一种热泵空调系统经济器性能测试系统及测试方法与流程

1.本发明属于热泵空调性能检测技术领域，具体涉及一种热泵空调系统经济器性能测试系统及测试方法。


背景技术：

2.热泵空调是一种节能环保的制热/制冷技术，，未来应用前景十分广阔。
3.传统热泵空调系统的涡旋压缩机在低蒸发温度下运行时，会发生吸气比容增大、压比升高，排气温度快速升高等问题，造成制热效率下降并严重影响压缩机运行的安全，因此，开发了带有中间补气功能的涡旋压缩机，即补气增焓型热泵空调系统。通过在压缩机压缩中间腔额外补充中压低温制冷剂气体，增加排气量，降低排气温度和比功，同时提升制热能力。另外，补气通道的开启和关闭可以做为一种容量卸载调节的辅助手段。
4.补气增焓技术的核心是经济器，具体实现方式为：压缩机排出的高温、高压制冷剂气体，经冷凝器将热量传递给载热介质后变为液体，从冷凝器出来的高压制冷剂液体经储液器后分为两路：主路的制冷剂液体直接进入经济器内，辅路的制冷剂液体先经过一个电磁阀，再经过膨胀阀节流降压后，变为气液混合物后也进入经济器内，二者在经济器中产生热交换，辅路的制冷剂液体吸热后变为气体后被压缩机的补气口吸入，主路的制冷剂放热变为过冷液体经膨胀阀节流降压后进入蒸发器。在蒸发器内，主路的制冷剂吸收低温环境中的热量而变为低压气体被压缩机吸气口吸入。主路和辅路的制冷剂在压缩机工作腔内混合，再进一步压缩后排出，循环工作。
5.经济器的传热与阻力特性对热泵空调系统的制热/制冷性能系数、可靠性和成本至关重要。然而目前行业关注的重点大多集中于蒸发器和冷凝器的开发和优化，关于热泵空调系统经济器的性能测试装置及测试方法仍属空白。


技术实现要素：

6.为了解决上述技术问题，本发明提供了一种热泵空调系统经济器性能测试系统。
7.本发明采用了以下技术方案：
8.一种热泵空调系统经济器性能测试系统，该测试系统在待测试热泵空调系统中，所述待测热泵空调系统在储液器与电子膨胀阀之间设置有经济器，经济器通过主路管道与辅路管道分别与待测热泵空调系统的储液器连接，其中，主路管道中制冷剂经经济器进入所述电子膨胀阀，辅助管道中制冷剂经经济器进入待测热泵空调系统中压缩机；
9.测试系统包括设置在储液器与经济器间的第一压力变送器，设置在电子膨胀阀入口的第一质量流量计，以及设置在待测热泵空调系统蒸发器与气液分离器之间的第三压力变送器；沿所述主路管道连接经济器入口方向，主路管道上设置第一温度送变器，沿所述经济器出口方向，主路管道上还设置有第二温度送变器；沿所述辅路管道连接经济器入口方向，辅路管道上设置第三温度送变器、电动调节阀，沿所述经济器出口方向，辅路管道上依次设置有第四温度送变器、第二压力变送器、第二质量流量计。
10.优选的，所述经济器的主路管道和辅路管道上还分别设置有差压变送器用于测量主路管道和辅路管道中制冷剂压降δp，其中第一差压变送器的两端分别连接经济器出入口两侧的主路管道，第二差压变送器的两端分别连接经济器出入口两侧的辅路管道。
11.优选的，根据制冷剂流向，定义制冷剂流入方向为前侧，制冷剂流出方向为后侧，则在所述第一温度送变器前侧、第二温度送变器后侧、第三温度送变器后侧，第四温度送变器后侧，还均设置有球形截止阀。
12.优选的，所述第二压力送变器与第二质量流量计之间还设置有第一视液镜用于观察辅路管道中出口制冷剂相态。
13.上述一种热泵空调系统经济器性能测试系统的测试方法，该方法基于热平衡理论，通过分别测试经济器主路管道和辅路管道中制冷剂的压力及温度变化，计算辅路制冷剂和主路制冷剂的焓值和换热量，最后计算待测热泵空调系统中经济器的换热量、对数平均温差以及总传热系数，得到待测热泵空调系统经济器的综合性能。
14.优选的，测量及计算的具体步骤如下：
15.s1.在待测热泵空调系统中设置测试系统，待测热泵空调系统中，储液器中高压制冷剂经过第一压力变送器后分别流入主路管路和辅路管路，其中主路制冷剂经过第一温度送变器进入经济器，辅路制冷剂经第三温度送变器以及辅路管道上电动调节阀节流后进入经济器，所述主路制冷剂与辅路制冷剂在经济器中进行热交换；热交换后，所述主路制冷剂流出经济器，依次经过第二温度送变器、第一质量流量计后进入待测热泵空调系统中蒸发器，再经过所述第三压力变送器进入气液分离器，所述辅路制冷剂流出经济器，依次经过第四温度变送器、第二压力变送器和第二质量流量计后，直接进入所述气液分离器；
16.s2.由第一压力变送器得到经济器主路管道进口压力p
1,in
，由第一温度变送器得到经济器主路管道进口温度t
1,in
，第二温度变送器得到经济器主路管道出口温度t
1,out
，第一差压变送器得到主路压降δp1，第一质量流量计得主路制冷剂的流量m1，则：
17.主路管道出口压力p
1,out
＝p
1,in-δp1，
18.根据具体制冷剂物性查表计算主路管道进口焓值h
1,in
和主路管道出口焓值 h
1,out
，
19.经济器主路管道的换热量q1＝m1(h
1,in-h
1,out
)，
20.由第四温度变送器得到经济器辅路管道出口温度t
2,out
，第二压力变送器得到经济器辅路管道出口压力p
2,out
，第二差压变送器得到辅路压降δp2，第二质量流量计得辅路制冷剂的流量m2，则：
21.根据具体制冷剂物性查表计算辅路管道出口焓值h
2,out
以及根据第三温度变送器和第一压力变送器得到辅路管道进口焓值h
2,in
，
22.经济器辅路管道的换热量q2＝m2(h
2,out-h
2,in
)；
23.s3.根据下述公式分别计算经济器的换热量q、热平衡误差δq、对数平均误差δtm和总传热系数k：
24.q＝(q1+q2)/2
25.[0026][0027][0028]
te为经济器辅路入口制冷剂蒸汽压力对应的饱和温度，a为经济器换热面积。
[0029]
优选的，对于待测热泵空调系统指定工况下的经济器性能测试，热泵空调系统中的冷凝器的冷凝压力通过控制冷凝器中冷凝试验水流量大小调节，蒸发器的蒸发压力通过控制蒸发器中蒸发试验水流量大小调节，经济器主路管道中制冷剂流量通过改变压缩机频率调节，经济器辅路管道中制冷剂流量通过电动调节阀开度调节。
[0030]
本发明的有益效果在于：
[0031]
热泵空调系统经济器性能测试系统基于普通涡旋压缩机(非补气增焓型压缩机)搭建，经济器辅路进口制冷剂因通过电动调节阀产生节流效应变成气液两相，由于无法测量其干度，因此不能通过测量进口温度压力得到进口焓值。考虑到节流减压过程为等焓过程，电动调节阀前的制冷剂为单相液态，本测试系统通过设置第一压力变送器和第三温度变送器，即可得出阀前制冷剂焓值，从而准确得出经济器辅路进口制冷剂焓值。通过设置第一差压变送器和第一压力变送器，主路出口压力可由第一压力变送器减去第一差压变送器得出，再经由第二温度变送器，可准确得出主路制冷剂出口焓值。
[0032]
在经济器辅路出口设置了第一视液镜，可观察出口制冷剂相态，准确判定经济器稳定测试条件，从而提高测试结果精度。
[0033]
基于本发明的测试系统，首次提出了热泵空调系统经济器热力特性的测试方法，填补了目前热泵空调系统经济器性能测试装置及测试方法缺失的空白，有利于促进热泵空调技术的发展与应用。
附图说明
[0034]
图1为现有技术中设置经济器的热泵空调系统结构示意图；
[0035]
图2为设置本发明测试系统的热泵空调系统结构示意图；
[0036]
图3为图2中测试系统的放大图；
[0037]
图4为本测试系统用于测量热泵空调系统中冷凝器等的制冷剂流向控制示意图。
[0038]
图中标注符号的含义如下：
[0039]
10-经济器 11-主路管路 12-辅路管路 13-电动调节阀
[0040]
20-第一压力变送器 21-第一温度变送器 22-第二温度变送器 23-第三压力变送器 24-第一差压变送器 25-第三温度变送器 26-第二差压变送器 27
‑ꢀ
第四温度变送器 28-第二压力变送器 29-第一视液镜
[0041]
31-第一质量流量计 32-第二质量流量计
[0042]
41-高压金属软管 42-球形截止阀
[0043]
50-储液器 51-干燥过滤器 52-第二视液镜 53-过冷器
[0044]
60-电子膨胀阀 70-蒸发器
[0045]
80-压缩机 81-气液分离器 82-油分离器 83-电伴热带 84-第四压力变送器
[0046]
90-冷凝器
[0047]
a-第一电磁开关阀 b-第二电磁开关阀
具体实施方式
[0048]
下面结合实施例和附图对本发明的技术方案做出更为具体的说明：
[0049]
实施例1
[0050]
如图1所示为某设置经济器10的现有热泵空调系统结构示意图，包括制冷四大件即涡旋压缩机80、冷凝器90、电子膨胀阀60和蒸发器70，以及辅助设备油分离器82、储液器50、干燥过滤器51、气液分离器81和第二视液镜52等，该系统的运行流程如下：
[0051]
压缩机80排出高温高压制冷剂气体，经冷凝器90将热量传递至载热介质后变为液体，从冷凝器90出来的高压制冷剂液体经储液器50，通过干燥过滤器51、第二视液镜52后分为两路，主路制冷剂液体直接进入经济器10内，辅路制冷剂液体先经过电磁阀，再经过电子膨胀阀60节流降压后，变为气液混合物后也进入经济器10内，二者在经济器10中产生热交换，辅路的制冷剂液体吸热后变为气体后被压缩机80补气口吸入，主路的制冷剂放热变为过冷液体经电子膨胀阀60节流降压后进入蒸发器70，在蒸发器70内，主路的制冷剂吸收低温环境中的热量而变为低压气体经气液分离器81后被压缩机80吸气口吸入。
[0052]
如图2所示，根据待测热泵空调系统的不同，待测热泵空调系统中还可以设置过冷器53将自冷凝器90出来的制冷剂液体过冷至设定温度，以达到需要的过冷度，设置电伴热带83用于调整进入冷凝器90的制冷剂温度，设置第四压力变送器84测量冷凝器90的冷凝压力等。
[0053]
为测试经济器10性能，本发明提供的热泵空调系统经济器性能测试系统设置在待测试热泵空调系统中，将经济器10的主路和辅路分别成为主路管道11和辅路管道12，则经济器10通过主路管道11与辅路管道12分别与待测热泵空调系统的储液器50连接。
[0054]
测试系统包括设置在储液器50与经济器10间的第一压力变送器20，设置在电子膨胀阀60入口的第一质量流量计31，以及设置在待测热泵空调系统蒸发器70与气液分离器81之间的第三压力变送器23；沿所述主路管道11连接经济器10入口方向，主路管道11上设置第一温度送变器21，沿所述经济器10出口方向，主路管道11上还设置有第二温度送变器22；沿所述辅路管道12连接经济器10入口方向，辅路管道12上设置第三温度送变器25、电动调节阀13，沿所述经济器10出口方向，辅路管道12上依次设置有第四温度送变器27、第二压力变送器28、第二质量流量计32。
[0055]
经济器10的主路管道11和辅路管道12上还分别设置有差压变送器用于测量主路管道11和辅路管道12中制冷剂压降δp，其中第一差压变送器24的两端分别连接经济器10出入口两侧的主路管道11，第二差压变送器26的两端分别连接经济器10出入口两侧的辅路管道12。
[0056]
根据制冷剂流向，定义制冷剂流入方向为前侧，制冷剂流出方向为后侧，则在所述第一温度送变器21的前侧、第二温度送变器22的后侧、第三温度送变器25的后侧，第四温度送变器27的后侧，还均设置有高压金属软管41和球形截止阀42，其中高压金属软管41允许主路管道11和辅路管道12形变，方便更换和控制各装置设备，球形截止阀42用于控制制冷剂的流动。
[0057]
所述第二压力送变器28与第二质量流量计32之间还设置有第一视液镜29 用于观察辅路管道12中出口制冷剂相态。通常，考虑到焓值变化情况，仅当制冷剂完全气化或过热时，才认为达到了稳定测试条件。如图2、图3所示，本测试系统中第二质量流量计32还与电动调节阀13联锁，通过改变电动调节阀13 开度调节待测经济器10辅路管道12流量。另外，也可以将压缩机80与第一质量流量计31联锁，通过控制压缩机80频率调节主路管道11流量。
[0058]
本发明提供的一种热泵空调系统经济器性能测试系统的测试方法基于热平衡理论提出，通过分别测试经济器10的主路管道11和辅路管道12中制冷剂的压力及温度变化，计算辅路制冷剂和主路制冷剂的焓值和换热量，最后计算待测热泵空调系统中经济器10的换热量、对数平均温差以及总传热系数，得到待测热泵空调系统经济器的综合性能。
[0059]
具体的测量及计算步骤如下：
[0060]
s1.在待测热泵空调系统中设置测试系统，待测热泵空调系统中，储液器50 中高温高压制冷剂液体经过第一压力变送器20后分别流入主路管路11和辅路管路12，其中主路制冷剂经过高压金属软管41、第一温度送变器21进入经济器10，辅路制冷剂经第三温度送变器25以及辅路管道12上的电动调节阀13，节流降压后变为气液混合物后进入经济器10，所述主路制冷剂液体与辅路制冷剂气液混合物在经济器10中进行热交换；热交换后，所述主路制冷剂放热变为过冷液体流出经济器10，依次经过第二温度送变器22、高压金属软管41、球形截止阀42、第一质量流量计31后，进入待测热泵空调系统中电子膨胀阀60节流降压变为气液两相，再经过蒸发器70吸收蒸发试验水系统中的热量而变为低压气体，流经第三压力变送器23；所述辅路制冷剂在经济器10内吸热变为气体后，流出经济器10，依次经过第四温度变送器27、高压金属软管41、球形截止阀42、第二压力变送器28、第一视液镜29和第二质量流量计32后，与主路管路11中的制冷剂气体混合，共同进入所述气液分离器81；
[0061]
该过程中，第一差压变送器24和第二差压变送器26分别测量主路管道11 中制冷剂压降δp1和辅路管道12中制冷剂压降δp2。
[0062]
主路制冷剂和辅路制冷剂经气液分离器81处理后再进入涡旋压缩机80内进一步压缩后排出，从而构成封闭的工作循环回路。
[0063]
上述在正式测试前，还可以通过观察第四压力变送器84读取的冷凝器90 的冷凝压力和第三压力变送器23读取的蒸发器70的蒸发压力确认待测热泵空调系统是否处于稳定状态。其中，冷凝器90压力可通过控制冷凝器90中冷凝试验水流量大小调节，蒸发器70压力可通过控制蒸发器70中蒸发试验水流量大小调节。
[0064]
s2.根据s1中过程，由第一压力变送器20得到经济器主路管道11进口压力p
1,in
，由第一温度变送器21得到主路管道11进口温度t
1,in
，第二温度变送器22得到主路管道11出口温度t
1,out
，第一差压变送器24得到主路管道11压降δp1，第一质量流量计31得主路制冷剂的流量m1，则：
[0065]
主路管道11出口压力p
1,out
＝p
1,in-δp1，
[0066]
根据具体制冷剂物性查表计算主路管道11进口焓值h
1,in
和主路管道11出口焓值h
1,out
，具体可表示为h
1,in
＝f(p
1,in
,t
1,in
)，h
1,out
＝f(p
1,out
,t
1,out
)
[0067]
经济器主路管道11的换热量q1＝m1(h
1,in-h
1,out
)，
[0068]
由第四温度变送器27得到经济器辅路管道12出口温度t
2,out
，第二压力变送器28得
到经济器辅路管道12出口压力p
2,out
，第二差压变送器26得到辅路管道12压降δp2，第二质量流量计32得辅路制冷剂的流量m2。
[0069]
考虑到待测经济器10的辅路管道12进口为气液两相，由于无法测量其干度，因此不能通过测量进口温度压力得到进口焓值，可认为电动调节阀23前后焓值不变，因此辅路管道12进口焓值h
2,in
可根据第一压力变送器20得到的压力 p
2,in
、第三温度变送器25得到的温度值t
2,in
以及查具体制冷剂物性表对应数据计算得出，辅路管道12出口焓值h
2,out
可根据p
2,out
，t
2,out
以及查具体制冷剂物性表对应数据计算得出，
[0070]
可表示为h
2,in
＝f(p
2,in
,t
2,in
)，h
2,out
＝f(p
2,out
,t
2,out
)，
[0071]
经济器辅路管道12的换热量q2＝m2(h
2,out-h
2,in
)。
[0072]
s3.根据下述公式分别计算经济器10的换热量q、热平衡误差δq、对数平均误差δtm和总传热系数k：
[0073]
q＝(q1+q2)/2
[0074][0075][0076][0077]
te为经济器辅路入口制冷剂蒸汽压力对应的饱和温度，a为经济器10换热面积。
[0078]
特别的，本测试系统最终所得性能数据应以热平衡误差不大于6％为前提，以保证测试精度。
[0079]
另外，本测试系统还可以用于蒸发器70以及冷凝器90的性能测试，通过增加测试管段代替辅路管路12，相关测试方法与前述经济器10测试原理相同，在此不做赘述。特别的，在一种实施方式中，如图4所示，过冷器53还设置支路管路与第一质量流量计31连接，并且，通过设置第一电磁开关阀a、第二电磁开关阀b控制制冷剂流向，可以实现对同一待测热泵空调系统中经济器10、蒸发器70和冷凝器90的性能测试。
[0080]
以上实施方式仅用以说明本发明的技术方案，而并非对本发明的限制；尽管参照前述实施方式对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：凡在本发明创造的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。