热泵的制热能效比提高3～5％。
　　 基于喷射器的工作特性，对如何确定EVIe系统的工作状态点进行了较为深入的研究，归纳出判断EVIe系统工况的方法。通过对设计蒸发温度为-20℃和-15℃的EVIe系统的变工况工作特性进行研究，结果发现：喷射系数有一适宜值范围，喷射系数过大，能达到的混合压力较小，补气量相应地会减小；当设计的喷射器混合压力过大时，虽然可以向压缩机腔补入更多的气体，但喷射器的喷射系数较低，会造成无气可补的状态，因此EVIe系统相对于EVI系统的优势也会减小。喷射器工作的蒸发温度应高于设计蒸发温度。低于设计蒸发温度时，尽管补气仍然存在，但是喷射器进入到亚极限工况范围内，喷射系数急剧下降，甚至失去作用；EVIe系统运行在高于设计蒸发温度时，喷射器具有稳定的喷射系数，其缺点是喷射器没有发挥出最大的效率。蒸发温度变化对补气压力影响较为微弱，而对补气量的影响则是单调的正比例增加或减小关系。由此带给我们的重要启示是：设计喷射器时应考虑其工作的蒸发温度范围，而不是越能适应低蒸发温度的喷射器系统整体性能越优。蒸发温度在合理的范围内时，既保证喷射器能稳定工作，又能长时间处在较高的效率点上。
　　 归纳出带涡旋压缩机EVIe系统的设计方法，并以蒸发温度-20℃为设计值加工出喷射器，研制出EVIe系统的样机。样机实际运行状况与模拟分析的结果吻合较好。结合实验数据对EVIe系统进行火用分析，并与单级系统及EVI系统进行比较：EVI系统改善压缩机的压缩过程，具有较高的(?)输出量，使系统火用效率得到提高。喷射器回收流体的压力能，改善补气状态参数，在输出火用不降低的情况下，可使火用效率相对EVI系统提高3～5％。主要部件压缩机的火用损失约占总火用损失的77％。
　　 对喷射器的结构变化对系统性能的影响进行研究，确定出喷射器喷嘴喉部、混合室圆柱段与喷嘴喉部截面面积比，以及混合室锥形段的进出口面积比的最佳范围。喷射器喷嘴喉部当量直径在3.03×10-3～3.061×10-3时，热泵系统在各个工况下运行的性能较佳，此时喷射器工况适应性较强；当喷射器的混合室圆柱段与喷嘴喉部截面面积比在2.67～2.89的范围时，EVIe热泵系统的工况适应性最强，在蒸发温度-15℃～-25℃间均能稳定高效运行，且排气温度可控制在130℃内:混合室锥形段进出口面积比β的适宜值在1.5～2之间。

目录

文摘

英文文摘

物理量名称及符号

第1章 绪论

1.1 世界能源形势与建筑节能

1.1.1 热泵供暖

1.1.2 热泵供暖存在的问题

1.2 国内外相关研究现状及分析

1.2.1 制冷压缩机的EVI系统

1.2.2 涡旋压缩机EVI系统的相关研究

1.2.3 喷射器的研究现状

1.2.4 喷射器在制冷／热泵中应用的国内外研究现状

1.3 存在的问题及本文主要工作

1.3.1 存在的问题

1.3.2 本研究主要工作

第2章 EVI系统制热性能提高的机理与实验研究

2.1 逆卡诺循环

2.2 准理想孰泵循环

2.3 实际循环影响因素分析

2.4 EVI与准理想执泵循环的比较

2.4.1 压缩功计算

2.4.2 补气过程分析

2.5 EVI系统的实验研究

2.5.1 实验方法与系统

2.5.2 实验结果分析

2.6 EVI系统存在的问题

2.7 本章小结

第3章 喷射器工作特性与EVIe系统的模拟研究

3.1 喷射器的工作原理

3.2 喷射器的设计方法

3.3 EVIe系统原理

3.3.1 模型假设

3.3.2 喷射器各点参数计算公式

3.3.3 系统循环中各状态点焓值的确定

3.4 模拟结果

3.5 本章小结

第4章 喷射器对EVIe系统的适应性研究

4.1 喷射器内的流动特征

4.2 EVIe系统对变工况的适应性分析

4.3 计算结果

4.4 本章小结

第5章 EVIe系统的设计与实验研究

5.1 补气口的设计

5.2 喷射器的设计

5.3 喷射器加工与实验台的搭建

5.4 实验方案设计

5.5 测试结果与分析

5.6 EVIe系统(火用)析

5.7 本章小结

第6章 喷射器结构尺寸对EVIe系统的性能影响

6.1 喷射器的结构特性

6.2 喷射器喷嘴喉部直径的匹配

6.3 喷射器混合室结构对系统性能的影响

6.4 本章小结

结论

参考文献

攻读博士期间取得的成果

致谢