技术干货| 单、双级压缩机及回热管对热泵系统效率研究

     

     

本文将基于GT-SUITE对单、双级压缩机和回热管对热泵系统的效率的影响进行对比研究。

   

1.研究目的

研究双级热泵的潜力，以及回热管（内部换热器IHX）对热泵系统效率的影响。

   

2.模型搭建及输入

本文将基于GT-SUITE进行热泵系统模型的搭建。

2.1 模型搭建

A．单机压缩机热泵系统

B．单机压缩机带回热管热泵系统

C．双级压缩机热泵系统

D．双级压缩机带回热管热泵系统

2.2 模型输入

压缩机Compressor：GT自带模板对象，AC_Compressor_170cc。

蒸发器Evaporator：GT自带模板对象，TubeFin_Condenser 380*530*16。

冷凝器Condenser:板式换热器, 50 plates: 300 *80mm。

回热器（IHX）：同心管，Concentric Tub，Ø 21/16mm Shell / Tube。

2.3  边界条件

冷却液边界（热侧）：20L/min, 60℃

环境边界（冷侧）：0.5kg/s，-10℃

   

3.模型计算及结果      

调整压缩机转速，得到不同制热功率下的系统仿真结果，然后对系统COP等参数进行对比分析。

注：COP的计算不考虑电机效率。

3.1  回热管对单级压缩机热泵系统的影响

回热管对单级压缩机热泵系统COP影响计算结果对比如下：

• IHX能提高系统COP约10%

• 制热功率降低，COP增大（本工况下）

• 最大制热功率4.5kW，压缩机转速限制

制热功率为3.5kW时的系统P-h图如下：

可以看出，使用IHX提高了蒸发器进出口的焓差，从而提高系统COP。

3.2  回热管对双级压缩机热泵系统的影响

回热管对双级压缩机热泵系统COP的对比如下：

• IHX的加入使系统COP降低

•  制热功率降低，COP提高（本工况下），但没有单级的明显

• 最小制热功率4.5kW，压缩机转速限制

制热功率为5.5kW时的系统P-h图如下：

可以看出，IHX的加入之所以能使系统的COP降低，是因为IHX流量下降不明显，但一级压缩机的负荷增加，导致系统总体COP降低。

3.3 温差对COP的影响

在上述计算的基础上改变冷侧和热侧温度边界，分别计算单级压缩、双级压缩机、回热管对热泵系统的影响，不同制热功率下的COP对比如下：

   

4.小结      

对于单级压缩机热泵：

• IHX能提高COP接近10%

• 换热功率越大，COP相对降低

• 温差越大，COP越低

• 换热能力受压缩机转速限制

对于双级压缩机热泵：

• IHX会降低COP（在上述状态下）

• 相比单级热泵，换热功率和温差对COP的影响要小些

• 双级热泵适合大换热功率

扩展：

• 研究双级增压配备不同压缩机、不同压比对COP的影响

• 研究制冷剂填充量对单、双级热泵COP的影响

• 研究不同形式IHX对COP的影响