补气压力损失系数与一级压比对补气增焓空气源热泵性能影响

空气源热泵系统低温适用性问题一直是其在北方拓广应用的制约性因素,带有闪发器的补气增焓空气源热泵系统是解决空气源热泵低温适用性的有效手段之一。本文建立了带有闪发器的补气增焓空气源热泵系统的热力学过程数学模型,通过数值模拟研究了一级压缩比和压力损失系数对补气增焓空气源热泵系统特性的影响。结果表明,随着一级压比的逐渐增大,冷凝压力降低趋势平缓,热泵的性能系数逐渐升高,而排气温度先降低后升高,因而存在最佳一级压比。综合压缩机的排气温度和热泵的性能系数,模拟工况补气增焓空气源热泵的最佳一级压比为1.6。补气压力损失系数越大意味着有用功的损失越小,随着补气压力损失系数增大热泵的制热量、耗功逐渐增大,性能系数逐渐升高而排气温度逐渐降低,因此设计时应补气压力损失系数越大越好。     

高温CO2热泵的超临界喷气增焓性能

提出了一种基于高温超临界喷气增焓技术的新型CO₂热泵循环,以显著提升跨临界CO₂热泵在高温循环加热工况下的制热性能。通过建立超临界喷气增焓型高温CO₂热泵系统的数值模型,并采用EES（engineering equation solver）软件对该热泵系统的循环加热性能进行了仿真分析。研究了在较高气体冷却器出口温度下,蒸发温度、压缩机中间压力、气体冷却器压力等参数对单位容积制热量和性能系数（COP）的影响。结果表明：在最优排气压力下,气体冷却器出口温度高达60℃时,该热泵循环的COP也能达到3.0左右;相对于普通喷气增焓系统,COP明显提高;相对于无喷气增焓的常规系统,在气体冷却器出口温度为60℃时,相对补气量为0.3、0.4、0.5的超临界喷气增焓系统COP分别提高了14.8%、21.2%、29.2%;气体冷却器压力和中间压力对系统COP的影响变化趋势一致,但气体冷却器压力的影响更为显著;此外,存在最优的气体冷却器压力和中间压力使系统COP达到最大,在气体冷却器出口温度为60℃,相对补气量为0.4时,最优气体冷却器压力和中间压力分别为13.5MPa和8.5MPa。     

带闪发器的中间补气型热泵系统稳态仿真模型

开发了带闪发器的中间补气型热泵系统的稳态仿真模型。在模型中,通过建立基于理论的显式表达式,开发了补气压缩机性能计算模型;采用分相区计算方法,建立了能够反映相区特点的换热器性能计算模型;并开发了基于顺序模块的系统迭代算法对各部件模型进行求解。验证表明,压缩机模型对于流量和功率的计算误差分别小于±7%和±5%;换热器模型对于换热量和压降的计算误差分别小于±3%和±4%。与传统热泵系统相比,在室外温度为−20℃的低温工况下,带闪发器的中间补气型热泵系统制热量提升18.9 %。     

变工况双级压缩中间压力及其对系统性能的影响

基于质量与能量守恒方程,以转子压缩机几何模型为基础,建立反映中间压力形成过程的变容量双级压缩系统压缩机动态耦合模型,并利用实验对模型进行了校核。基于模拟和实验结果,分析了中间压力随时间的变化及其变工况特性。结果表明,中间压力具有脉动特性,但脉动幅值相对于时均值较小;在影响中间压力的因素中,低高压压缩机理论输气量比的影响最为显著,冷凝温度的影响明显小于蒸发温度的影响;系统制热量随中间压力的升高近似呈线性增加,而系统制热COP随中间压力升高具有先升高后降低的趋势,且存在最优值。     

补气增焓热泵机组在供热工况下的噪声特性

以自行开发的一台补气增焓空气源热泵机组为实验对象,通过分步运行法对机组噪声源进行识别和频谱分析,研究变工况下机组供热性能及噪声变化规律,通过对噪声特性和变化规律原因的探究,为针对性地降低机组噪声提供了方向。结果表明：风机旋转噪声频率和压缩机激励频率接近时,噪声声压级会放大;风机在部分负荷工况下从高转速切换到低转速,噪声下降了6.44 dB;补气提高了补气压力和吸气压力,导致管路噪声增大,−12℃环境温度下噪声较补气阀关闭时增加了1.05 dB;主路阀开度100%时噪声声压级较开度30%时增加了2.1 dB,主路膨胀阀开度对噪声的影响大于补气膨胀阀。     

乙烯装置压缩机紧急停车系统压力动态模拟初探

基于对典型乙烯装置压缩机系统防喘振回路的分析,提出了对压缩机紧急停车时系统压力进行动态模拟的数学模型及相关求解方法,并将其应用于乙烯装置裂解气压缩机及丙烯制冷压缩机系统。通过与某乙烯装置裂解气压缩机系统现场压力数据的比对,模型的可靠性得到了验证。基于经验证的模型,对某新建乙烯装置裂解气压缩机系统停车时系统压力的变化进行了动态模拟,定量分析证实三返一防喘振回路设置旁路防喘阀、五返四防喘振回路采用五段压控阀停车联锁放火炬均可使系统压力平衡时间显著缩短,降低了压缩机反转的可能性。还对某新建装置丙烯制冷压缩机系统进行了动态模拟,获得了系统的压力平衡时间,并找到了制约系统压力平衡时间的关键因素。     

电动汽车用短型线涡旋压缩机补气特性

为探究电动汽车用短型线涡旋压缩机在不同工况下的补气特性及制热COP与补气系数k之间的联系，采用第二制冷剂量热器法进行实验研究。结果表明：补气主要对总质量流量的增量和压缩机功率的增量有影响，两者增长的强弱共同决定了该压缩机性能的变化趋势；蒸发温度越低则补气效果越明显，蒸发温度为-22℃时制热量可提高15.9%;排气温度随补气压力的增大先降低后逐渐升高，在补气压力较低时，压缩机效率可以得到一定的提升；蒸发温度在-22—-1℃的范围内，制热COP随补气系数k呈先增后降的趋势，并且制热COP在补气系数k为0.65—0.85的范围内最优。     

两级分凝自复叠制冷系统特性

以两级分凝自复叠制冷系统为研究对象,分析了三元混合工质空间和平面汽液平衡特性,对三元混合工质的组分变化规律及运行特性进行了理论研究。应用混合工质物性分析软件Refprop 8.0根据冷凝蒸发器冷量平衡特性讨论了混合工质组分比例,得到比较合理的配比组成65/20/15。通过5个平面压焓图的空间变化关系分析了自复叠制冷系统工质分离、混合和运行特性。根据实验研究,循环系统高低压旁通和相分离器出口气体旁通可有效改善压缩机启动初期系统压力和温度过高的问题。对系统各级节流降温过程进行了分析,并对压缩机的吸排气温度和蒸发温度进行了研究。     

R236fa/R32大滑移温度混合工质的优选方法及实验验证

针对适用不同制冷工况下混合工质组成及组分的多样化选择问题,提出了对应用于双温制冷机组的大滑移温度混合工质R236fa/R32组分在冷凝温度范围为311～333K、蒸发温度范围为269～290K的优选方法。对R236fa/R32的温度随焓值非线性变化特性进行了理论研究;建立了混合制冷剂蒸发换热过程由于温度随焓值非线性变化特性产生的熵增模型,通过对混合工质不同组分高、低温蒸发器的熵增变化情况确定最佳组分。并搭建了试验台,通过实验研究得到了该混合工质不同组分下在换热器中的温度分布情况、制冷效率（COP）及压缩机功耗情况验证该优选方法的结果。研究结果表明：该熵增模型能够较好地反映该混合制冷剂不同组分的COP特性及压缩机功耗,随着R32质量分数的增加,蒸发器的熵增先增大、后减小,在R236fa/R32为4∶6时,低温蒸发段和高温蒸发段由于温度随焓值非线性变化特性产生的熵增都最小,因此为该机组的最佳组分,验证了理论分析的正确性。该方法可以为不同工况下混合工质的优选提供参考。     

喷射器对热泵制热性能改进的模拟研究

将喷射器用于涡旋压缩机补气的热泵系统中。用实验数据拟合出了补气工况下压缩机指示效率,建立喷射器补气热泵系统的热力学分析模型,对其运行性能进行了分析。结果表明,相对于普通补气系统,喷射器补气热泵系统不降低系统的制热量,制热能效比可提高3％-5％;喷射器补气热泵系统的适宜补气压力为0.85-1.0MPa。     

Process synthesis for cascade refrigeration system based on exergy analysis

Refrigeration system holds an important role in chemical/petrochemical processes. The traditional cascade refrigeration system (CRS) used in ethylene plants contains multiple refrigerants working at multiple temperature/pressure levels. In this study, a general methodology is developed for the optimal process synthesis of a CRS based on exergy analysis. This procedure involves four stages: (1) refrigeration system exergetic analysis; (2) optimization model development for simultaneous synthesis of refrigeration system and heat exchanger network (HEN); (3) HEN configuration; and (4) final solution validation. The exergy–temperature chart is used to comprehensively analyze a CRS. A mathematical model is presented to minimize total compressor shaft work of the HEN‐considered CRS, where multiple recycling loops satisfying all cooling/heating demands are simultaneously addressed. The optimal solution is examined by rigorous simulations to verify its feasibility and consistency. The efficacy of the developed methodology is demonstrated by a case study of a propylene CRS in an ethylene plant. © 2015 American Institute of Chemical Engineers AIChE J, 61: 2471–2488, 2015     

泵供液氨制冷装置管道阻力模拟及管径优化

建立泵供液氨制冷装置的吸气管和回汽管流动压降的数学模型。基于吸气管、回汽管流动压降模型和氨热力特性模型对泵供液制冷循环进行模拟分析。对制冷量为100 kW的某水产冷库制冰回路（152 m长回汽管和102 m长吸气管）的模拟计算结果表明：与传统的选径方法比较，通过程序优化选径可以使整个系统的COP上升7.6%;年节电达9092 kW•h;优化后管件尺寸增大而增加的初投资可在两年内回收。模拟计算结果也表明管径优化后的系统降低了压缩机的排气温度，间接延长了压缩机的使用寿命。     

自复叠制冷系统压力和组分调节

热气旁通调节可有效排除高压对自复叠制冷系统的危害，但对混合工质的组分没有调节作用。针对三级自复叠制冷系统冷凝压力和排气温度较高的特点，提出了带两路旁通的4种压力和组分调控方式。热气旁通调节时冷凝压力周期性波动变化较大，电磁阀开启较频繁，系统开机70 min后才能达到稳定状态。二级相分离器气相出口旁通调节时冷量损失较严重，低温工质的冷量通过旁通管路排放到膨胀容器。一级相分离器气相出口调节和两个相分离器气相出口同时调节时制冷系统的性能很接近，系统开机30 min后即可达到稳定运行状态。通过对压缩机和蒸发器运行工况检测，一级相分离器气相出口调节和两个相分离器气相出口同时调节为较好的自动复叠制冷系统压力和组分调控方式。     

Analysis of a mechanical vapor compression desalination system

The mechanical vapor compression (MVC) desalination system is based on distillation of seawater. The system is basically a heat exchanger that is an evaporator/condenser. The heat required to evaporate water which flows on one side of a heat transfer surface is supplied through the simultaneous condensation of the distillate-producing vapor on the other side of the surface. That is, the latent heat is exchanged in the evaporation—condensation process within the system. A compressor is the driving force for this heat transfer and provides the energy required separating the solution and overcoming dynamic pressure losses and other irreversibilities. In this study, the operation characteristics of a low-temperature MVC desalination system are investigated. In the modeling, the overall energy balance and mass balance equations and LMTD method for heat transfer are used. The tube diameter and the tube length were taken at 0.025 m and 9 m, respectively. The main dependent parameters, the compressor work and the mass flow rate of the distilled water, were investigated against the independent parameters, the evaporation side pressure, the condensation side pressure, and the water inlet temperature.     

水制冷剂及水蒸气压缩机研究现状和展望

水作为第4代制冷剂具有绿色环保（ODP=0,GWP<1）、原料易得、成本低廉、安全性好、稳定性高以及汽化潜热大等诸多优势,完全可以满足环保要求从而应用在热泵空调系统中;但是水蒸气分子量低、比容大以及绝热指数高也决定了水蒸气系统具有压差小、压比大、单位容积制冷量小、容积流量大、排气温度高等特点,对水蒸气制冷系统用的压缩机也提出了更高的要求。目前使用的水蒸气压缩机主要有离心式、螺杆式以及罗茨式,离心式压缩机虽然容积流量大,但是单级压比小,对液滴敏感,排气温升问题突出,叶片以及壳体材料要求高,经济成本高,适用于大流量,小压比的系统;螺杆式压缩机稳定性好,压比大,可以满足湿压缩要求,但是它容积流量有限,可用于小流量,大压比的系统;罗茨式压缩机振动小,结构简单,但是它的压比同样也比较小,适用于中小冷量,大温升系统。为了促进水制冷剂在生产生活领域的广泛使用,针对不同使用场合和供汽需求,研究开发与之适用的压缩机是未来制冷技术发展的一个重要方向。     

单缸补气转子式压缩机在热泵系统中制热性能

利用中间补气技术将单缸滚动转子式压缩机应用于空气源热泵系统中,系统地研究以R410A为冷媒的热泵系统在变频、变补气压力工况下制热性能的变化规律。实验结果表明：中间补气系统的制热量及系统功率均随着压缩机频率f、中间补气压力p_inj的增加呈上升趋势,同频率下系统功率则以线性方式增长,而系统制热量随着补气压力及频率的增大,其相对增长率逐渐减小。因此COP_h在低频时存在最佳补气压力,而在高频时无极值点;与单级压缩系统相比,在800~1200 kPa、50~80 Hz范围内,中间补气系统的制热量、功率、COP_h最大提升分别为27.55%、30.75%、7.1%。随着频率及补气压力的增加,系统COP_h下降,因此中间补气技术应与合理的控制策略相结合,可使中间补气系统达到节能高效的目的。     

飞机环控系统空气循环机仿真建模及试验校核

建立了飞机环境控制系统中压气机-涡轮-风扇式空气循环机的数学模型并开发了性能仿真模型;提出了性能试验原理及方法并开展了性能试验获得了设计工况下测试数据;通过对比不同转速下压气机增压比和效率特性、不同膨胀比条件下涡轮的温降特性、风扇压升特性等仿真结果与试验数据,修正了所建仿真模型相关参数并校核了模型有效性。结果表明,提出的仿真建模方法能够对空气循环机进行准确计算,经修正后仿真误差可以控制在±10%以内,仿真精度满足飞机环境控制系统工程设计要求,对环控系统及部件研制具有重要意义。     

乙烯装置中气相冷剂过热度的设定及其影响评述

介绍了乙烯装置上传统的丙烯、乙烯和甲烷单组分制冷以及近年出现的混合制冷中,返回压缩的气相冷剂过热度设定情况。评述了它们跟所使用换热设备的型号、出口温度的控制方式与中间冷却器的设置等实施要素的相互制约关系;并就过热度对段间吸入罐的引入、淬冷线和排液系统的优化设计方面的影响进行了分析。