基于Aspen Plus的自复叠热泵模拟

　　1 前言

　　增大热泵的工作温差能更好地利用低品位热能,是一项有潜力的节能减排技术措施。为了提高热泵效率和降低其成本,国内外学者对于增大热泵工作温差的研究主要集中在工质匹配和流程改进两个方面。随着研究的深入和技术的发展,研究人员对增大热泵工作温差的研究也取得了一些成果: 1)寻找和使用新型的工质。汪健生等对中高温热泵中的几种特殊现象进行了解释,并给出了中高温热泵在设计和实际运行中的一些建议^[1]。清华大学和天津大学开发了中高温热泵工质,在蒸发器入口水温与冷凝器入口水温相差约45e时仍可达到较高的COP^[2~3]; 2)压缩机喷气增焓技术可以增大热泵的工作温差,国内外一些厂家已经开发了应用于寒冷地区的低温热泵热水器^[4],对于我国冬季无集中供暖的黄河以南和长江以北区域的供热水和供暖有较好的应用前景; 3)自复叠热泵在采用原有的普通制冷压缩机的基础上可以增大其工作温差,刘金平等对使用非共沸混合工质的自复叠热泵进行了实验研究,在较低的排气压力下仍能制取约70e的热水,但是COP较低^[5]。目前限制自复叠热泵在各领域应用的瓶颈主要是其较低的COP。2006ASHRAE Handbook refrigeration^[6]指出自复叠制冷循环系统具有低压缩比和容积效率高的优点,但存在非共沸混合制冷工质和换热器复杂、制冷剂的成分和浓度对系统的性能影响显著、要求压缩机有较大的排气量等缺点。王伟等通过对各个部件建立模型,对一个实际空气源热泵机组典型动态过程进行了计算机仿真^[7]。S1G1Kim等对使用CO2混合工质的自复叠制冷系统进行了仿真,对改变CO₂摩尔分率时系统性能进行预测^[8]。由于自复叠热泵采用非共沸混合制冷工质和复杂的换热器流程,仅采用制冷剂物性数据库难于进行模拟计算。Aspen Plus软件是美国Aspen Tech公司开发的大型通用流程模拟系统,配有较完整的物性数据库,并能自动生成计算顺序,对于模拟复杂的化工过程有很大帮助^[9]。本文基于Aspen Plus软件,对自复叠热泵系统进行流程模拟和分析。

　　2 自复叠热泵系统介绍

　　本课题组开发了自复叠热泵并进行了大量实验,为了方便控制蒸发器侧的入口水温和循环水流量,在蒸发器循环水系统水箱中加入电加热器,通过调节加热器功率,可以补充被蒸发器吸收的循环水热量和水系统对外的散热,维持蒸发器入口水温,同时也可以调节蒸发器入口水温来达到实验工况要求,冷凝器和蒸发器水循环系统都设置了旁通阀和补水阀,以便能更快地调整到所需要的蒸发器入口水温和冷凝器入口水温。