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本期，我們將針對(duì)高溫?zé)岜孟到y(tǒng)中應(yīng)用內(nèi)部自復(fù)疊技術(shù)和噴射器進(jìn)行研究分析，提出一種供熱溫度在８０~１００°Ｃ的新型空氣源髙溫?zé)岜醚h(huán)，其采用Ｒ２９０／Ｒ６００ａ非共沸混合工質(zhì)，我們將針對(duì)該熱泵循環(huán)，建立了熱力學(xué)計(jì)算模型，分析其冷凝溫度、蒸發(fā)溫度、內(nèi)部換熱器換熱溫差等參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能及噴射器性能的影響情況，并與傳統(tǒng)熱泵循環(huán)進(jìn)行了對(duì)比。 傳統(tǒng)單級(jí)壓縮熱泵系統(tǒng)（ＣＨＰ）包括串聯(lián)的四個(gè)部件：壓縮機(jī)、膨脹閥、蒸發(fā)器和冷凝器？新型空氣源高溫?zé)岜醚h(huán)（ＥＩＨＰ）的流程圖和相應(yīng)壓焓圖如圖１所示。如圖１（ａ）所示，在ＥＩＨＰ系統(tǒng)中，采用了一個(gè)氣液分離器（ＳＰ）和一個(gè)復(fù)疊換熱器（ＣＨＸ）以實(shí)現(xiàn)內(nèi)部自復(fù)疊技術(shù)，提高蒸發(fā)器中Ｒ２９０的含量，從而提高系統(tǒng)蒸發(fā)壓力，同時(shí)采用了噴射器（ＥＪ）來進(jìn)一步提高壓縮機(jī)的吸氣壓力。整個(gè)循環(huán)的流程描述如下：高壓制冷劑蒸汽經(jīng)冷凝器完全冷凝后經(jīng)過膨脹閥１（ＥＶ１）膨脹成為兩相流體（２－３－４）；該兩相流體進(jìn)入氣液分離器（ＳＰ）實(shí)現(xiàn)氣液分離（４－４ｖ，４１）；
一方面，Ｒ２９０含量較高的氣相制冷劑經(jīng)復(fù)疊換熱器（ＣＨＸ）和內(nèi)部換熱器（ＩＨＸ）冷凝并過冷，過冷后的制冷劑經(jīng)膨脹閥３（ＥＶ３）節(jié)流后進(jìn)入蒸發(fā)器，蒸發(fā)后的飽和制冷劑蒸汽作為被引射流體進(jìn)入噴射器（４ｖ－７－８－９－１０）；另一方面，Ｒ６００ａ含量較高的液相制冷劑經(jīng)膨脹閥２（ＥＶ２）節(jié)流后進(jìn)入ＣＨＸ部分蒸發(fā)，蒸發(fā)后的兩相流體作為工作流體進(jìn)入噴射器（４１－５－６）；兩股流體在噴射器中混合升壓后進(jìn)入ＩＨＸ完全蒸發(fā)，蒸發(fā)后的飽和制冷劑蒸汽進(jìn)入壓縮機(jī)被壓縮（６，１０－１１－１－２）。根據(jù)能量守恒、質(zhì)量守恒以及動(dòng)量守恒建立ＥＩＨＰ循環(huán)的計(jì)算模型，噴射器采用等壓混合模型。 為簡(jiǎn)化計(jì)算，作出以下幾點(diǎn)假設(shè)： １）噴射器內(nèi)部的膨脹、混合、擴(kuò)壓過程均為絕熱過程；２）忽略流體進(jìn)入及離開噴射器時(shí)的速度；３）噴射器的噴射效率、混合效率和擴(kuò)壓效率均根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定為定值；４）忽略循環(huán)中的制冷劑壓降及部件漏熱；５）壓縮機(jī)等熵效率由壓縮機(jī)壓比確定，引入了其經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式；６）復(fù)疊換熱器的冷端換熱溫差設(shè)定為５Ｋ；７）以冷凝器出口制冷劑質(zhì)量流速為1kg.s-1為計(jì)算基準(zhǔn)；基于以上假設(shè)，可以得的以下方程，用以計(jì)算循環(huán)相關(guān)性能。
其中，ｇｖ是系統(tǒng)的容積制熱量，V１是壓縮機(jī)進(jìn)口制冷劑比容。
基于上述方程，即可建立ＥＩＨＰ循環(huán)的性能計(jì)算模型，其流程圖如圖２所示。模型采用Ｆｏｒｔｒａｎ語言進(jìn)行編程計(jì)算，制冷劑物性根據(jù)ＮＩＳＴ物性數(shù)據(jù)庫(kù)確定％］。噴射器的效率根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定為：ηn=ηd=0.8；ηm=0.85以下將根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)ＥＩＨＰ系統(tǒng)的性能表現(xiàn)作詳細(xì)分析。
圖３展示了冷凝器出口溫度為１００°Ｃ，工質(zhì)中Ｒ６００ａ質(zhì)量含量ｚ為６５％時(shí)，蒸發(fā)器出口溫度teo。對(duì)循環(huán)相關(guān)性能參數(shù)的影響情況。
如圖３⑷所示，當(dāng)蒸發(fā)溫度升高時(shí)，兩種循環(huán)的ＣＯＰ均呈上升趨勢(shì)，這是由于蒸發(fā)溫度的上升導(dǎo)致壓縮機(jī)壓比下降，壓縮機(jī)耗功減少。３蒸發(fā)溫度從２５°Ｃ降低到－１０°Ｃ時(shí)，相較于ＣＨＰ循環(huán)，ＥＩＨＰ循環(huán)的ＣＯＰ提升了１５％到２７％。這主要是由于在ＥＨＩＰ循環(huán)中，采用了內(nèi)部自復(fù)疊技術(shù)和噴射器，大幅降低了壓縮機(jī)壓比。圖３（ｂ）展示了teo。對(duì)壓縮機(jī)壓比７和系統(tǒng)容積制熱量的影響情況，可以看出，相較：ＦＣＨＰ循環(huán)，ＥＩＨＰ循環(huán)的壓縮機(jī)壓比較低，且容積制熱童較高在ＥＩＨＰ循環(huán)中，內(nèi)部自復(fù)疊技術(shù)的應(yīng)用可以有效提高系統(tǒng)蒸發(fā)壓力，而采用噴射器可以進(jìn)一步提升壓縮機(jī)吸氣壓力，即壓縮機(jī)進(jìn)口制冷劑比容會(huì)下降，從而提高了ＥＩＨＰ的容積制熱量。當(dāng)teo從２５°Ｃ降低到－10°Ｃ時(shí)，相較于ＣＨＰ循環(huán)，ＥＩＨＰ循環(huán)的壓縮機(jī)壓比降低了２０％~４６％，容積制熱量提高了２２％~５１％。
圖４展示了teo＝０。，z＝６５％時(shí)，冷凝器出溫度teo對(duì)循環(huán)及噴射器相關(guān)性能參數(shù)的影響情況。如圖４（ａ）所示，隨teo上升，兩個(gè)循環(huán)的ＣＯＰ均呈下降趨勢(shì)，壓比呈上升趨勢(shì)。當(dāng)從80℃上升到１００°Ｃ時(shí)，相較于ＣＨＰ循環(huán)，ＥＩＨＰ循環(huán)的ＣＯＰ上升了１０％~２３％，壓縮機(jī)壓比下降了１８％~３７％，實(shí)際上，在ＥＩＨＰ循環(huán)中，冷凝溫度的變化會(huì)直接影響噴射器工作流體的壓力，從而影響其性能表現(xiàn)。圖４（ｂ）展示了噴射器引射比和升壓比隨心。的變化情況，可以看出，噴射器的升壓比隨teo的增加而降低。這主要是由于兩方面原因，一方面，冷凝壓力的上升會(huì)提高噴射器工作流體的壓力，從而提升升壓比；另一方面，由于內(nèi)部換熱器ＩＨＸ的冷端換熱溫差給定，根據(jù)能試和質(zhì)量守恒，teo的上升會(huì)使引射比降低，從而提高噴射器升壓比。因此，冷凝器出口溫度越高，ＥＩＨＰ循環(huán)的性能提升幅度越大。
圖５展示了工質(zhì)中Ｒ６００ａ質(zhì)量含量Ｚ對(duì)循環(huán)相關(guān)參數(shù)的影響情況。如圖５（ａ）所示，隨ｚ的增加，兩個(gè)循環(huán)的ＣＯＰ呈上升趨勢(shì)，容積制熱量呈下降趨勢(shì)。這是由于相較于Ｒ２９０，Ｒ６００ａ是一種高溫工質(zhì)，其ＣＯＰ在高溫工況時(shí)較高，但容積制熱量降低。從圖５（ｂ）可以看出，隨２的增加，兩個(gè)循環(huán)的壓縮機(jī)壓比上升，而壓縮機(jī)排氣溫度下降。即，Ｒ６００ａ含量的增加對(duì)循環(huán)ＣＯＰ和壓縮機(jī)排氣溫度有益，但對(duì)容積制熱量和壓縮機(jī)壓比不利，因此，在設(shè)計(jì)實(shí)際系統(tǒng)時(shí)，需對(duì)z進(jìn)行綜合考慮。
圖６展示了內(nèi)部換熱器ＩＨＸ冷端換熱溫差△t8,11對(duì)ＥＩＨＰ循環(huán)ＣＯＰ及壓縮機(jī)壓比的影響情況。可以看出，隨△t8,11的增加，循環(huán)ＣＯＰ下降，壓縮機(jī)壓比上升。這是由于當(dāng)△t8,11上升時(shí)，ＩＨＸ的換熱量下降，根據(jù)能量和質(zhì)量守恒，氣液分離器中的制冷劑干度増大，從而導(dǎo)致一次節(jié)流后制冷劑壓力的降低，一方面使得噴射器工作流體的壓力下降，另一方面導(dǎo)致引射比上升，進(jìn)而導(dǎo)致噴射器升壓比下降。而噴射器升壓比的下降會(huì)直接對(duì)循環(huán)ＣＯＰ和壓縮機(jī)壓比產(chǎn)生不利影響。因此，在實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，增加ＩＨＸ的換熱面積可以有效提升系統(tǒng)性能。本文提出了一種供熱溫度為８０~１００°Ｃ的新型空氣源高溫?zé)岜醚h(huán)（ＥＩＨＰ），該循環(huán)采用非共沸混合工質(zhì)Ｒ２９０／Ｒ６００ａ，應(yīng)用內(nèi)部自復(fù)疊技術(shù)提升蒸發(fā)壓力，并利用噴射器進(jìn)一步提升壓縮機(jī)吸氣壓力，從而改善循環(huán)性能。針對(duì)ＥＩＨＰ循環(huán)建立了相應(yīng)的熱力學(xué)計(jì)算模型，根據(jù)計(jì)算結(jié)果與傳統(tǒng)熱泵循環(huán)（ＣＨＰ）進(jìn)行了對(duì)比研究。計(jì)算表明，當(dāng)冷凝器出口溫度為100°Ｃ，蒸發(fā)器出口溫度從２５°Ｃ下降到-１０°Ｃ時(shí)，相較于ＣＨＰ循環(huán)，ＥＩＨＰ循環(huán)的ＣＯＰ提高了１５％~２７％，壓縮機(jī)壓比降低了２０％~４６％，容積制熱量提高了２２％~５１％。由于噴射器自身的工作特性，冷凝器出口溫度越高，ＥＩＨＰ循環(huán)的性能提升越顯著。此外，本文還研究了工質(zhì)中Ｒ６００ａ質(zhì)量配比、內(nèi)部換熱器冷端換熱溫差等參數(shù)對(duì)循環(huán)及噴射器性能的影響情況。綜上所述，相較于ＣＨＰ循環(huán)，ＥＩＨＰ循環(huán)的ＣＯＰ、壓縮機(jī)壓比和容積制熱量等性能均有明顯改善。
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