多热源双级压缩中间补气复合热虹吸制热机组工质替代研究

【摘要】：单一热源热泵系统在严寒地区应用时存在一定的局限性,如空气源低温适应性差、地热源土壤热失衡、太阳能集热器占地面积大等等。为了使热泵系统在严寒地区更稳定、高效、经济的运行,课题组提出了一种能够综合互补利用太阳能、空气能和地热能三种热源的耦合热泵系统。该系统不仅综合了两种及两种以上能源的优势,还能有效弥补单一能源应用方面的局限性问题,通过初步研究发现该系统具有良好的经济性和节能性。其中多热源双级压缩中间补气复合热虹吸制热机组是该系统的核心,也是影响整个系统性能的关键。该机组能够运行热管工况和蒸气压缩制热工况,实现了太阳能和空气能的全年高效利用,是一个全新的制热装置。但是课题组前期在研究该机组的性能时使用的制冷剂仍是属于氢氯氟烃类(HCFCs)的R22。因此,本文主要以多热源双级压缩中间补气复合热虹吸机组为研究对象,选取了 3种目前热泵系统中研究比较热门的R22替代制冷剂R32、R290、R600a作为机组工质,分析不同制冷剂在不同工况下对机组性能的影响。本文从以下几个方面进行研究:首先,介绍了多热源双级压缩中间补气复合热虹吸机组的构成以及两种运行工况的运行原理。分析比较了三种替代工质(R32、R290和R600a)的基本热物性和理论循环性能,并采用Cleland简化计算模型对制冷剂热力性质进行建模。其次,建立了机组各主要部件的数学模型以及两种运行工况的数学模型,利用MATLAB软件搭建系统仿真实验台,其中机组部件的主要结构参数与实验样机保持一致,并在实验条件一致的情况下,将机组充注R22时的性能参数与实验值进行了对比,验证了系统数学模型的可靠性。最后,通过分别运行机组热管工况和蒸气压缩制热工况的仿真程序,模拟分析不同影响因素(太阳能辐射强度、室外环境温度和循环冷却水流量)对机组分别充注R22、R32、R290和R600a时的性能影响,并进行对比分析。通过研究发现,在两种工况下,机组充注R290时的性能均与R22非常接近,并且在环境较恶劣的情况下,仍能保持良好的制热性能。对于工质R32,热管工况下,它的制热量和COP均最高,但是机组运行压力较高,不利于机组的稳定运行,在蒸气压缩制热工况下,它的制热量仍然最高,但是由于排气温度较高,并且压缩机耗功较大,使得它的COP最低。而R600a在热管工况下的运行性能较差,但是在蒸气压缩制热工况下,它在排气温度以及COP方面的性能均较突出,但是在制热量方面性能较差。