梯级吸排气制冷循环与系统特性的基础研究

Energy savings from refrigeration and heat pump systems are in major significance for global energy saving and emission reduction. Usually, the refrigerant condensing and evaporating temperatures of actual vapor-compression refrigeration and heat pump systems mismatch with variable temperatures of heat reservoirs (secondary working fluids), which causes a great loss in heat transfer and seriously hindered the improvement of the system energy efficiency. In order to solve the above problem, in this project we propose a novel refrigeration cycle - stepped pressure cycle. By constructing multiple pressure step change in subcycles, refrigerant temperatures can approach the heat source temperatures and theoretically it can approach the Lorenz cycle of variable temperature heat reservoirs. To study the new cycle, first we will develop the theory of stepped pressure cycle using classical thermodynamics and assess its energy-saving potentials. Secondly, we will apply the finite-time thermodynamics to study the applicability of stepped pressure cycle on actual systems. Thirdly, we will investigate the system and key components (compressors and heat exchangers) characteristics of stepped pressure cycle. Finally, we will make prototypes to test the systems and components in rating conditions and seasonal operations. We are going to apply the new theory and design to energy level one residential air conditioners and 20% energy savings are expected. In short, this research will develop fundamental theory of stepped pressure cycle and will provide engineering best practices for applications.

制冷热泵系统节能对于全球的节能减排意义重大。实际制冷热泵系统的制冷剂循环多为变温热源下的蒸气压缩循环，而与压力相关的制冷剂相变温度难以与实际热源（载冷剂）温度协同变化，造成了极大的换热损失，严重阻碍了系统能效的提高。为解决上述问题，本课题提出梯级吸排气制冷循环，通过构建多个压力梯级变化的子循环，实现制冷剂相变换热温度对热源温度的梯形逼近，其理论极限为变温热源的洛伦兹循环。本课题首先在经典热力学基础上建立并发展梯级吸排气循环的理论，评估其节能潜力；其次采用有限时间热力学方法研究梯级吸排气循环在实际系统上的适用条件；然后基于数值仿真方法研究梯级吸排气系统及其关键部件压缩机和换热器的特性；最后通过样机试验研究梯级吸排气系统的实际运行特性。在目前一级能效的家用空调器基础上应用两级吸排气循环，预期可实现运行节能20%以上。本研究将为梯级吸排气制冷循环的发展奠定理论基础，并为其实际应用提供范例。

工作在变温热源条件下的蒸气压缩式制冷热泵装置，由于其制冷剂相变温度难以与热源温度协同变化，因而传热损失极大，阻碍了系统能效的提高。为了解决上述问题，本项目提出了一种提升制冷热泵系统能效的新方案——梯级吸排气循环。它通过设置数个具有一定梯度的吸排气压力，实现了制冷剂温度对换热流体温度的梯形逼近，进而有效减小两器的传热损失，并降低循环压比。本项目围绕梯级吸排气循环理论建立、适用条件量化及实现方法等基础问题，采用经典热力学，制冷系统仿真和样机试验等多种研究手段，对该新型循环及其特性进行了详实的研究。. 本项目的主要创新研究成果包括：1.系统阐述了梯级吸排气循环原理，完整地建立了相关理论。从理论上严格证明了梯级吸排气理想循环的效率与Lorenz循环能效相同，以及梯级吸排气实际循环在有限面积条件下是具备节能性的。2.确定了梯级吸排气循环在实际系统上的适用条件。通过深入研究循环特性，发现梯级吸排气循环能否产生节能效果及其节能幅度的大小，与其能否改善蒸发和冷凝换热过程的温差场均匀性以及改善幅度的大小有密切关系。3.建立了梯级吸排气制冷/热泵系统及关键部件的优化设计方法，提出了多种新型压缩机结构，研发并试制了双吸气压力转子压缩机。4.通过实验验证了梯级吸排气循环的节能性，实验中双级吸排气循环和三级吸排气循环较简单循环COP分别提高了12.3%和18.7%。5.梯级吸排气循环得到了成功实践，研发了采用双吸气压力技术的直膨式新风除湿机，其能效指标处于国际领先水平（COP 5.42，SMER 5.14kg/kWh）。基于上述成果，本项目发表论文14篇，其中JCR一区SCI论文8篇，授权发明专利12项。. 本项目建立并充分发展了梯级吸排气循环理论，相关研究成果回答了“梯级吸排气循环是什么？能否节能？怎么构建”等关键科学问题，对梯级吸排气循环从理论走向实践、助力制冷热泵装置的节能减排具有指导意义。