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兩級壓縮空氣源中高溫熱泵熱水裝置如何設計?

作者:制冷熱泵專家

(1)基本資料以環境空氣為低溫熱源,溫度為0℃,熱泵工質的蒸發溫度為-10℃;熱水産率為100L/h,熱水溫度為65℃,熱泵工質的冷凝溫度為70℃;自來水溫度為15℃,熱泵制熱量應為:

兩級壓縮空氣源中高溫熱泵熱水裝置如何設計?

熱泵工質采用R134a,工質在冷凝器出口處的過冷度為0℃,工質在蒸發器出口處的過熱度為0℃;取高壓壓縮機和低壓壓縮機的效率(等熵壓縮的能量消耗與實際壓縮的能量消耗之比)均為ηCOM=0.6。

(2)結構兩級壓縮中高溫熱泵熱水裝置四種典型結構及其循環過程如圖12-5所示。

兩級壓縮空氣源中高溫熱泵熱水裝置如何設計?
兩級壓縮空氣源中高溫熱泵熱水裝置如何設計?

圖12-5 兩級壓縮中高溫熱泵熱水裝置四種典型結構及其循環過程。

(3)中間壓力取高壓壓縮機與低壓壓縮機之間的中間壓力pM為:

兩級壓縮空氣源中高溫熱泵熱水裝置如何設計?

式中,pC為冷凝壓力;pE為蒸發壓力;pM為中間壓力。熱泵工質的冷凝溫度為70℃時,其冷凝壓力為2117kPa;蒸發溫度為-10℃時,其蒸發壓力為201kPa,則中間壓力為:

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此處pM取為665kPa,其對應的飽和溫度為25℃(實際應用時需對中間壓力進行優化)。

(4)工況參數計算

①A型裝置 低壓壓縮機進口處熱泵工質的焓為hD1=393kJ/kg,等熵壓縮時出口處工質的焓為hD2S=418kJ/kg,實際壓縮時出口處工質的焓為:為:

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取高壓壓縮機進口處熱泵工質的過熱度為5℃,則其進口處熱泵工質的焓為hG1=418kJ/kg,等熵壓縮出口處熱泵工質的焓為hG2S=442kJ/kg,實際壓縮時出口處工質的焓為:

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冷凝壓力下熱泵工質飽和液的焓hCL=304 kJ/kg,機關品質熱泵工質流過冷凝器的放熱量為:

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設裝置中熱泵工質的品質流量為mR,則有:

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解得:

兩級壓縮空氣源中高溫熱泵熱水裝置如何設計?

低壓壓縮機的功率為:

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高壓壓縮機的功率為:

兩級壓縮空氣源中高溫熱泵熱水裝置如何設計?

裝置總的壓縮機功率消耗為:

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裝置的制熱性能系數為:

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上述主要資料的彙總見表12-5。

部件确定的難點是壓縮機。由于低壓壓縮機、高壓壓縮機的運作工況不在通常的工況範圍内,需将此處壓縮機的參數折算到壓縮機性能表中某一工況才能進行壓縮機的選型。

對低壓壓縮機,其蒸發溫度為-10℃,活塞式R134a壓縮機性能資料表中較相近的一個蒸發工況是-5℃,其飽和氣的焓為396kJ/kg;冷凝溫度(中間壓力對應的飽和溫度)為25℃,與活塞式R134a壓縮機性能資料表中較相近的冷凝工況為40℃,為此,可估算該壓縮機當蒸發溫度為-5℃、冷凝溫度為40℃其功率的大緻數值來進行壓縮機的選型。粗略估算方法為:當蒸發溫度為-5℃、冷凝溫度為40℃(冷凝壓力為1016kPa)且等熵壓縮時壓縮機出口處的工質的焓為425kJ/kg,則機關品質熱泵工質實際壓縮時的能耗為(425-396)/0.6=48.3kJ/kg。

蒸發溫度為-10℃時飽和氣的比體積為0.09963m3/kg,蒸發溫度為-5℃時飽和氣的比體積為0.08284m3/kg,近似設壓縮機輸送熱泵工質的品質流量與壓縮機進口處工質蒸氣的比體積成反比,則蒸發溫度為-5℃、冷凝溫度為40℃時壓縮機輸送工質的品質流量為

0.0341×0.09963/0.08284=0.0410kg/s。壓縮機的功率消耗為0.0410×48.3=1.98kW。

由活塞式R134a壓縮機性能資料表可初選适宜機型。

對高壓壓縮機,活塞式R134a壓縮機性能資料表中與其工質蒸發溫度相近的蒸發溫度為20℃,該溫度下工質飽和氣的焓為410kJ/kg;表中與工質冷凝溫度相近的冷凝溫度為50℃(冷凝壓力為1318kPa),等熵壓縮時壓縮機出口處的工質的焓為427kJ/kg,則機關品質熱泵工質實際壓縮時的能耗為(427-410)/0.6=28.3kJ/kg。

蒸發溫度為25℃時飽和氣的比體積為0.03094m3/kg,蒸發溫度為20℃時飽和氣的比體積為0.03603m3/kg,則蒸發溫度為-5℃、冷凝溫度為40℃時壓縮機輸送工質的品質流量為

0.0341×0.03094/0.03603=0.0293kg/s。壓縮機的功率消耗為0.0293×28.3=0.83kW。

由活塞式R134a壓縮機性能資料表可初選适宜機型。

初選壓縮機型号後,還需進一步向生産商咨詢壓縮機的實際工作參數是否在允許的工況範圍之内,如部件強度,工作間隙配合,材料耐溫及與工質、潤滑油的相容性,壓縮機各處溫度,驅動裝置(如電動機等)适應性等。(待續)

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