中高温热泵工质的理论与实验研究

论文摘要

中高温热泵技术研究的关键问题之一就是寻找臭氧破坏势为0、温室效应势较低新型适用工质。论文围绕工质的循环性能理论与实验研究方法、冷凝温度为80-110oC工况范围内新型适用工质的提出及其理论与实验循环性能,开展了研究。在理论循环性能分析中,基于对工质在压缩机中经历的实际过程的分析,提出了一种在理论循环中与之相应的过程模型—由定压加热、绝热压缩、定压放热三个子过程组成的复合过程;较之现有的单一绝热压缩过程模型,新的过程模型及相应的过程和循环性能计算结果更加接近实际。筛选、提出了5种新型工质（纯质R245fa和混合工质M1-M4）,理论循环性能计算结果表明新工质的qv（单位容积制热量）和COP（循环性能系数）全面优于传统工质R114,其中以M3的综合性能为最优。在工质实验循环性能对比研究中,分析了在同一实验装置上,进行不同工质对比评价时,存在的影响评价测量结果客观性的不公平因素。据此,提出了一种改进型对比实验评价方法:在实验时,保证各工质分别有相同的蒸发和冷凝温度以及载热流体流量;在评价工质性能时,通过引入“面积当量温差”消除了不同工质间两器热流密度分别不同带来的不公平因素,同时以循环的热力学完善度作为评价指标,反映了工质传热性能、温差传热不可逆性对循环性能的影响。改进措施明显提高了工质循环性能对比实验评价的客观性,并使评价更为全面和深刻。对R245fa和M1、M2进行了循环性能对比实验研究。结果表明,（1）改进的实验评价方法,带来了工质间循环性能的近公平比较;（2）三种工质循环性能随工作温度的提高而提高,其中R245fa的综合性能最好。实验中取得了超过103oC的热泵热输出温度,实现了一个新的高温化实验水平。提出了一种由实验数据辨识压缩机效率的压缩机建模方法,建立了通用稳态热泵系统仿真模型。计算结果与实验数据的最大和平均偏差分别在±10%和±5%左右。采用仿真方法实现了工质循环性能的公平比较。结果表明,M3的综合性能最好;R245fa的COP仅次于M3,但qv最小; M1和M2性能居中。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的研究背景
• 1.2 热泵供热技术的节能和环保效益
• 1.3 热泵技术高温化的意义
• 1.4 中高温热泵技术的发展现状
• 1.4.1 中高温热泵工质研究的任务
• 1.4.2 中高温热泵工质的研究现状
• 1.5 本文主要内容
• 第二章 中高温热泵工质的理论循环性能分析
• 2.1 中高温热泵工质的筛选原则
• 2.1.1 环境性能
• 2.1.2 理化和输运性能
• 2.1.3 热力学性能
• 2.2 工质的热力学性质计算工具——PT 方程
• 2.2.1 PT 状态方程
• 2.2.2 混合规则
• 2.2.3 与 PT 状态方程相应的导出性质关系式
• 2.2.4 理想气体比热的推算
• 2.3 理论循环绝热压缩过程的改进计算
• 2.3.1 复合过程模型的提出
• 2.3.2 复合过程的计算
• 2.3.3 示例计算
• 2.3.4 本节小节
• 2.4 中高温热泵工质的理论循环性能计算
• 2.4.1 计算工况的设定
• 2.4.2 计算结果和讨论
• 2.5 小结
• 第三章 工质循环性能对比实验评价方法的改进
• 3.1 现行对比实验评价方式
• 3.1.1 基本方法步骤
• 3.1.2 讨论
• 3.2 实验环节存在的不公平因素
• 3.2.1 不同工质间两器的热流密度分别不同
• 3.2.2 不同工质间两器的单位截面积工质质量流量分别不同
• 3.2.3 指定环境侧参数实验方式下，不同工质间两器的单位截面积载热流体质量流量或平均温度分别不同
• 3.2.4 不同工质间压缩机排量-电机功率匹配性不同
• 3.2.5 小结
• 3.3 改进的对比实验评价方法
• 3.3.1 基本措施
• 3.3.2 讨论
• 3.3.3 引入“面积当量温差”校正实测传热温差的具体方法
• 3.3.4 循环的热力学完善度ε计算
• 3.3.5 改进措施的可行性
• 3.4 结论
• 第四章 中高温热泵工质循环性能的实验研究
• 4.1 原有循环性能实验台的改进
• 4.1.1 原有实验系统
• 4.1.2 原有实验系统存在的问题
• 4.1.3 实验台的改进措施
• 4.1.4 小结
• 4.2 循环性能的实验研究
• 4.2.1 测量参数与测量手段
• 4.2.2 基本实验步骤
• 4.2.3 实验方案设定
• 4.2.4 典型工况下三种工质的循环性能对比实验
• 4.2.5 变工况下工质的循环性能
• 4.2.6 冷凝器水流量变化对工质循环性能的影响
• 4.2.7 高温工况下工质的循环性能
• 4.3 本文对实验装置所做改进的效果
• 4.4 小结
• 第五章 中高温热泵系统仿真模型的建立
• 5.1 全封闭式活塞压缩机模型
• 5.1.1 仿真模型的建立
• 5.1.2 压缩机效率对输出参数的灵敏度分析
• 5.1.3 压缩机效率的实验辨识
• 5.2 换热器模型
• 5.2.1 换热器建模假设
• 5.2.2 换热器建模的基本方程
• 5.2.3 换热器模型求解
• 5.3 膨胀阀模型
• 5.4 系统模型
• 5.4.1 系统模型求解
• 5.4.2 系统模型验证
• 5.5 小结
• 第六章 工质循环性能对比的仿真计算
• 6.1 系统仿真输入参数的确定
• 6.2 工质循环性能的仿真计算
• 6.2.1 典型工况下的仿真计算
• 6.2.2 变工况下的仿真计算
• 6.2.3 更高温度水平下的仿真计算
• 6.3 小结
• 第七章 结论与建议
• 7.1 结论
• 7.2 建议
• 参考文献
• 符号表
• 附录
• 发表论文和科研情况说明
• 致谢