自复叠热泵冷凝器设计

　　0 引言

　　随着能源和环境问题的日益突出，热泵作为新型的加热装置，由于其具有节能、环保、安全的特点，越来越受到人们的重视。单级压缩式热泵的工作温差即冷凝温度与蒸发温度之差一般为40～50 ℃，这种热泵只能提供55 ℃以下的热水，北方冬季的供热要求通常要达到80 ～100℃热水[1]。这种情况下冷凝温度和蒸发温度有将近100 ℃的温差，因为单台压缩机的压比和压差是有限的，所以用一级节流很难实现。这种大温差热泵可以通过两级压缩热泵或复叠式热泵来实现，这都需要两台压缩机，系统相对比较复杂。自复叠热泵相对于两级压缩热泵和复叠式热泵，具有结构简单、工作温差大、压比相对较低等特点[2]。混合工质自复叠热泵系统可以增大热泵的工作温差，其原理在于从冷凝器出口分离出两股流体，一股作为支流节流后冷却，另一股作为主流的流体，主流在经过冷凝器和冷凝蒸发器两次冷却后，其温度得以降低，从而降低了节流后的蒸发温度; 另一方面，由于使用了混合工质，从气液分离器出来的流体实现了组分分离，分成沸点不同的两种混合工质，主流混合工质由于富含低沸点组分，节流后温度可以进一步降低[3 -4]。

　　根据自复叠热泵系统冷凝器的工作特点，对混合工质和冷却水的传热特性进行了研究。混合工质释放的热量，包括气体工质冷却时的显热和饱和气体部分冷凝时的潜热; 冷却水吸收这些热量以后温度升高，达到提供生活热水的目的。本文利用制冷工质和冷却水相应的传热公式，首先分析其传热系数，再根据传热特点和传热系数计算其整个过程的换热系数，最后根据换热公式确定冷凝器的结构尺寸。这种方法是自复叠热泵套管式冷凝器的一种有效设计方法，此方法确定的冷凝器在本文作者所搭建的自复叠热泵试验台中均有良好的效果。

　　1 非共沸混合工质冷凝特性

　　自复叠热泵的冷凝温度和蒸发温度之差通常80～100 ℃，所以采用两级自复叠热泵就可以满足需求。选择适用于自复叠热泵系统的非共沸混合工质应遵循如下原则: ( 1) 高沸点组分能够在较高温度及中等压力条件下冷凝。( 2) 在正常的冬季大气环境温度条件下，低沸点组分能在不太低的吸气压力下蒸发吸热。( 3) 高低沸点的组分沸点差应该在40 ℃以上，便于混合工质分离。( 4) 工质对环境无害或危害尽可能小[5 -6]。综合以上因素，本文选择二元非共沸混合工质 R123/R32 进行研究，其质量比为80∶20。两种工质的物理性质见表1[7]。

　　混合制冷工质R123/R32 同时被压缩机压缩，然后进入冷凝器。在冷凝器中大部分制冷工质R123和少R32 被冷凝成液体，大部分制冷工质R32 和少量R123仍然为气体。冷凝后的气液混合物沿管路进入气液分离器，在气液分离器中由于重力的作用，气体和液体实现自动离。两种制冷工质没有达到完全分离，液体制冷剂中仍有一部分R32，其质量分数较小; 而气体中同时含有少量R123。液体经过节流装置后，开始蒸发制冷; 而气体在冷凝蒸发器中获得液体节流后的制冷量，被冷凝成液体。再经过节流装置降温降压后，进入蒸发器吸收外界环境的热量[8 -9]。其结构如图1所示。