双级离心式高温水源热泵设计应用分析

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1、双级离心式高温水源热泵设计应用分析　　日常的生产生活中，我们常需要大量75℃左右甚至更高温度如85℃的热水，如：暖气片供暖，医院医用热水，工业废水余热回收，石油工业中对油气的加温降粘等。一直以来，我们主要是通过锅炉来获得高温热水。随着人们对能源供应和环境保护问题的日益关注，研发更高效节能并符合可持续发展的供热技术得到国内外的关注。高温水源热泵技术是近十几年来国外大力推广的节能环保技术，近几年在国内也得到了广泛重视。它可以在城市供热管网中部分替代电热或燃煤锅炉;可以用于电厂废水，城市污水，石油化工等场合的余热回收;可以直接用江水源，海水源及土壤源做

2、制热或热回收。用高温水(地)源热泵提供热水，一方面可以缓解我国过于依赖煤炭的能源形式;另一方面可以解决地热尾水、工业废水直接排放所造成的环境热污染等问题;并可取得显著的环保效应和经济效应;可避免燃煤、燃油锅炉产生的废气、废渣对周边环境的污染;　　目前国内外针对55℃及以下的水源热泵技术已很成熟，有多类产品可以选择;但对水温大于75℃、制热量大于1000kW的高温水(地)源热泵的研究还是空白。本研究通过理论计算并结合系统设计及实例分析，提出了双级离心式高温热泵解决方案，该方案实现了机组的最大制热量约为13000kW，最高出水温度达到77℃的目的。　

3、　1·双级系统设计的理论计算　　1.1双级系统概念提出　　离心压缩机是一种定压头，变流量的速度型压缩机，靠电机带动叶轮高速旋转，其旋转产生的离心力提升制冷剂气体速度，通过扩压室，在其中完成动能向压能的转化。提供的压头是由离心机叶轮的转速来决定的。把气体运动时的圆周速度tV，径向速度rV，绝对速度V绘制成一个速度三角形，当气体从径向进气时，由欧拉方程得出：　　　　压头系数是衡量压缩机能量头达到最大值2tV的程度，vttφ=VV;由能量头公式可以得出结论，离心压缩机能提供的压头与叶轮转速的平方成正比。但是，随着转速的提高，叶轮的强度及叶轮直径设计无法

4、匹配过高的转速。目前，采用普通合金钢制造的闭式叶轮，其圆周转速一般小于300m/s。其提供的最大能量头通常不大于39℃温差。　　一旦外界系统的压头大于压缩机本身能提供的最大压头，离心压缩机就会发生喘振现象。此时压缩机的气体无法被压出，在叶轮内造成涡流，此时冷凝器中的高压气体会倒流进叶轮，使压缩机内的气体在瞬间增加，气体被排出，待压缩机内部压力下降后气体又会倒流进叶轮，如此往复循环。喘振会对离心压缩机造成极大的危害。这也是单级压缩离心机组无法提供39℃以上压头的原因。　　　　对于诸如高温热泵这类高压头的场合，需要采用双级或多级压缩来保证压缩机提供更

5、高的压头，双级压缩示意图如图1所示。双级压缩实际上是分两次来完成制冷剂提速再升压的接力过程。双级压缩可以在压缩机内通过多级叶轮实现，也可以利用两个单级叶轮压缩机串联实现;两种方案各有优劣，比较见表1。由于单级压缩机结构简单，属于成熟设计，现在大多是选用单级压缩机组合成双级压缩制冷机，而不针对双级压缩制冷的要求设计和生产多级压缩机。　　　　双级串联系统利用离心压缩机纵向的叠加，实现了离心机最高出水77℃左右的应用，大大扩展了离心机应用范围。由于系统容量与单级系统基本一致，可通过串联两个3000TR的单级离心压缩机来实现最大13000kw左右的制热量

6、。系统中主要部件大部分可以利用单级系统现有的设计，如压缩机、电机、容器等。双级系统设计主要集中在：中间温度的确定;高低压段压缩机、电机容量的选择等。　　1.2双级系统压缩机的选择及中间温度的确定　　对双级系统来讲，压缩机和中间温度直接决定了整个系统运行过程中的效率。对已给定的工质和制冷量，已知的蒸发温度和冷凝温度,可以计算出压缩机的吸排气量及所需压头。为了简化计算模型，需要做出一些假设：压缩过程为多变压缩过程;且多变压缩指数保持不变;吸排气口不存在管路压降;润滑油和制冷剂特性对整个系统不产生影响。双级压缩循环P-H图如图2所示。　　　　由于理想压

7、缩过程中不存在工质损失，即吸气口质量流量与排气口质量流量相等，则低压段压缩需要耗功：　　P3=M3×(h3-h2)(2-5)　　进一步求出低压段压缩机的叶轮转速来寻找相匹配的压缩机和电机：　　式中：ω——压缩机叶轮角速度;　　根据计算得到的功率，转速，排气量确定低压段压缩机及电机;　　同理，根据压焓图，为了求出高压段压缩机的质量流量，需要先得出中冷补气口流量。由热平衡关系，求出图中点6的干度6X：　　　　　　由以上推算过程可以看出，在蒸发压力和冷凝压力已给定的情况下，系统循环效率不仅与所选压缩机的水力效率、转速有关，而中间温度的选取也在一定程度上

8、影响的最终结果，图3给出了某个应用实例中使用R134a工质时在不同的压缩比(即中间温度)和转速下效率的变化图，这种非线性的变化率决定了在