1、陈氏低温双效热泵循环引射增压节能系统挑剔工艺学创新案例 No.39作者 挑剔工艺学创始人 陈川驰关键词：热泵 喷射器 引射器 结霜 除霜 加热器 四通换向阀 储液器 过冷器 过冷度 电子膨胀阀 蒸发器 冷凝器 数码涡旋压缩机 变频器 heatpump致谢：向空调器专业研究老前辈清华大学赵荣义教授、薛殿华教授表示深深的敬意，感谢他们 24年前引领我步入空调器研究领域，并特别感谢薛殿华教授在此文论及的试验当中给予的热心指导和鼓励；向清华大学教授中国工程院江亿院士表示崇高的敬意，感谢他对本试验研究给予的指导和帮助；还感谢巨桐林老师 24年来在制冷技术和工艺经验方面给予的无私帮助和支持。祝愿各位前辈大
2、师身体健康！特将此世界顶级节能研究成果赠送美国现任总统奥巴马同志，期望他应用本最新先进高科技发明帮助美国人民率先实现绿色节能新生活方式，通过降低能源消耗成本，增强经济竞争力，提高经济效率和效益，尽快摆脱因金融危机带来的经济不景气局面，带领美国人民走向美好的明天为中国人民做出表率。本文第二和三部分及其 图 18、 图 20、 图 21、 图 22、图 23 拥有版权著作权，任何中国企业（包括与外资合资企业，外资在中国的独资企业）不得未经本文作者授权而擅自应用本发明于其产品序列。违者追究法律责任！特此声明。摘要：本文针对常规空气源低温热泵应用存在的理论能效 COP比较低和室外换热器容易结霜影响系统
3、高效安全运行的问题，应用挑剔工艺学的方法论，通过改进压缩-引射制冷循环的特殊热力学流程，结合本人发明的双效热泵循环三效换热器技术，构建成为低温双效热泵循环引射增压节能系统，创造出适应在低温环境下经济安全运行的新一代空气源低温热泵循环系统。它的出现将真正使得空气源低温热泵循环系统在全球寒冷地区的应用不但安全，并且经济高效成为现实可能。一、典型喷射器/ 压缩混合制冷循环上海交通大学低温制冷技术研究所的研究项目介绍（本部分为摘要，本文只是引用介绍供读者了解技术发展背景经历，其数据图表结论均源自他们在公开刊物上的论文，并更正了他们原论文的几处明显错误，增加了几幅特性关系曲线图，该部分著作权归原作者上海
4、交通大学低温制冷技术研究所所有）1.实验原理图图 32.实验数据概况.喷射器随蒸发温度的变工况特性随蒸发温度的变化，喷射器的背压、喷射系数、制冷量以及制冷系统的理论 COP 随蒸发温度的变化关系，如图 4图 8 所示。从图 4 中可以看出，随着蒸发温度的提高，喷射器的背压升高，但其与蒸发压力的压差却随着蒸发温度的提高而减小。 这是由于在冷凝温度不变的情况下，系统制冷剂循环主流的流量是一定值（临界截面达到声速后流量达到最大）。图 5显示，喷射器的喷射系数随蒸发温度的提高而增大，喷射器对引射流体的压缩能力减小。图 7表明，压缩/喷射混合制冷循环系统 COP随蒸发温度的提高而增大，但是，与传统制冷系
5、统相比，系统的制冷系数 COP提高的幅度也相应减小。图 8表明，由于喷射系数随蒸发温度而增加，喷射器的制冷量也有所提高，但与传统制冷系统相比，制冷量的增加是很小的。这对设计蒸发温度较低的制冷系统来说，达到设定温度的时间要比传统制冷系统延长。这种特性也有有利的一面，传统制冷系统在启动过程中，由于蒸发温度较高，制冷量较大，为了防止引起压缩机超载，压缩机驱动电机必须选得偏大；而对于压缩/喷射混合制冷循环系统，电机就可以选得小一些。.喷射器随冷凝温度的变工况特性随冷凝温度的变化，喷射器主流流量、背压、喷射系数、制冷量以及制冷系统的理论 COP随冷凝温度的变化关系，如图 913 所示。从图 9中可以看出
6、，由于冷凝温度的提高，喷射器的主流制冷剂流量增大，从图 10看出，由于冷凝温度的提高，虽然压缩机的耗功将有所增加，而喷射系数减小。图 11表明，由于冷凝温度的提高，喷射器的背压可以升得更高，图 12表明，由于冷凝温度的提高，与传统制冷系统相比，系统 COP的升高幅度基本不受影响 。图 13表明，压缩/喷射系统的制冷量先是随着冷凝温度的升高而增加，然后减小，在设计冷凝温度时达到最大值，但与传统制冷系统相比而言，与其制冷量随蒸发温度变化情况类似，压缩/喷射制冷系统的制冷量变化幅度是很小的 。从图 14图 16表明，与传统制冷系统相比，在不同的蒸发温度和冷凝温度下，压缩/喷射混合制冷系统的吸气压力和
7、理论 COP均较高；压缩/喷射混合制冷系统的制冷量随蒸发温度和冷凝温度的变化幅度与传统制冷系统相比是较小，利用喷射器这一特性可以实现一种近似“恒制冷量”的制冷系统。比较不同的制冷剂（此处原图索引略），可以看出，对不同的制冷剂，由于热物理性质的不同，采用压缩喷射混合制冷循环，制冷系数 COP提高的幅度是不同的。从以上计算可以看出，常用制冷剂中 R404A采用压缩/喷射混合制冷循环后制冷系数提高最大，NH 3 采用压缩/喷射混合制冷循环后制冷系数提高最小，所比较的制冷剂中，制冷系数提高的幅度由大到小依次为：R404A、R410A、R290、R407C、R134a、R600a、R12、R22、NH
8、3 。而且，比较不同制冷剂喷射系数可以看出，制冷系数提高幅度越大的制冷剂，喷射系数越小。从以上分析可以得出：R404A 比较适台采用压缩/喷射混合制冷循环，在 50冷凝温度、蒸发温度为-30时，制冷系数可提高超过 50，而紧随其后的 R410A也可提高约 36，远超过其他制玲剂。.结 论在喷射器混合室直径一定的情况下：.喷射器的背压随着喷射器的喷射系数的增加而减小，喷射系数存在一个最大值，当喷射系数超过最大喷射系数时，喷射器没有升压作用；.对于一定喷射系数的制冷系统，存在一个最佳喷射器混合室直径，使得压缩/喷射混合制冷循环的性能最优。当喷射器的运行工况偏离设计工况时，喷射器的性能也会偏离设计性
9、能；.与传统制冷系统相比，在不同的蒸发温度和冷凝温度下，压缩/喷射混合制冷系统的吸气压力和 COP均较高；.当蒸发温度低于设计蒸发温度和冷凝温度高于设计冷凝温度时，压缩/喷射混合制冷系统的制冷量高于传统制冷系统；.当蒸发温度高于设计蒸发温度和冷凝温度低于设计冷凝温度时，压缩/喷射混合制冷系统的制冷量低于传统制冷系统；.利用喷射器的压缩/喷射混合制冷系统的制冷量随工况变化较小，利用喷射器这一特性可以实现一种近似“恒制冷量”的制冷系统，这种特性对于空气源热泵系统是非常有利的。注：上海交大在其特殊引射循环方式当中在此处使用的“喷射系数”不能够直接真实直观完全反映喷射器的引射作用。采用该方法“被引射”
10、制冷剂蒸汽气体从蒸发器的出气管向压缩机的运动流程不完全是引射的作用，在某种程度上是喷射器的背压的助推压缩作用产生动力作用于制冷剂液体克服蒸发器的膨胀阀的节流阻力之后产生的。也可以认为是一种二次节流，在第一次喷射节流的过程当中利用了引射作用，从而改善了第二次膨胀阀节流的不可逆损失状况，提高了整个循环的 COP系数。我认为，喷射器的引射作用应该体现在用一个比较小（不可逆绝热节流损失）的膨胀阀节流压降 P1 通过引射作用获得一个等效常规的比较大（不可逆绝热节流损失）的膨胀阀节流压降 P2 效果。推测（因为没有进一步的数据资料），在系统降温区间该循环方式下的膨胀阀的阻力调节幅度比常规压缩制冷循环膨胀阀
11、的阻力调节幅度小许多，它随蒸发器进风温度降得越低，受喷射器的引射作用越增益作用越大-蒸发压力越低。很大程度上，其降低过程不是依靠膨胀阀的节流，而更多是靠喷射器的引射作用的抽吸作用力实现的。因此，它蒸发器的降压降温的节流损失是非常小的。与常规压缩循环相比，蒸发温度越低，其被节约的能量越多，同时，制冷剂等效低温工况质量流量循环量增益值就越大。表现为 COP显著提高，制冷量基本上是“恒量”-我还通俗地理解为，虽然喷射器的引射作用的抽吸作用力实现的低压工况在热力学效能上是与常规膨胀阀节流造成的低压是相等的，但是，一个是推挤之后通过的状态，另一个是抽吸之后形成的状态，它们状态相同，但是，等效低温工况制冷
12、剂流量是不一样的。针对蒸发器而言，其制冷剂循环量是增加了，而压缩机处于比较高的吸气状态循环量同样是比较高的。使用增压比 = (喷射器背压-蒸发压力)/喷射器背压 才更能够准确真实直观反映压缩/喷射混合制冷系统的增益特性。二、认识双效热泵循环三效换热器图 17结霜一般情况下，大约开始于环境干球温度4、相对湿度70%以上，此时，室外换热器-蒸发器表面温度-1。常规抽吸风方式的室外蒸发器，结霜一般发生正在蒸发器迎风进口处，这与蒸发器翅片进口端面存在微观的空气呆滞区如图 17所示有密切关系。大量的实验报告证明结霜（露）与空气运动速度相关。图 18图 18 是本人 2008 年 1 月的实（试）验装置原
13、理图。它的出发点是利用高压液态制冷剂的余热把室外蒸发器进风口处的严重结霜现象改善，延缓、平摊、推延、减少结霜，另一方面提高过冷度改善膨胀阀的节流损失。降低热泵循环在低温工况下运行用于除霜的电能消耗，提高热泵的整体 COP 效能。前人大量实验研究证明，蒸发器进风口的严重霜堵是造成热泵系统性能急剧下降关键因素，适当的厚度均匀分布的霜层有时候反倒可以提高换热效率。因此，改变结霜发生在蒸发器进风口的霜堵现象是非常有积极意义的。图 19图 19，是 2008 年 1 月的实（试）验结果分析。前人的研究表明，结霜程度或者速率与进风的干球温度、相对湿度、迎面风速有、蒸发器表面温度有密切关系，本人的实（试）验
14、结还表明：它也与通风的方式有关和换热器通道的气压有关。即鼓吹风的通风方式，容易在蒸发器外表面出风口处结霜，并且，由于整个换热器通道气流是正压，即经过翅片和管道之间的气流对翅片形成外部环境大气压的压力，与抽吸风方式相比同一区段部位气流的露点、相对湿度，因此，在换热器中间也会发生均匀的结霜。本人认为，在不恶化热泵系统性能的情况下，适当均匀的结霜，也是从空气当中获得尽可能多的热能的收益。鼓吹风的通风方式并非本人实验的原始设计初衷，而是限于实验设备条件的被动选择。实（试）验观察到的结果，本设计达到了预期目标：进风口严重结霜现象消除，延缓、平摊、推延了结霜；观察到在蒸发器鼓吹风方式下，会在出风口形成少量
15、结霜现象，但不至于发生霜堵塞通道口导致蒸发压力下降。图 20图 20是比较理想的防止蒸发器结霜的设计方案，它采用双效热泵循环三效换热器的抽吸风通风方式，一方面避免了常规蒸发器在进风口发生的霜堵现象，同时，又解决了在鼓风通风方式下有可能在出风口发生的结霜。采用双效热泵循环三效换热器的上佳选择是“除霜加热器”与“蒸发器”部分尽可能是通过连续的翅片连接在一起的“整体”，以防止蒸发器部分的进风口前端面产生“次生”速度呆滞区，同时，尽可能采取光片或者波纹片形式，而条缝百叶片的“微分进风口”前端面会产生“次生”速度呆滞区，增加结霜的可能性。条缝百叶片与光片或者波纹片形式相比，其相对进风口端面前端面产生“次
16、生”速度呆滞区的面积至少增加 4（条）x2（3 排）倍，即增加 810倍。尽管条缝百叶片可以显著提高换热器的淅湿系数、增加获得湿空气当中的凝露放热能力，但是，在低温高湿环境下，它高温高湿工况下的优点同时成为它低温高湿工况下的弱点。比较折中的选择是采用波纹片。有研究者文章主张，为了提高换热器的效率，采取每排翅片间距不同、形式不同的方案。这样的方案只适合高温高湿工况下的工作，在低温高湿环境下而会产生更多的“次生”速度呆滞区的面积，从而增加结霜的危害程度。当然，采用椭圆形管路应该是一种比较理想的方案，它可以明显减小管路迎风面入口“次生”速度呆滞区的面积。三、双效热泵循环三效换热器应用于低温空气源热泵
17、图 22图 23液-气引射器的特点制冷剂主流体在有一定的过冷度保证下，通过喷嘴时候的汽化可能性减少、节流损失小，增强引射性能；在混合段，具有一定过冷度的连续液滴“柱”还可以通过高速冲击对液气混合后的制冷剂蒸汽施加类似活塞作用的压缩功效，提高压缩机的吸气压力常规过冷器或者中间闪发经济器虽然都可以达到使得制冷剂提高过冷度的作用，但是，它们都存在能量丢失的弊端。通常方式下，过冷度的提高虽然改善了喷射器和膨胀阀的效能，增加了室外蒸发器的制冷（吸热）能力，但是，同时它作为热泵循环系统使用在低温空气环境下导致室外蒸发器迎风表面的翅片表面温度更低，更容易发生结霜危害，而回热器的方式也不能够改善室外蒸发器的容
18、易发生结霜的情况，也不能够提高在低温空气环境下室外蒸发器的热负荷，它仅仅提高了蒸发器回去压缩机的回气过热度-只是改善了压缩机的安全工作状况而已。在作为热泵循环系统使用的低温空气环境下，真正造成压缩机性能急剧下降的威胁来自室外蒸发器霜堵进风迅速减少造成的蒸发器热负荷减少蒸发压力急剧下降。图 24图 22所示的双效低温热泵循环引射增压节能系统采用双效热泵循环三效换热器，大幅度提高过冷度、减小因为使用优选非共沸混合制冷剂时可能因为温度滑移而产生的闪发现象，提高喷射器和膨胀阀效能，减少其节流损失，增加了室外蒸发器的制冷（吸热）能力。同时，它在低温空气环境下依靠回收提高蒸发器进液过冷度的过程而发生的热量
19、散失的热能导致室外蒸发器迎风表面的翅片表面温度得到提升、相对湿度下降，减轻了发生结霜的危害，也能够增加在低温空气环境下室外蒸发器的热负荷=增加空气进风的热量，避免由于过冷度提高导致的室外蒸发器迎风表面的翅片表面温度下降，它也提高了蒸发器回去压缩机的回气过热度，改善了压缩机的工作状况。在低温空气环境下，避免室外蒸发器由于霜堵住进风口导致进风量迅速减少造成的蒸发器热负荷减少蒸发压力急剧下降造成压缩机性能急剧下降的情况发生。双效低温热泵循环引射增压节能系统采用双效热泵循环三效换热器，可以最大幅度提升引射器-压缩机混合循环热泵系统性能。使用引射-压缩混合循环热泵系统比使用喷射-压缩混合循环热泵系统更能
20、够准确表达喷（引）射器的引射增益节能作用。在制冷循环当中压缩机低温回气压力的提高和 COP 增益作用原本主要是喷（引）射器的引射作用，而不主要是喷射作用。喷射器的喷嘴只有达到当地音速的情况下才能够产生显著的引射作用，正是这个引射作用才使得等效常规压缩循环比较高的蒸发温度（压力）能够产生常规压缩循环比较低的蒸发温度（压力）的等效低温工况性能。亦可以理解为，相同 H 的情况下，引射-压缩混合循环热泵系统的引射作用增加了低压低温制冷剂的等效（于引射器背压工况）循环流量，也就是增加了低温环境下的制热能量。需要特别指出的是，室内制热能力的提高在室外换热器进风量、温度、湿度及换热器面积、蒸发器蒸发温度不变
21、的情况下，实际上是室外蒸发器表面温度的降低结果，如果不采取积极主动的防止结霜的措施将使得制热能力的增益很快被消耗、抵消下去。因此，在此采用双效热泵循环三效换热器就显得非常有价值。由于引射-压缩混合循环热泵系统的制冷剂质量流量几乎是一“恒量”，作为双效热泵循环三效换热器的重要组件“热泵式除霜双效翅片换热器”的放热量是随着与环境低温的温差 T 增大而增大 ，因此，它使得作为双效热泵循环三效换热器的重要组件蒸发器的热负荷得到弥补。弥补是针对在低温空气环境下，常规过冷器将导致蒸发器不能够从空气当中获得更充沛的热量尽管蒸发器本身的潜在换热能力得到提高，这与夏季高温高湿工况下的制冷不是完全同样的空气能量条
22、件。因此，不能够简单套用提高制冷剂过冷度的作用机理用于冬季低温空气蒸发器易结霜工况-凝露结霜虽然是获得放热能量过程，但是，它直接的副（负）作用的却是极大的。在夏季高温工况下尽可能降低翅片蒸发器表面的温度是非常有利的措施，因为，此时空气蕴涵丰富的湿热能，而在冬季低温环境下降低翅片蒸发器表面的温度是非常有副（负）作用的。概括地说，双效热泵循环三效换热器能够在通过回收热量减少结霜的前提下比较高效地工作，以满足低温空气源热泵循环系统，尤其是引射-压缩混合循环热泵系统的应用。结论：采用双效热泵循环三效换热器并结合引射-压缩混合循环热泵系统将可以显著提高空气源热泵在低温环境下的应用价值，显著提高系统的在低温环境下的 COP能效系数。使得应用空气源热泵在低温环境下的节能采暖成为现实，将把空气源热泵循环系统的普及应用推向新的历史阶段。
