王造奇（1951—），男，碩士研究生，祖籍上海，現居住安徽合肥，安徽建築大學副教授，《流體力學》第二版主編，《燃氣供應工程》副主編。
基本介紹
- 中文名：王造奇
- 外文名：Wang Zaoqi
- 國籍：中華人民共和國
- 民族：漢
- 出生日期：1951年7月
- 職業：大學副教授
- 代表作品：《流體力學》《燃氣供應工程》
- 學歷：研究生
- 職稱：副教授
- 所在學校：安徽建築大學
- 通信地址：安徽建築大學環境與能源工程學院
- 學位：碩士
- 研究方向：城市燃氣、流體力學
發表論文,編著目錄,代表論文,
發表論文
主題：高活性脫硫劑增濕脫硫過程的數值模擬
動力波洗滌器的數值模擬研究
太陽能熱泵系統的穩定性建築環境與設備工程專業課程新體系框架探討
用偏微分證理想氣體內能的性質
有限元格線全自動生成的九分法
鋼筋砼短梁正截面受力性能的非線性有限元分析
基於莫爾拓撲與圖象處理的三維測量法
編著目錄
流體力學
緒論
第一節 作用在流體上的力
第二節 流體的主要物理性質
第三節 表面張力和毛細現象
第四節 流體力學的模型和研究方法
習題
第一章 流體靜力學
第一節 流體靜壓強及其特徵
第二節 流體平衡微分方程
第三節 重力作用下的流體平衡基本方程
第四節 流體壓強的表示方法
第五節 流體的相對平衡
第六節 靜止流體作用在平面上的壓力
第七節 靜止流體作用在曲面上的壓力
習題
第二章 流體運動學
第一節 研究流體運動的方法
第二節 流體運動的基本概念
第三節 流體的連續性方程
第四節 流體微團運動的分析
第五節 有旋流動和無旋流動
習題
第三章 流體動力學基礎
第一節 流體運動微分方程
第二節 恆定元流的能量方程
第三節 恆定總流的能量方程
第四節 恆定氣流的能量方程
第五節 恆定流動的動量方程和動量矩方程
習題
第四章 流動阻力和能量損失
第一節 沿程損失和局部損失
第二節 黏性流體的兩種流態--層流和紊流
第三節 圓管中的層流運動
第四節 紊流運動
第五節 圓管紊流的沿程損失
第六節 非圓管的沿程損失
第七節 管道流動的局部損失
第八節 繞流運動
習題
第五章 孔口、管嘴和管道的流動
第一節 孔口出流
第二節 管嘴出流
第三節 簡單管道的水力計算
第四節 複雜管道
第五節 管網計算基礎
第六節 有壓管道的水擊
第七節 自由紊流射流
習題
第六章 一元氣體動力學基礎
第一節 理想氣體一元，恆定流動的基本方程
第二節 可壓縮氣體的幾個基本概念
第三節 變截面的等熵流動
第四節 可壓縮氣體的等溫管道流動
第五節 可壓縮氣體的絕熱管道流動
習題
第七章 明渠恆定均勻流
第一節 概述
第二節 明渠類型及明渠均勻流特徵
第三節 明渠均勻流的水力計算
第四節 明渠均勻流水力計算的其他問題
第五節 無壓圓管的水力計算
習題
第八章 明渠恆定非均勻流
第一節 明渠水流的流態
……
第九章 堰流和閘孔出流
第十章 滲流
第十一章 相似性原理和量綱分析
習題參考答案
附錄
參考文獻
代表論文
太陽能熱泵系統的穩定性
王海濤, 王造奇
( 1. 安徽建築工業學院 環境工程學院, 安徽 合肥 230027; 2. 中國科學技術大學 熱科學和能源工程系, 安徽 合肥 230022)
摘 要: 在相同的壓縮機頻率、冷凝水溫和相同的電子膨脹閥開度下, 文章對 PV/ T- SAH P 系統的動態性能
進行了實驗和分析, 就不同太陽輻照度和環境溫度對 PV/ T- SAH P 系統性能的影響進行了對比, 提出了光伏-
太陽能熱泵( PV/ T- SAH P)的系統穩定性原理, 指出 PV/ T- SAH P 系統需要解決的一些問題。
關鍵字: PV/ T- SAH P 系統; 最小過熱度; 穩定性
中圖分類號: TK519 文獻標識碼: A 文章編號: 1003- 5060( 2008) 07- 1008- 04
在太陽能熱泵系統中, 蒸發器所吸收的熱能大多數來自太陽能, 太陽輻照度隨著季節、早晚時差的不同而不同, 而壓縮機的容量又是額定的, 因此文獻[ 1] 指出, 在其他條件一定的情況下, 集熱器的容量和壓縮機的容量是否匹配直接影響系統的工作性能[ 1- 6] 。由於系統通常在非設計工況下運行, 按設計工況確定的集熱器面積與壓縮機的容量往往不匹配, 因此提出了一種新型的光熱、光電綜合利用的直接膨脹式太陽能熱泵系統 , 該系統中光伏組件與熱泵裝置的蒸發器結合成一體, 同時在系統設計時採用變頻壓縮機和電子膨脹閥( electronic expansionvalve, 簡稱 EXV ) , 通過改變壓縮機容量來解決非設計工況下的不匹配問題。但是在實驗中, 該系統出現不穩定情況, 或者稱為振盪, 即系統在一定的工況下壓縮機功率、各處製冷劑壓力和溫度等系統參數均發生周期性振盪。系統振盪對其經濟性和安全性都是不利的, 所以保證穩定性是系統配置和控制的必要條件。
1 實驗裝置及電子膨脹閥
PV/ T-SAHP 太陽能熱泵系統如圖 1 所示。
實驗台如圖 2 所示, 主要包括溫度測量、壓力測
量、功率測量、流量測量、輻照強度測量及風速測
量等幾大部分。共有測點 53 個, 除工質流量由商
家自帶軟體單獨測量, 其他測點全部由數據採集
儀實時採集記錄。
( 1) 數據採集。數據採集儀 Agilent34970A,
配置 HP 34901A 採集模組 3 個, 共 54 個電壓采
集通道, 6 個電流採集通道, 實驗過程一般 30 s 采
集數據一次。圖 1 PV/ T-SAHP 太陽能熱泵系統
( 2) 溫度測量。採用 01 2 mm 銅康銅熱電
偶; 蒸發器進口、蒸發器出口、冷凝器進口、冷凝器
出口、儲水箱、壓縮機進口、壓縮機出口及百葉箱
等共 20 個; 光伏蒸發器內部各處總計 23 個。
( 3) 壓力測量。製冷壓力專用感測器( Huba506, Sw eden) , 0~ 30 @ 10
2
kPa, 精度? 11 0%,
回響時間小於 5 ms, 負載頻率小於 50 Hz; 數量 4
個; 位於蒸發器進口、蒸發器出口、冷凝器進口及
冷凝器出口, 用於觀察壓縮機、冷凝器、膨脹閥及
蒸發器進出口的壓力變化。
( 4) 日照輻射儀。TBQ-2( 錦州, 陽光) 型日
照輻射儀 1 台; 安裝位置與光伏蒸發器平行, 該表
為熱電效應原理, 感應元件採用繞線電鍍式多接
點熱電堆。
( 5) 功率感測器。WBP112S91 和 WBI022S
( 四川維博) , 數量 2 個; 分別測試壓縮機輸入功率
( 交流) 和 PV 模組輸出光伏電流( 直流) 。
系統採用浙江三花 DFP( L) 11 6-12 型電子膨
脹閥, 四相步進電機驅動, 開閥脈衝 32 ? 20, 全程
脈衝 500, 使用介質 R22, 閥的開度由研製的控制
器控制。
2 實驗結果及分析
21 1 實驗條件
2006 年 10 月 14 日、2006 年 11 月 6 日和
2006 年 12 月 2 日, 在合肥地區( 北緯 31b53. , 東
經 117b15. ) 進行了 PV/ T-SAHP 系統在相同的
電子膨脹閥開度( 開度脈衝 400) 、相同的冷凝水
溫( 30 e ) 下的性能測試。
測試期間的瞬時氣象參數和冷凝水溫如圖
3、圖 4 和圖 5 所示。試驗過程中, 閥1、閥2、閥5、
閥 6 關閉, 閥 3、閥 4、閥 7、閥 8 開啟, 工質流動方
向如圖2 所示。壓縮機定頻( 50 Hz) 運行, 由公共
電網供電。PV 電流輸出, 經逆變器逆變後, 由外
界負載消耗。測試期間, 水箱儲水 80 kg, 水冷板
式換熱器水側流速 01 217 kg/ s。
2. 2 測試結果及分析
21 21 1 測試結果說明
由於秋天上午易出現多雲天氣, 為了更好地
觀察和對比, 在 3 d 的上午先把水加熱到 30 e ,
然後保持冷凝水溫不變, 從 11: 21 分開始正式記
錄數據。
從圖 3 和圖 4 可以看出, 3 d 午後的太陽輻照
度變化明顯, 易於比較。
從圖 6 可以看出系統壓縮機功率的變化。
2006 年 10月 14 日測試期間平均環境溫度較高
( 271 56 e ) , 當冷凝水溫不變時壓縮機運行穩定。
11 月 6 日測試期間平均環境溫度( 201 71 e ) 比
第 7 期 王海濤, 等: 太陽能熱泵系統的穩定性 100910 月 14 日的平均環境溫度降低了 61 85 e , 太陽
輻照度和 10 月 14 日相比變化不大, 但壓縮機的
功率在測試期間出現了振盪現象。
12 月 2 日平均環境溫度( 81 85 e ) 較前 2 次
更低, 而此時壓縮機的功率振盪更加劇烈。
如圖 7 所示, 說明了系統在不同的太陽輻照
度和環境溫度時系統光電效率 Gel 的變化。光電
效率隨著環境溫度的降低而升高, 環境溫度較低
時( 2006 年 12 月 2 日, 測試期間平均環境溫度
71 4 e ) , 最高光電效率達到 131 4% 。
與普通光伏模組( 12%) 相比, 光電轉換效率
明顯提高, 波動很小。
這主要得益於工質蒸發對光伏模組的冷卻作
用, 使得 PV/ T-SAHP 系統的光伏電池在高輻照
條件下也能維持在較低的工作溫度, 從而保證較
高的光電轉換效率。圖中 OPS 為蒸發器的工作
過熱度。
圖 7 測試期間光電效率變化
21 2. 2 測試結果分析
當蒸發器的幾何尺寸和熱工參數確定後, 在
運行中存在一條最小穩定信號線( M inimum Stable Signal 線, 簡稱 M SS 線)
[ 8] 。M SS 線以左, 蒸
發器屬於不穩定區; M SS 線以右為穩定工作區;
在 MSS 線上則是臨界值。圖 8 表示了蒸發器
MSS 線與不同靜態過熱度時的膨脹閥特性線, 當
蒸發器負荷為 Q 時, 製冷系統工作於 A 點時處於
臨界穩定狀態, 理論上講為最佳穩定工作點。如
果調小膨脹閥靜態過熱度, 使工作點處在不穩定
區中, 系統將產生振盪。
圖 8 膨脹閥與蒸發器的匹配關係
由 MSS 線理論很容易解釋上述現象, 當環境
溫度很高時( 2006 年 10 月 14 日) , 集熱/ 蒸發器
出口製冷劑過熱度很大, 此時系統工作在 MSS 線
的右側, 處於穩定工作區。當環境溫度很低時
( 2006年 12 月 2 日) , 集熱/ 蒸發器出口製冷劑過
熱度很小, 此時系統工作在 MSS 線的左側, 處於
不穩定工作區, 壓縮機出現劇烈振盪。
PV/ T-SAHP 系統產生振盪, 對系統運行經
濟性與安全性均很不利, 由於對系統的穩定性缺
少理論與定量研究, 為確保運行穩定性, 往往片面
地增加蒸發器的運行過熱度, 這就降低了蒸發器
的利用率, 因為過熱區製冷劑的放熱係數還不到
兩相區最大放熱係數的 1/ 5
[ 8]
。適當減小蒸發器
的運行過熱度, 可獲得一定的節能效益, 但又不能
1010 合肥工業大學學報( 自然科學版) 第 31 卷盲目地減少過熱度, 追求運行經濟性而導致系統
產生振盪。只有對蒸發器和膨脹閥本身的動態特
性做出定量分析, 並找出系統的臨界穩定區( MSS
線) 與條件, 找出影響系統穩定性的各種因素, 給
出其定量關係, 才能在保證系統穩定性前提下, 最
大限度地利用蒸發器的有效傳熱面積, 獲得最高
的經濟性。3 本系統需要解決的問題
PV/ T-SAHP 系統中配置變頻壓縮機和電子
膨脹閥的關鍵問題, 是以保證系統穩定性和變容
量範圍內系統最佳運行工況為目標, 確定合理的
控制方案和控制算法。在該系統的研究開發過程
中, 還有許多理論問題和實際套用問題要解決。
31 1 系統靜態和動態特性
深入了解控制對象的特性是尋求合理的控制
方案和控制算法的基礎。對系統中各部件的靜態
和動態特性進行理論分析和試驗研究, 用理論建
模的方法, 得出各部件的靜態模型和動態模型。
然後根據各部件參數之間關係, 建立系統靜
態和動態模型。根據模擬計算和試驗研究的結
果, 分析系統靜態和動態特性。
31 2 系統穩定性原則
由於該系統有變頻壓縮機和電子膨脹閥 2 個
流量調節裝置, 所以同樣存在系統穩定性問題。
在以上系統靜態和動態研究的基礎上, 分析
滿足系統穩定性條件下的電子膨脹閥特性要求,
得出系統穩定性區域。
31 3 控制方案和控制算法
為減少電子膨脹閥流量調節對過熱度的回響
滯後, 電子膨脹閥對蒸發器出口端製冷劑過熱度
的檢測可通過熱敏電阻或壓力信號。用 2 只熱敏
電阻檢測時, 一個測量蒸發溫度, 另一個測量蒸發
器出口溫度; 採用壓力信號對蒸發器出口端壓力
進行測量, 並經物性程式將其轉化為蒸發溫度。
由於蒸發器內壓力的變化比溫度的變化迅速, 因
此控制器能及時地反應過熱度的變化。
電子膨脹閥流量調節對過熱度的回響滯後問
題, 也可以採用前饋加反饋的複合調節方法解決。
如將壓縮機轉速作為前饋信號, 根據轉速變化調
節電子膨脹閥供液量, 再結合反饋進行複合調節。
由於系統的非線性特性, 採用模糊算法有一
定優勢。也可考慮 PID 控制算法和模糊控制算
法結合使用, 發揮各自算法的優點, 達到較好的控
制效果。
4 結 論
( 1) 變頻壓縮機和電子膨脹閥組成的 PV/ TSA HP 系統存在系統振盪問題。
( 2) 變頻壓縮機和電子膨脹閥組成的 PV/ TSA HP 系統是一種最有發展前途的系統配置, 代
表太陽能熱泵系統的發展方向。
需要對系統靜態和動態特性進行深入了解,
確定合理的控制方案和控制算法, 以保證系統穩
定性和變容量範圍內系統最佳運行。
[ 參 考 文 獻]
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