闪发器热泵系统与单级压缩系统性能比较_刘桂兰

发器的制冷剂 流 量；ｍｋ 为 冷 凝 器 的 制 冷 剂 流 量；
ｖ２ 为 点 ２ 的 制 冷 剂 比 容；Ｒ 为 制 冷 剂 的 气 体 常
数；ｋ 为 制 冷 剂 的 等 熵 指 数；Ｔ６ 为 点 ６ 的 制 冷 剂
温度；ｐ２、ｐ６ 为点２、６的制冷剂 压 力；ξｐ 为 补 气 过
程 的 压 力 损 失 系 数 ，其 值 由 实 验 确 定 ，取 值 范 围 为
升高而降低，因此必然 存 在 中 间 补 气 压 力 使ａ１＝ ａ２，此时系统达到平衡并处于稳定的 运 行 状 态，所 对应的中间补气压力称为平衡补气压力。
第４期
刘 桂 兰 ，等 ：闪 发 器 热 泵 系 统 与 单 级 压 缩 系 统 性 能 比 较
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３ 模 拟 仿 真 计 算
３．１ 迭 代 算 法 与 计 算 流 程 平衡补气压力 的 求 得 可 通 过 迭 代 的 方 法，计
式。目前，我国空气源热泵应用日趋广泛，在建筑 低的情况持续时 间 一 般 较 短，因 而 系 统 的 整 体 经
节能、替代燃煤供 热 等 工 程 中 发 挥 着 越 来 越 重 要 济性变得非 常 差。 如 何 兼 顾 机 组 在 正 常 的 制 冷／
的作用。空气源 热 泵 以 电 能 为 驱 动 力，将 室 外 环 制热以及低温制热工况下运行时的经济性和可靠
ａ２
＝
ｈ４ ｈ６
－ｈ５ －ｈ４
（３）
其中，ｈ４、ｈ５、ｈ６ 分别表示状态４点、５点、６点的焓
值 。 由 （２）式 可 知 ，压 缩 机 所 能 容 纳 的 中 压 相 对 补
气 量 随 中 间 补 气 压 力 的 升 高 而 升 高 ，而 由 （３）式 可
知，闪发器的相对 闪 发 蒸 汽 量 随 中 间 补 气 压 力 的
梁 平 原 （１９７２－ ），男 ，湖 南 涟 源 人 ，博 士 ，吉 首 大 学 副 教 授 ，硕 士 生 导 师 ．
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合 肥 工 业 大 学 学 报 （自 然 科 学 版 ）
第 ３５ 卷
式的 切 换，有 关 这 方 面 的 研 究 比 较 少，为 此，笔 者 建立了带闪发器前节流的涡旋压缩机热泵系统的 数 学 模 型 ，以 哈 尔 滨 的 气 象 参 数 为 例 ，利 用 迭 代 算 法 ，对 带 闪 发 器 的 热 泵 系 统 进 行 了 模 拟 仿 真 计 算 ， 比较了闪发器补气系统和普通单级压缩系统的性 能，得出闪发器系 统 模 式 和 普 通 单 级 压 缩 系 统 模 式的最佳切换区 域，使 系 统 根 据 室 外 温 度 的 变 化 进行运行模式的 切 换，保 证 系 统 既 可 靠 又 经 济 地 运 行 ，提 高 系 统 的 整 体 运 行 经 济 性 。
Ｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅ ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｈｅａｔ ｐｕｍｐ ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ ｆｌａｓｈ－ｔａｎｋ ａｎｄ ｓｉｎｇｌｅ－ｓｔａｇｅ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ
ＬＩＵ Ｇｕｉ－ｌａｎ１， ＹＵＡＮ Ｑｕａｎ１， ＬＩＡＮＧ Ｐｉｎｇ－ｙｕａｎ２
图 １ 闪 发 器 前 节 流 系 统
该系统采用带辅助进气口的涡旋压缩机。涡 旋压缩机排出的高温、高压制冷剂 气 体（３ 点），经 冷凝 器 将 热 量 传 递 给 载 热 介 质 后 变 为 液 体 （４ 点），升温后的载 热 介 质 可 用 于 采 暖 或 其 他 用 途。 从冷凝器出来的高压制冷剂液体经膨胀阀 Ａ 节
２ 数 学 模 型 的 建 立
这里以带闪发器前节流的涡旋压缩机热泵系
统为例，将涡旋压 缩 机 的 补 气 过 程 模 型 简 化 为 绝
热 增 压 、等 容 混 合 的 过 程 ，不 考 虑 补 气 过 程 的 压 力
损 失 ，应 用 变 工 质 的 热 力 学 第 一 定 律 ，则 压 缩 机 所
算时应先假 定 中 间 补 气 压 力 ｐｍ，根 据 补 气 －压 缩 过程的计算模型、闪 发 器 的 能 量 平 衡 方 程 式 分 别 计算出ａ１、ａ２，看 ａ１、ａ２ 的 误 差 是 否 小 于 设 定 值， 并且保证补气 －压 缩 结 束 时 压 缩 腔 中 的 制 冷 剂 压 力小于中间补 气 压 力ｐｍ，结 束 迭 代 过 程，否 则 重 新假定中间补气压力 ｐｍ，继续迭 代 计 算。 整 个 补 气 －压缩过程的迭代算法如图２所示。
０．２～０．４。 影响补气过程的压力损失系数的主要因素为
中间 补 气 压 力，中 间 补 气 压 力 越 大，取 值 越 小；反
之 ，取 值 越 大 。
根据闪 发 器 的 能 量 平 衡 方 程 （１＋ａ２）ｈ４ ＝ ａ２ｈ６＋ｈ５，闪 发 器 能 够 供 给 的 相 对 补 气 量 即 循 环 相对闪发蒸汽量可以表示为：
值 ，进 行 补 气 前 内 压 缩 过 程 的 性 能 计 算 ；主 要 计 算 指标为制热量、制热 ＣＯＰ、电功率、排气温度等。
（３）根 据 补 气 －压 缩 过 程 的 迭 代 计 算 模 型 计 算补气结束时的 参 数，进 行 补 气 结 束 后 内 压 缩 过 程的性能计算，计 算 出 闪 发 器 系 统 的 主 要 性 能 指 标 ；主 要 计 算 指 标 同 以 上 步 骤 （２）。
闪发器热泵系统与单级压缩系统性能比较
刘 桂 兰１， 袁 泉１， 梁 平 原２
（１．广州铁路职业技术学院 机械与电子学院，广东 广州 ５１０４３０；２．吉首大学 信息科学与工程学院，湖南 吉首 ４１６０００）
摘 要 ：文 章 建 立 了 带 闪 发 器 前 节 流 的 涡 旋 压 缩 机 热 泵 系 统 的 数 学 模 型 ，以 哈 尔 滨 的 气 象 参 数 为 例 ，利 用 迭 代 算 法 ，对 带 闪 发 器 的 热 泵 系 统 进 行 了 模 拟 仿 真 计 算 ，比 较 了 补 气 系 统 和 单 级 压 缩 系 统 的 性 能 ，得 出 闪 发 器 系 统 模式和普通单级压缩系统模式的最佳切换区域。 关 键 词 ：热 泵 系 统 ；闪 发 器 ；单 级 压 缩 ；涡 旋 压 缩 机 ；低 温 制 热 中 图 分 类 号 ：ＴＢ６５１．８ 文 献 标 识 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：１００３－５０６０（２０１２）０４－０４４７－０５
泛的应用 。 ［１］ 而 对 于 我 国 北 方 寒 冷 地 区，长 期 依 循环 特 性 的 限 制，会 迅 速 衰 减，无 法 正 常 工 作，从
靠燃煤、燃油取暖，严重的空气污染给环境带来巨 而限制 了 空 气 源 热 泵 的 应 用 范 围。 针 对 这 一 问
大压力，因此，对于以上地区，探寻出一种清洁、节 题，有学者提出了带经济器的涡旋热泵系统，有效
能的取暖方式已成为当务之急。空气源热泵是环 地解决了空调热泵系统在低温工况下制热能力不
保型高效节能的 供 热 装 置，其 低 位 热 源 是 环 境 空 足和压缩 机 排 气 温 度 过 高 等 问 题［２－６］，使 热 泵 系
气，具有无污染物排放的特点，符合供暖的理想模 统的应用范围得到了扩展。但由于环境温度特别
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｆｒｏｎｔ－ｒｅｓｔｒｉｃｔｏｒ ｈｅａｔ ｐｕｍｐ ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ ｆｌａｓｈ－ｔａｎｋ ｉｎ ｓｃｒｏｌｌ ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ ｉｓ ｂｕｉｌｔ．Ｔａｋｉｎｇ ｔｈｅ ｍｅｔｅｏｒｏｌｏｇｉｃａｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ Ｈａｒｂｉｎ ｆｏｒ ａｎ ｅｘａｍｐｌｅ，ａｎｄ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｉｔｅｒａｔｉｏｎ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ，ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｈｅａｔ ｐｕｍｐ ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ ｆｌａｓｈ－ｔａｎｋ ｉｓ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ａｎｄ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ．Ｃｏｍｐａｒｉｎｇ ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｒｅｉｎｆｏｒｃｉｎｇ ｇａｓ ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ ｔｈａｔ ｏｆ ｓｉｎｇｌｅ－ｓｔａｇｅ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅ ｂｅｓｔ ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ ｒｅｇｉｏｎｓ ｏｆ ｆｌａｓｈ－ｔａｎｋ ｓｙｓｔｅｍ ｍｏｄｅ ａｎｄ ｏｒｄｉｎａｒｙ ｓｉｎｇｌｅ－ｓｔａｇｅ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｍｏｄｅ ａｒｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｈｅａｔ ｐｕｍｐ ｓｙｓｔｅｍ；ｆｌａｓｈ－ｔａｎｋ；ｓｉｎｇｌｅ－ｓｔａｇｅ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ；ｓｃｒｏｌｌ ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ；ｌｏｗ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｈｅａｔｉｎｇ
能容纳的中压相对补气量可以表示为：
ａ１
＝
ｍｂ ｍ０
＝
ｍｋ －ｍ０ ｍ０
＝
ｖ２ ＲｋＴ６
（ｐ２′
－ｐ２）（１）
计算时，若考虑 补 气 过 程 中 压 力 损 失，则 （１）
式成为：
ａ１
＝
ｍｂ ｍ０
＝
ｍｋ －ｍ０ ｍ０
＝
ｖ２ ＲｋＴ６
（ｐ６
－ｐ２）ξｐ ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ （２）
其中，ｍｂ 为通过补气回路的制冷剂流量；ｍ０ 为蒸
１ 闪 发 器 前 节 流 系 统 循 环
经济器系统 的 基 本 型 式 有 ２ 种：闪 发 器 系 统 和过冷器系统，闪 发 器 系 统 又 可 分 为 闪 发 器 前 节 流系统和闪发器 后 节 流 系 统，闪 发 器 前 节 流 是 两 级节流的经济器系统 。 ［７］
闪发器前节流系统如图１所示。
第３５卷 第４期 ２０１２ 年 ４ 月
合 肥 工 业 大 学 学 报 （自 然 科 学 版 ）
ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＨＥＦＥＩ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ ＯＦ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ
Ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００３－５０６０．２０１２．０４．００４
Ｖｏｌ．３５ Ｎｏ．４ Ａｐｒ．２０１２
境空气作为冷、热源，向被调节对象提供冷、热量。 性，使系统根据室外温度的变化，进行不同运行模