压缩机频率对R410A/R410A复叠式热泵系统性能的试验研究

2021-02-23

流体机械 2021年1期

（天津商业大学，天津市制冷技术重点实验室，冷冻冷藏技术教育部工程研究中心，天津 300134）

0 引言

热泵系统的基本原理为逆向卡诺循环，热泵循环将低温热源的热量回收至高温热源，符合世界各国的能源保护政策和节能减排的措施［1］，国家政策的支持以及热泵的科学性都证明了热泵发展的巨大潜力和独特优势［2-4］。传统的热泵在蒸发温度较低的工况下，制热系数COP较低［5-8］。

相关学者对复叠式热泵进行了基本研究，有关研究表明R410工质做为复叠式热泵的低温制冷剂可优化成本、提高稳定性和效率；杨玉忠［9］研究发现冷凝蒸发器换热温差越小，低温级冷凝器释放的热量与高温级吸收的热量相等时，复叠式热泵系统性能就越高。乔亦圆等［10］提出了级间容量比的概念，模拟了中间温度和级间容量比对系统性能的影响。董伯雄［11］实验研究了发现低温级冷凝过冷度越大系统COP越大。郑标帝［12］实验研究了级间匹配对系统性能的影响，系统COP随着级间容量比的增加存在一个最大值。目前国内为学者对复叠式热泵系统的研究主要研究方向在于蒸发温度、冷凝温度。换热温差、压缩机吸气过热度和过冷度对性能的影响，较少的人关注压缩机频率对热泵系统所带来影响。赵力等［13］研究了压缩机频率对单级压缩式热泵系统性能的影响，研究发现压缩机频率为50 Hz时，系统性能较稳定，在不同工况下均存在一个最高的COP值。Kim等［14-15］研究了最佳R134A/R410A复叠式热泵系统性能，研究发现随着R410A压缩机频率的增加，制热量增加，增强程度大于R134A压缩机频率。赵瑞昌等［16-17］发现在相同工况下，对于单工质复叠式制冷系统改变高温级压缩机频率对制冷系统的COP影响较大，对于复叠式热泵系统改变低温级压缩机频率对于系统的COP的影响要大，并未涉及到复叠温差和COP增长速度等问题的研究，复叠温差通常指低温级冷凝温度和高温级蒸发温度之差。因此对高、低温级压缩机频率进行试验研究是十分必要的。

1 R410A/R410A复叠式热泵系统

1.1 试验原理

复叠式热泵循环原理如图1所示，复叠式热泵循环的高、低温级均采用R410A制冷剂，主要设备包括压缩机、冷凝器、蒸发器、冷凝蒸发器、电磁阀、电子膨胀阀、干燥过滤器、变频器、水箱等，试验设备选型及参数见表1。冷凝器选用水冷套管式冷凝器，外接水循环系统与制冷剂逆流换热，水循环系统主要通过改变冷凝器进出口温度和进出口水流量控制热泵系统的冷凝温度。蒸发器铜管位于冷冻水箱内，水箱内选用65%的乙二醇水溶液（浓度65%时，冰点可达-70 ℃）做载冷剂，水箱体积0.288 m3，乙二醇体积0.26 m3，载冷量13.5 kW，顶端装有搅拌电动机用来维持水箱内温度均匀，水箱内附有电加热结合控温器采用热平衡法实现控制蒸发器工况和制冷量。压缩机频率通过Qma变频器调节，电子膨胀阀驱动器通过感知压缩机过热度自动调节其开度。数据采集系统主要由压力传感器、PT100、PD194E-9S4G多功能电力仪表分别采集压力、温度、电能值；数据采集传感器的标定范围和精度见表2。

图1 复叠式热泵系统原理Fig.1 Schematic diagram of cascade heat pump system

表1 系统设备选型及参数Tab.1 Type selection and parameters of system equipment

表2 测量仪器参数Tab.2 Parameters of measuring instrument

1.2 试验误差处理

蒸发器为自制蒸发器，在对冷冻水箱增加保温层后仍会产生一定的冷量泄漏，此外冷冻水箱顶部的搅拌电机也会对乙二醇做功影响试验数据的准确性。制冷量、电加热量、漏冷量、搅拌功与制冷量的关系根据能量守恒定律去计算，其中电加热分别可由电加热功率和搅拌电机功率确定。

式中 Q0——系统制冷量，kW；

Q1——电加热量，kW；

Q2——漏冷量，kW；

W——搅拌功，kW；

K——泄漏系数，W/℃；

Q——总负荷，W；

Δt——载冷剂与环境的换热温差，℃。

式中 COP'——试验测得制冷系数；

COP''——实际测得制冷系数；

COP——实际制热系数。

1.3 试验测试

通过调节电子膨胀阀开度迅速降温，调节循环水的流量使冷凝温度维持在50 ℃，通过调节电加热器的功率，使得制冷系统的蒸发压力以及载冷剂的温度在蒸发温度-38 ℃工况下保持稳定30 min，视为系统在该工况下达到稳定的状态，记录试验数据。

试验测试时固定高温级频率50 Hz，低温级频率在50～80 Hz范围内变化，频率每增加5 Hz记录一次数据；固定低温级频率50 Hz，高温级频率在50～80 Hz范围内变化，频率每增加5 Hz记录一次数据。将蒸发温度分别设定为-36，-34，-32 ℃，重复-38 ℃下试验步骤，记录相关数据，试验工况和压缩级频率变化情况及制冷剂的物性参数分别见表3，4。

表3 试验工况Tab.3 Test conditions

表4 R410A的主要物性参数Tab.4 The main physical parameters of R410A

2 结果分析

2.1 压缩机频率对系统性能的影响

为了研究低温环境下低温级压缩机频率改变对热泵系统性能的影响，在蒸发温度-38 ℃，冷凝温度50 ℃工况下进行试验。

图2示出了复叠温差随压缩机频率的变化关系，低温级压缩机频率改变时，复叠温差最小为4.33 ℃，最大为4.79 ℃；高温级压缩机频率改变时，复叠温差最小为5.03 ℃，最大为5.45 ℃；在低温级或高温级压缩机频率为65 Hz时，复叠式温差均取得最小值，但高温级压缩机频率改变时的最小复叠温差仍大于低温级压缩机频率改变时的最大复叠温差。

图3示出了高温级和低温级压缩比随低温级频率的变化关系。低温级循环的压缩比随着低温级压缩机频率的增加而增加，随着高温级频率的增加而降低；高温级循环的压缩比随着低温级压缩机频率的增加而降低，随着高温级压缩机频率的增加而增大。低温级压缩机频率由50 Hz增大至80 Hz时，低温级压缩比增大5.53%，高温级压缩比减少5.68%；高温级压缩机频率由50 Hz增大至80 Hz时，低温级压缩比减小1.98%，高低温级压缩比曲线间距在数值上由0.49逐渐增大至0.96。高温级压缩比增大3.27%，高低温级压缩比曲线间距在数值上由0.66逐渐减小至0.44。

图2 压缩机频率与复叠式温差的关系Fig.2 The relationship between compressor frequency and cascade temperature difference

图3 压缩比与压缩机频率的关系Fig.3 The relationship between compression ratio and compressor frequency

图4示出了增加低温级频率或高温级频率造成复叠式热泵COP值的变化情况，增大高温级或低温级压缩机频率时，制热系数COP均先增大后减小，系统存在使COP达到最高的一个最佳压缩机频率。

在本试验工况下，改变低温级的最佳COP和改变高温级的最佳COP在75 Hz时达到顶峰，最高值为1.96和1.90，从整个COP的曲线来看，在任意一个频率下，低温级频率改变时COP在数值上总是大于高温级频率改变时，在达到最佳COP之前，低温级频率增加时，COP的增长速度较快，低温级频率所带来的COP的升高数值上明显大于改变高温级压缩机频率，如高温级或低温级频率从55 Hz增加到60 Hz时，改变低温级压缩机频率时带来的热泵系统COP增加5%，而改变高温级压缩机频率时带来的热泵系统COP仅增加1%。

图4 COP与压缩机频率的关系Fig.4 The relationship between COP and compressor frequency

2.2 低温级压缩机频率对系统性能的影响

为了更好通过改变低温级压缩机频提高复叠式热泵系统的各项性能，在冷凝温度为50 ℃，蒸发温度分别为 -38，-36，-34，-32 ℃的工况下进行试验。

在不同工况下改变低温级压缩机频率下运行系统，得到不同温度下压缩比随低温级压缩机的变化关系如图5，6所示。

图5 低温级压缩比与低温级频率的关系Fig.5 The relationship between the compression ratio of the cryogenic stage and the frequency of the cryogenic stage

图6 高温级压缩比与低温级频率的关系Fig.6 Relationship between compression ratio of high temperature stage and frequency of low temperature stage

在不同工况下，低温级压缩机频率由50 Hz增加至80 Hz时，大量数据表明压缩比随低温级频率关系与图3结论一致。这是因为蒸发温度降低，吸气比体积增大，吸气量增大，制冷剂流量减少，冷凝蒸发器负荷减少，高温级循环需要降低蒸发温度（压力）减少制冷量，高温级冷凝温度保持稳定，低温级循环制冷剂流量的减少造成低温级循环冷凝压力的下降远远小于热泵系统蒸发温度降低造成的低温级循环蒸发压力下降，故高、低温级压缩机频率一定时，随着蒸发温度的降低，高、低温的压缩机的压缩比均逐渐增大。低温级压缩机频率固定不变时，高、低温级压缩比均随着蒸发温度的升高而降低。在任何工况和频率下，低温级循环压缩比的均大于高温级循环的压缩比，如蒸发温度为-32 ℃、70 Hz下，高温级压缩比为3.70，低温级压缩比为4.59。

图7，8示出了排气温度与低温级压缩机频率的关系，高、低温级的排气温度均随着压缩机频率的增大处于稳定状态，高温级排气温度波动最小值为3.11 ℃，最大值为4.16 ℃；低温级排气温度波动最小值为1.1 ℃，最大值为1.4 ℃；高、低温级压缩机的排气温度的波动值随蒸发温度的改变低呈现先增大后减小的趋势；在同一蒸发温度下，增大低温级压缩机频率，高温级压缩机的排气温度的波动值大于低温级压缩机排气温度的波动值；低温级排气温度随着蒸发温度而升高，高温级排气温度随蒸发温度的升高逐渐降低。这是因为随着蒸发温度（压力）的升高，吸气比体积减小，制冷剂流量增加，冷凝换热器负荷增大，中间温度升高，低温级压缩机排气温度（压力）升高，高温级冷凝压力保持稳定，但压缩比减小，故高温级排气温度降低。

图7 低温级排气温度与低温级频率的关系Fig.7 The relationship between exhaust temperature of lowtemperature stage and frequency of low-temperature stage

图8 高温级排气温度与低温级频率的关系Fig.8 Relationship between exhaust temperature of high temperature stage and frequency of low temperature stage

在不同工况下改变高温级或低温级压缩机频率时COP的变化情况如图9，10所示。在不同工况下，低温级或高温级压缩机频率增大时，COP曲线的走势均先增大后减小；随着蒸发温度由-38 ℃增至-32 ℃，低温级压缩机频率改变时，COP波动值逐渐降低，最大和最小波动值分别为0.34和0.22；在不同工况下，对比高温级和低温级压缩机频率改变时，高温级的最佳频率53 Hz，低温级压缩机的最佳频率随蒸发工况的降低由75 Hz降至65 Hz；高、低温级压缩机频率改变时COP峰值随着蒸发工况的升高先增大后减小；在蒸发工况-36 ℃时，低温级压缩机频率70 Hz时COP取的最大值2.11，在蒸发工况-32 ℃时、低温级压缩机频率65 Hz时COP取的最大值2.23，压缩机频率是调节热泵系统的内部因素，压缩机频率改变只能使系统在该工况下达到最佳运行状态，决定系统最高COP的仍是热泵系统所处工况。