壓縮機頻率對R410A/R410A復疊式熱泵系統性能的試驗研究

（天津商業大學，天津市制冷技術重點實驗室，冷凍冷藏技術教育部工程研究中心，天津 300134）

0 引言

熱泵系統的基本原理為逆向卡諾循環，熱泵循環將低溫熱源的熱量回收至高溫熱源，符合世界各國的能源保護政策和節能減排的措施［1］，國家政策的支持以及熱泵的科學性都證明了熱泵發展的巨大潛力和獨特優勢［2-4］。傳統的熱泵在蒸發溫度較低的工況下，制熱系數COP較低［5-8］。

相關學者對復疊式熱泵進行了基本研究，有關研究表明R410工質做為復疊式熱泵的低溫制冷劑可優化成本、提高穩定性和效率；楊玉忠［9］研究發現冷凝蒸發器換熱溫差越小，低溫級冷凝器釋放的熱量與高溫級吸收的熱量相等時，復疊式熱泵系統性能就越高。喬亦圓等［10］提出了級間容量比的概念，模擬了中間溫度和級間容量比對系統性能的影響。董伯雄［11］實驗研究了發現低溫級冷凝過冷度越大系統COP越大。鄭標帝［12］實驗研究了級間匹配對系統性能的影響，系統COP隨著級間容量比的增加存在一個最大值。目前國內為學者對復疊式熱泵系統的研究主要研究方向在于蒸發溫度、冷凝溫度。換熱溫差、壓縮機吸氣過熱度和過冷度對性能的影響，較少的人關注壓縮機頻率對熱泵系統所帶來影響。趙力等［13］研究了壓縮機頻率對單級壓縮式熱泵系統性能的影響，研究發現壓縮機頻率為50 Hz時，系統性能較穩定，在不同工況下均存在一個最高的COP值。Kim等［14-15］研究了最佳R134A/R410A復疊式熱泵系統性能，研究發現隨著R410A壓縮機頻率的增加，制熱量增加，增強程度大于R134A壓縮機頻率。趙瑞昌等［16-17］發現在相同工況下，對于單工質復疊式制冷系統改變高溫級壓縮機頻率對制冷系統的COP影響較大，對于復疊式熱泵系統改變低溫級壓縮機頻率對于系統的COP的影響要大，并未涉及到復疊溫差和COP增長速度等問題的研究，復疊溫差通常指低溫級冷凝溫度和高溫級蒸發溫度之差。因此對高、低溫級壓縮機頻率進行試驗研究是十分必要的。

1 R410A/R410A復疊式熱泵系統

1.1 試驗原理

復疊式熱泵循環原理如圖1所示，復疊式熱泵循環的高、低溫級均采用R410A制冷劑，主要設備包括壓縮機、冷凝器、蒸發器、冷凝蒸發器、電磁閥、電子膨脹閥、干燥過濾器、變頻器、水箱等，試驗設備選型及參數見表1。冷凝器選用水冷套管式冷凝器，外接水循環系統與制冷劑逆流換熱，水循環系統主要通過改變冷凝器進出口溫度和進出口水流量控制熱泵系統的冷凝溫度。蒸發器銅管位于冷凍水箱內，水箱內選用65%的乙二醇水溶液（濃度65%時，冰點可達-70 ℃）做載冷劑，水箱體積0.288 m3，乙二醇體積0.26 m3，載冷量13.5 kW，頂端裝有攪拌電動機用來維持水箱內溫度均勻，水箱內附有電加熱結合控溫器采用熱平衡法實現控制蒸發器工況和制冷量。壓縮機頻率通過Qma變頻器調節，電子膨脹閥驅動器通過感知壓縮機過熱度自動調節其開度。數據采集系統主要由壓力傳感器、PT100、PD194E-9S4G多功能電力儀表分別采集壓力、溫度、電能值；數據采集傳感器的標定范圍和精度見表2。

圖1 復疊式熱泵系統原理Fig.1 Schematic diagram of cascade heat pump system

表1 系統設備選型及參數Tab.1 Type selection and parameters of system equipment

表2 測量儀器參數Tab.2 Parameters of measuring instrument

1.2 試驗誤差處理

蒸發器為自制蒸發器，在對冷凍水箱增加保溫層后仍會產生一定的冷量泄漏，此外冷凍水箱頂部的攪拌電機也會對乙二醇做功影響試驗數據的準確性。制冷量、電加熱量、漏冷量、攪拌功與制冷量的關系根據能量守恒定律去計算，其中電加熱分別可由電加熱功率和攪拌電機功率確定。

式中 Q0——系統制冷量，kW；

Q1——電加熱量，kW；

Q2——漏冷量，kW；

W——攪拌功，kW；

K——泄漏系數，W/℃；

Q——總負荷，W；

Δt——載冷劑與環境的換熱溫差，℃。

式中 COP'——試驗測得制冷系數；

COP''——實際測得制冷系數；

COP——實際制熱系數。

1.3 試驗測試

通過調節電子膨脹閥開度迅速降溫，調節循環水的流量使冷凝溫度維持在50 ℃，通過調節電加熱器的功率，使得制冷系統的蒸發壓力以及載冷劑的溫度在蒸發溫度-38 ℃工況下保持穩定30 min，視為系統在該工況下達到穩定的狀態，記錄試驗數據。

試驗測試時固定高溫級頻率50 Hz，低溫級頻率在50～80 Hz范圍內變化，頻率每增加5 Hz記錄一次數據；固定低溫級頻率50 Hz，高溫級頻率在50～80 Hz范圍內變化，頻率每增加5 Hz記錄一次數據。將蒸發溫度分別設定為-36，-34，-32 ℃，重復-38 ℃下試驗步驟，記錄相關數據，試驗工況和壓縮級頻率變化情況及制冷劑的物性參數分別見表3，4。

表3 試驗工況Tab.3 Test conditions

表4 R410A的主要物性參數Tab.4 The main physical parameters of R410A

2 結果分析

2.1 壓縮機頻率對系統性能的影響

為了研究低溫環境下低溫級壓縮機頻率改變對熱泵系統性能的影響，在蒸發溫度-38 ℃，冷凝溫度50 ℃工況下進行試驗。

圖2示出了復疊溫差隨壓縮機頻率的變化關系，低溫級壓縮機頻率改變時，復疊溫差最小為4.33 ℃，最大為4.79 ℃；高溫級壓縮機頻率改變時，復疊溫差最小為5.03 ℃，最大為5.45 ℃；在低溫級或高溫級壓縮機頻率為65 Hz時，復疊式溫差均取得最小值，但高溫級壓縮機頻率改變時的最小復疊溫差仍大于低溫級壓縮機頻率改變時的最大復疊溫差。

圖3示出了高溫級和低溫級壓縮比隨低溫級頻率的變化關系。低溫級循環的壓縮比隨著低溫級壓縮機頻率的增加而增加，隨著高溫級頻率的增加而降低；高溫級循環的壓縮比隨著低溫級壓縮機頻率的增加而降低，隨著高溫級壓縮機頻率的增加而增大。低溫級壓縮機頻率由50 Hz增大至80 Hz時，低溫級壓縮比增大5.53%，高溫級壓縮比減少5.68%；高溫級壓縮機頻率由50 Hz增大至80 Hz時，低溫級壓縮比減小1.98%，高低溫級壓縮比曲線間距在數值上由0.49逐漸增大至0.96。高溫級壓縮比增大3.27%，高低溫級壓縮比曲線間距在數值上由0.66逐漸減小至0.44。

圖2 壓縮機頻率與復疊式溫差的關系Fig.2 The relationship between compressor frequency and cascade temperature difference

圖3 壓縮比與壓縮機頻率的關系Fig.3 The relationship between compression ratio and compressor frequency

圖4示出了增加低溫級頻率或高溫級頻率造成復疊式熱泵COP值的變化情況，增大高溫級或低溫級壓縮機頻率時，制熱系數COP均先增大后減小，系統存在使COP達到最高的一個最佳壓縮機頻率。

在本試驗工況下，改變低溫級的最佳COP和改變高溫級的最佳COP在75 Hz時達到頂峰，最高值為1.96和1.90，從整個COP的曲線來看，在任意一個頻率下，低溫級頻率改變時COP在數值上總是大于高溫級頻率改變時，在達到最佳COP之前，低溫級頻率增加時，COP的增長速度較快，低溫級頻率所帶來的COP的升高數值上明顯大于改變高溫級壓縮機頻率，如高溫級或低溫級頻率從55 Hz增加到60 Hz時，改變低溫級壓縮機頻率時帶來的熱泵系統COP增加5%，而改變高溫級壓縮機頻率時帶來的熱泵系統COP僅增加1%。

圖4 COP與壓縮機頻率的關系Fig.4 The relationship between COP and compressor frequency

2.2 低溫級壓縮機頻率對系統性能的影響

為了更好通過改變低溫級壓縮機頻提高復疊式熱泵系統的各項性能，在冷凝溫度為50 ℃，蒸發溫度分別為 -38，-36，-34，-32 ℃的工況下進行試驗。

在不同工況下改變低溫級壓縮機頻率下運行系統，得到不同溫度下壓縮比隨低溫級壓縮機的變化關系如圖5，6所示。

圖5 低溫級壓縮比與低溫級頻率的關系Fig.5 The relationship between the compression ratio of the cryogenic stage and the frequency of the cryogenic stage

圖6 高溫級壓縮比與低溫級頻率的關系Fig.6 Relationship between compression ratio of high temperature stage and frequency of low temperature stage

在不同工況下，低溫級壓縮機頻率由50 Hz增加至80 Hz時，大量數據表明壓縮比隨低溫級頻率關系與圖3結論一致。這是因為蒸發溫度降低，吸氣比體積增大，吸氣量增大，制冷劑流量減少，冷凝蒸發器負荷減少，高溫級循環需要降低蒸發溫度（壓力）減少制冷量，高溫級冷凝溫度保持穩定，低溫級循環制冷劑流量的減少造成低溫級循環冷凝壓力的下降遠遠小于熱泵系統蒸發溫度降低造成的低溫級循環蒸發壓力下降，故高、低溫級壓縮機頻率一定時，隨著蒸發溫度的降低，高、低溫的壓縮機的壓縮比均逐漸增大。低溫級壓縮機頻率固定不變時，高、低溫級壓縮比均隨著蒸發溫度的升高而降低。在任何工況和頻率下，低溫級循環壓縮比的均大于高溫級循環的壓縮比，如蒸發溫度為-32 ℃、70 Hz下，高溫級壓縮比為3.70，低溫級壓縮比為4.59。

圖7，8示出了排氣溫度與低溫級壓縮機頻率的關系，高、低溫級的排氣溫度均隨著壓縮機頻率的增大處于穩定狀態，高溫級排氣溫度波動最小值為3.11 ℃，最大值為4.16 ℃；低溫級排氣溫度波動最小值為1.1 ℃，最大值為1.4 ℃；高、低溫級壓縮機的排氣溫度的波動值隨蒸發溫度的改變低呈現先增大后減小的趨勢；在同一蒸發溫度下，增大低溫級壓縮機頻率，高溫級壓縮機的排氣溫度的波動值大于低溫級壓縮機排氣溫度的波動值；低溫級排氣溫度隨著蒸發溫度而升高，高溫級排氣溫度隨蒸發溫度的升高逐漸降低。這是因為隨著蒸發溫度（壓力）的升高，吸氣比體積減小，制冷劑流量增加，冷凝換熱器負荷增大，中間溫度升高，低溫級壓縮機排氣溫度（壓力）升高，高溫級冷凝壓力保持穩定，但壓縮比減小，故高溫級排氣溫度降低。

圖7 低溫級排氣溫度與低溫級頻率的關系Fig.7 The relationship between exhaust temperature of lowtemperature stage and frequency of low-temperature stage

圖8 高溫級排氣溫度與低溫級頻率的關系Fig.8 Relationship between exhaust temperature of high temperature stage and frequency of low temperature stage

在不同工況下改變高溫級或低溫級壓縮機頻率時COP的變化情況如圖9，10所示。在不同工況下，低溫級或高溫級壓縮機頻率增大時，COP曲線的走勢均先增大后減小；隨著蒸發溫度由-38 ℃增至-32 ℃，低溫級壓縮機頻率改變時，COP波動值逐漸降低，最大和最小波動值分別為0.34和0.22；在不同工況下，對比高溫級和低溫級壓縮機頻率改變時，高溫級的最佳頻率53 Hz，低溫級壓縮機的最佳頻率隨蒸發工況的降低由75 Hz降至65 Hz；高、低溫級壓縮機頻率改變時COP峰值隨著蒸發工況的升高先增大后減小；在蒸發工況-36 ℃時，低溫級壓縮機頻率70 Hz時COP取的最大值2.11，在蒸發工況-32 ℃時、低溫級壓縮機頻率65 Hz時COP取的最大值2.23，壓縮機頻率是調節熱泵系統的內部因素，壓縮機頻率改變只能使系統在該工況下達到最佳運行狀態，決定系統最高COP的仍是熱泵系統所處工況。

圖9 COP與低溫級頻率的關系Fig.9 The relationship between COP and frequency of low temperature stage

圖10 COP與高溫級頻率的關系Fig.10 The relationship between COP and frequency of high-temperature stage

3 結論

（1）壓縮機頻率為65 Hz時，復疊溫差均取得最小值，但高溫級壓縮機頻率改變時的最小復疊溫差仍大于低溫級壓縮機頻率改變時的最大復疊溫差；低溫級頻率增加時，COP的增長速度較快，低溫級頻率所帶來的COP的升高數值上明顯大于改變高溫級壓縮機頻率。

（2）高、低溫級壓縮機均存在使熱泵系統COP最高的最佳頻率，最佳高溫級壓縮機頻率穩定在53 Hz，最佳低溫級壓縮機頻率隨環境溫度的降低逐漸降低，可通過調節壓縮機頻率使復疊式熱泵系統COP達到最佳值。