双级压缩空气源热泵结霜工况下性能试验研究

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3.0 高德中 2024-11-19 8 4 2.52MB 56 页 15积分
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摘 要
随着我国经济飞速发展、城市化进程不断加快，我国城镇建筑规模、房屋面
积不断扩大。人们对工作和生活环境的舒适性要求越来越高，对室内环境的空气
品质要求进一步提高。因此，研制一种适合家庭用户应用的新型、高效、清洁，
符合可持续发展要求的供热方式，已成为当前建筑节能及转变传统的供热方式亟
待解决的课题。空气源热泵系统在我国长江流域得到了广泛应用，是目前应用最
为广泛的一种热泵系统。但是空气源热泵在寒冷地区冬季制热时，由于空气源温
度过低，造成普通的单级风冷热泵吸气压力低、压比增大、工质循环量减小、排
气温度急剧上升、机组制热量下降及换热器表面结霜等一系列问题，限制了其进
一步推广使用。
针对热泵的一系列问题，提出了双级压缩热泵系统，通过双级压缩中间冷却
方式来解决压缩机压缩比过大，排气温度过高的问题，提高热泵的性能。但不管
什么形式的空气源热泵都避免不了结霜的问题。
本文针对两级压缩空气源热泵系统，选择新型环保制冷剂 R410A 作为制冷剂，
自行设计搭建起一套双级压缩空气源热泵机组结霜，并模拟室外环境温度进行结
霜试验，对试验结果进行了分析，得出热泵机组结霜性能影响。参考已有文献，
分析霜的形成机理，考虑蒸发器的结构、湿空气参数以及霜层的厚度等参数，建
立了翅片管蒸发器结霜过程中空气侧流动和换热的分布参数模型。
通过研究发现，环境温度在 0℃以下，温度越高，越利于霜层的生长，结霜越
快，对热泵机组的性能影响越大。结霜对于双级热泵机组的性能带来明显的不利
影响。机组蒸发压力因霜层增加而逐渐降低，高、低压比增大，压缩机输气系数
下降，制冷剂流量减小，机组制热量和 COP 降低，机组性能下降；但相对结霜对
单级空气源热泵的影响，随时间变化较小也较缓和。建立起的分布参数模型可用
于模拟不同环境条件、不同蒸发器结构参数下的蒸发器结霜量、换热量以及空气
侧压降等。
本课题对双级压缩空气源热泵在北方的推广有一定的积极作用。
关键词：空气源热泵 双级压缩 R410A 结霜 性能试验 仿真模型
ABSTRACT
With the rapid development of economy and the accelerating speed of the
urbanization process, the scale of urban construction and housing area have grown.
People’s comforts demanding of working and living environment have become
increasing and the air quality of indoor environment requires further. Therefore, for
home users to develop a heating method which is new, efficient, clean, consistent with
sustainable development requirements has become the urgent subject to solve for
building energy efficiency and changing the traditional heating methods. Air source heat
pump system which has been widely used in the area near Yangtze River is the widely
used heat pump system. But heating in winter of cold regions, because of low air
temperature, the ordinary single-stage air source heat pump has a range of problems,
such as low suction pressure, increase of pressure ratio, decrease of the refrigerant
circulation volume, rise of the exhaust temperature, decrease of unit heat output and
frosting of heat exchanger surface.
The two-stage compression heat pump system can solve a series of problems to
improve the performance of heat pumps, it includes large compression ratio, high
exhaust temperature. But no matter how, air source heat pump can not avoid frost
problems.
Research of Two-stage heat pump system using alternative refrigerant R410A is
carried out focusing on the experiment and simulation. A test system of two-stage
compression heat pump unit which can simulate the outdoor temperature is designed to
build for experimental study on frosting process. The tests for a variety of working
conditions results are analyzed, and then the effects of the frost on the performance for
the unit are discussed. According to the existing reference, analyzing the formation
mechanism of frost, considering the parameters which include the structure of the
evaporator, moist air status and the thickness of frost, the flow and heat transfer of air
side distributed parameter model during frosting process in the finned tube evaporator.
Through the study, we found that when the ambient temperature is below 0 ℃, the
higher the temperature, the more conducive to the growth and velocity of frost, the
larger performance impact on the heat pump. Frosting brings significant adverse effects
on the performance of two-stage heat pump. Such as decrease of evaporation pressure,
increase of high and low pressure ratio, decrease of compressor gas coefficient, decrease
of the refrigerant flow, decrease of the heating capacity and COP, degradation of unit
performance. But comparing with effects on the single-stage air source heat pump, it is
smaller and more moderate.
The subject is conducive to the promotion of two-stage compression heat pump in
the north.
Key Word: Air-source heat pump , Two-stage compression , R410A ,
Frosting , Experimental study , Simulation
目 录
摘 要
ABSTRACT
第一章 绪 论 .............................................................................................................. 1
§1.1 选题背景 ....................................................................................................... 1
§1.1.1 制冷剂...............................................................................................................1
§1.1.2 空气源热泵 .....................................................................................................2
§1.2 空气源热泵结霜的研究现状 ....................................................................... 5
§1.2.1 结霜机理的研究 ............................................................................................5
§1.2.2 结霜工况下换热器特性研究......................................................................6
§1.2.3 结霜工况对热泵系统性能的影响.............................................................6
§1.3 研究内容及意义 ........................................................................................... 6
§1.3.1 主要研究内容.................................................................................................6
§1.3.2 研究目的及意义 ............................................................................................7
第二章 霜层形成机理 .................................................................................................. 8
§2.1 霜层的形成 ................................................................................................... 8
§2.1.1 结晶生长期 .....................................................................................................8
§2.1.2 霜层生长期 .....................................................................................................8
§2.1.3 霜层充分生长期 ............................................................................................9
§2.2 霜层的结构 ................................................................................................... 9
§2.2.1 霜的多孔模型.................................................................................................9
§2.2.2 霜的冰柱模型...............................................................................................10
§2.2.3 霜的多孔—冰柱混合模型 ........................................................................11
§2.3 环境参数对霜层的影响 ............................................................................. 12
§2.4 霜层的有效导热系数 ................................................................................. 12
第三章 试验台介绍 .................................................................................................... 14
§3.1 试验系统及组成 ......................................................................................... 14
§3.1.1 环境实验室 ...................................................................................................14
§3.1.2 R410A双级压缩空气源热泵系统.............................................................18
§3.2 测试装置 ..................................................................................................... 21
第四章 双级空气源热泵结霜性能试验和数据分析 ................................................ 25
§4.1 试验目的及测试方案 ................................................................................. 25
§4.2 试验工况 ..................................................................................................... 25
§4.3 结霜试验及结果分析 ................................................................................. 26
§4.3.1 试验工况组 1 .................................................................................................26
§4.3.2 试验工况组 2 .................................................................................................31
第五章 双级压缩空气源热泵结霜数学模型的探讨 ................................................ 34
§5.1 换热模型 ..................................................................................................... 34
§5.2 霜层生长模型 ............................................................................................. 36
§5.3 空气压降模型 ............................................................................................. 38
第六章 结论与展望 .................................................................................................... 40
§6.1 结论 ............................................................................................................. 40
I
II
§6.2 今后的工作方向 ......................................................................................... 40
附录一 两级压缩热泵机组校核计算结果 .................................................................. 42
附录二 实验测试机组PLC系统控制原理................................................................... 43
附录三 实验测试机组PLC控制程序........................................................................... 44
符号表 ............................................................................................................................ 46
参考文献 ........................................................................................................................ 47
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ............................................ 52
致 谢 ............................................................................................................................ 53
第一章 绪 论
第一章 绪 论
§1.1 选题背景
§1.1.1 制冷剂
氟利昂制冷剂 CFCs(氯氟烃)、HCFCs(氢氯氟烃)中的氯原子会破坏大气臭氧
层，导致紫外线直接照射到地量大幅度增加，对生物及整个生态系统造成破坏。
同时氟利昂也会成为“温室气体”吸收地球的长波辐射，导致地球表面温度升高，
产生“温室效应”，加快全球变暖。基于保护环境，在 1985 年缔结了《保护臭氧
层维也纳公约》，这是保护臭氧层而进行全球合作的开端[1]。之后的《蒙特利尔议
定书》对 CFCs 和HCFCs 的使用期限做出了明确的规定。
目前，空调行业内使用较广泛的是属于 HCFCs 类的 R22 制冷剂。R22（二氟
一氯甲烷，CHF2Cl）具有比较稳定的物理性质和化学性质，会破坏臭氧层、产生
温室效应。因此，根据《蒙特利尔议定书》的规定，从国家层面来讲，在 2013 年
要冻结在 2009 年和 2010 年的平均基准量上，至 2015 年削减 67.5%；至 2030-2040
年期间削减 97.5%[2]。
表 1-1 R410A 的物性参数
名称 R410A
分子式 CH2F2/CHF2CF3 (50%/50%)
分子量，平均 72.58
沸点(101.3kPa)/℃ -51.53
临界温度/℃ 72.13
临界压力/kPa 4930
临界密度/kg·m-3 488.9
饱和蒸气密度(25℃) /kg·m-3 65.92
饱和液体密度(25℃) /kg·m-3 1062.4
饱和蒸气压(25℃)/kPa 1652.9
汽化热/蒸发潜热(沸点下，101.3kPa) /kJ·kg-1 276.2
比热(Cp)(25℃、101.3kPa)/kJ·(kg·K)-1，蒸气 0.832
液体 1.84
破坏臭氧潜能值(ODP) 0
全球变暖潜能值(GWP) 0.46
ASHRAE 安全级别 A1
1
摘要：

摘要随着我国经济飞速发展、城市化进程不断加快，我国城镇建筑规模、房屋面积不断扩大。人们对工作和生活环境的舒适性要求越来越高，对室内环境的空气品质要求进一步提高。因此，研制一种适合家庭用户应用的新型、高效、清洁，符合可持续发展要求的供热方式，已成为当前建筑节能及转变传统的供热方式亟待解决的课题。空气源热泵系统在我国长江流域得到了广泛应用，是目前应用最为广泛的一种热泵系统。但是空气源热泵在寒冷地区冬季制热时，由于空气源温度过低，造成普通的单级风冷热泵吸气压力低、压比增大、工质循环量减小、排气温度急剧上升、机组制热量下降及换热器表面结霜等一系列问题，限制了其进一步推广使用。针对热泵的一系列问题，提出...

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