公共厨房热电热泵储水式热水器的优化设计

公共厨房热电热泵储水式热水器的优化设计

0供热利用技术随着经济发展和人民生活水平的不断提高，人们对生活中使用热水的需求正在增加。节能是热量发展的永恒主题。现有的各种热水器都有各自的技术缺陷:电热水器、燃气热水器能效系数低且存在安全隐患;压缩式热泵热水器系统复杂、成本高且技术上仍不成熟;太阳热水器受地域、气候、建筑层次等因素制约较大。热电制冷(制热)技术具有系统简单、无运行工质、工作可靠、维护方便、使用寿命长等优点。自19世纪60年代以来,众多国家纷纷投入大量人力、物力进行各种型式的热电制冷(制热)系统的研究与开发[3,4,5,6,7,8,9,10,11,12]。罗清海等在对热电热泵制热进行系统实验研究的基础上,研制了一种热电热泵快热式热水器,较好地克服了常规热水器技术上的不足,具有节能、环保、安全方面的优势。利用厨房炉灶排烟余热提供生活热水是减少建筑能耗、缓解能源与环境危机的重要途径之一。然而,由于厨房炉灶排烟温度低,热流密度低,导致厨房炉灶排烟余热直接利用受到一定限制。本文结合热电热泵特点,研制了适合公共厨房余热回收的热电热泵储水式热水器,并对热电热泵回收气体余热时热电热泵储水式热水器制取热水的制热性能进行研究,最后对样机进行优化并对其性能进行了测试。1热电材料优值系数的确定优值Z综合了热电材料的电学和热学两方面因素,它从根本上决定了热电器件的效率。目前,工程上可应用的热电材料的优值范围为1.5～3.0×10-3K-1。在温差小于50℃时,单级热泵制热系数在1.5～7.0之间,即热电热泵所放出的热量就其数值来说是消耗同样电能所获得的焦耳热的1.5～7.0倍,而且,在级联的情况下,还可获得更大的制热系数。从文献中可得出以下计算式:最大制热系数:ηmax=ThI+0.5Z(Th+Tc)√−Tc(Th−Tc)(I+0.5Z(Th+Tc)√+1(1)ηmax=ΤhΙ+0.5Ζ(Τh+Τc)-Τc(Τh-Τc)(Ι+0.5Ζ(Τh+Τc)+1(1)最大产热量:Qh.max=α2R(ThTc+Tc2−Th−TcZ)(2)Qh.max=α2R(ΤhΤc+Τc2-Τh-ΤcΖ)(2)式中,Th、Tc——分别为热电热泵的热端温度和冷端温度;α、R——分别为热电材料的温差电动势和电阻。上述热力分析表明,在热电材料优值系数Z确定的情况下,还可从以下两方面来提高热电热泵效率:①减少热电元件工作温差(Th-Tc);②适当提高热电元件冷、热端工作温度(Th,Tc)。热电热泵在制热时,通过热电热泵的作用,从冷端媒质中吸热,加热热电热泵热端媒质,在热电热泵冷、热端散热一定的条件下,热电热泵冷、热端温度及温差直接受冷、热端媒质温度的影响,进而影响热电热泵的制热性能,因此合适的冷、热端媒质温度是热电热泵进行余热回收制热的关键。2从厨房热回收和储存热水的开发和测试开始2.1回收热量1向热回收利用用于厨房余热回收的热电热泵热水器如图1所示,样机以一台普通家用双眼炉为余热回收对象,炉眼的加热功率分别约为2kW和3kW,如果余热的热回收率为50%,则有1～2.5kW的热量可供热电热泵回收利用。样机共选用热电芯片18片,按单片输入电压14V计算,样机总输入功率约为1020W,热回收过程中制热系数按1.5计算,则热电热泵冷端制冷量约为510W,小于双眼炉最小热回收热量1kW。其具体工作过程如下:厨房排气经抽油烟机强制送入烟道,先经滤油器过滤后再经热电热泵系统冷端风道与冷端散热器进行热交换后被排出室外;自来水在最大容积为36L的制热水箱内与热电热泵热端进行热交换后送入蓄热水箱储存,并通过改变进水和出水阀门的开启时间调节热水加热时间进而控制水温,使之符合日常生活需要。为减少排气中的油污附在冷端散热器上而降低其换热性能,同时为防止油倒流回抽油烟机,在排气烟道的水平段内装有高效滤油器,并在其下方装设接油盘及放油孔。由于热电热泵的工作时间与热水的使用时间很难完全一致,同时为防止热电热泵热水器停止工作后制热水箱内的热水通过热电芯片和隔热材料向冷端散热,系统设置了一个容积为0.5m3的蓄热水箱,以最大限度地发挥热电热泵热回收的作用。如图1所示,制热水箱采用1.5mm厚的渡锌铁皮制作,底板采用1.2mm厚的紫铜板制作,水箱壁与底板用环氧树脂粘结成一个完整的制热水箱。为减少散热损失,水箱壁四周采用60mm厚的聚氯乙烯保温材料保温。采用的热电芯片型号为TEC1-12706,单片工作最大电压、电流分别为15.4V、6A,最大产冷量51.4W;热电芯片冷、热端均采用热管散热器进行散热。冷端采用强制对流换热,风机功率为100W,实验时风速为10.8m/s。2.2测试方法和测点布置本文需采集的数据主要为温度,包括热水温度,热电热泵冷、热端温度,翅片温度,排风温度等,其中热水温度、热端温度、冷端温度采用3个测点的平均值,所有温度值均采用无纸记录仪和PT100电阻进行测试记录,具体测点布置如图1所示;输入热电芯片的功率直接通过直流电源显示屏读取。热电热泵冷、热端温差,瞬时制热系数等是验证热电热泵低温热水装置性能的主要参数。热电热泵冷、热端温差(ΔT)和热电热泵在不同热水温度下的瞬时制热系数(η)按式(1)、式(2)计算:ΔT=Th-Tc(1)η=cmΔTwW+Wf(2)η=cmΔΤwW+Wf(2)式中,c、m——分别为水的比热容和水的质量;ΔTw——不同热水温度时,其前后1min内热水平均温差;W、Wf——分别为热电热泵消耗的电功和风机消耗的电功。3储水式热热性能分析3.1冷、热端高差的影响根据热电制热原理可知,热电热泵冷、热端温差是影响热电制热性能的主要因素。图2为排气温度约26℃,不同工作电压下热电热泵制热系数随冷、热端温差的变化关系。可以看出,在不同电压下,热电热泵热水器冷、热端温差越大,热电热泵制热系数越小,当冷、热端温差达到一定温度后,制热系数甚至出现小于1的情况。从图中还可看出,在热电热泵冷、热端温差较小时,电压越小,制热系数越大,但输入芯片的功率越小,进而会影响热电热泵加热热水的时间。3.2热水温度对热电热泵热泵供热热的影响热电热泵制取热水过程中,热水温度不断升高,热电热泵冷、热端温度受热水温度升高影响也不断变化,进而影响热电热泵冷、热端温差和制热性能。图3为排气温度约26℃,电压16V时,热电热泵热水器冷、热端温度以及翅片温度随热水温度的变化关系。可以看出,热电热泵冷、热端之间的温差随热水温度的升高不断增大,这是由于随热水温度的升高,热电热泵热水器的热端温度不断升高,冷端温度随热水温度的升高而逐渐升高,但升高趋势相对较小,使冷、热端之间的温差随热水温度的升高而逐渐增大。从图3中还可看出,当热水温度升高到约50℃时,热电热泵冷端热管散热器的翅片温度比排气温度高,说明此时热电热泵已经不能通过冷端热管散热器从排气中吸收热量,即热电热泵失去了热泵的作用。3.3影响热电热泵热泵预热性能在热电热泵制取热水的实验过程中,排气温度是热电热泵的热源,排气温度的改变使冷、热端的换热条件发生改变,进而影响热电热泵的冷、热端温差;热水温度不断升高,使得热电热泵冷、热端温度不断变化,从而影响热电热泵冷、热端温差。因此热电热泵制热性能受排气温度和热水温度的共同影响。图4为工作电压20V时,热电热泵制热系数随热水温度和排气温度变化关系。从图中可看出,在排气温度大于26℃,热水温度小于46℃的区域,热电热泵的制热系数总是大于1,且排气温度越高,热水温度越低,制热系数越大,相比直接电加热的形式,热电热泵装置不失为一种节能途径,为排气余热回收提供新途径。4从厨房剩余热回收中回收的蓄水热的性能和测试4.1热传递高差的影响实际热电热泵装置总要通过散热器与冷、热源进行不断热交换才能维持工作。要减小热电元件的实际温差,提高热泵系统的制热效率,必须减小热电模块与冷、热媒介各环节的热传递温差。主要采取以下措施:1)采用热管散热器对热电热泵冷、热端散热。热管散热器与热电模块的结合面经过精磨工艺处理,并均匀涂抹导热脂,热管散热器翅片采用铝质、薄壁结构;2)降低辐射、热桥引起的不利影响。如图1所示,热电制热模块夹在冷、热端热管散热器底座之间,热管散热器底座面上布满热电模块,为实验改装方便,热电制冷模块、两侧热管散热器之间采用螺钉固定,螺钉套塑料套管和隔热垫圈,有效减少了热桥引起的漏热损失。4.2系统能效系数测定样机的性能测试在环境温度约25℃,热水箱水的容积为36L时进行。图5为排气温度约36℃,不同电压下将热水从28℃加热到46℃时,冷、热端温差随时间的变化规律。从图5可以看出:电压越小,加热时间越长。在电压28V时,将36L热水从28℃加热到46℃仅需38min,在电压16V时,加热时间长达80min。而在热水加热过程中,电压越大,热电热泵冷、热端温差越大,因而制热系数越小。因此应根据使用热水需求实际情况,选择合适的工作电压。由于热水箱中水量可调,因此也可通过减少水箱中水量达到缩短加热时间的目的。综合考虑制热系数和热水加热时间的影响,本文选用电压20V作为热电热泵的常用工作电压,并对热电热泵热水器在不同排气温度下的制热性能进行测试。热电热泵的能效系数定义为:能效系数=mc(tw−tw0)W+Wf(3)=mc(tw-tw0)W+Wf(3)式中,tw0——水箱初始水温,为28℃;tw——加热后的热水温度。从图6中可看出,在不同排气温度下,系统能效系数随热水温度的升高而逐渐降低。将热水从28℃加热到46℃,在排气温度约33℃时,系统能效系数为1.3以上,相比直接利用电制取热水(能效系数为0.9)计算,样机在满足餐馆卫生热水的前提下,可节省电耗30%以上,且排气温度越高,系统能效系数越高,节省电耗越多。5回收热水分散剂的应用针对公共厨房具有大量排气余热,同时需要大量卫生热水的特点,设计研制了一种适合于厨房余热回收的热电热泵储水式热水器并制作了样机,对样机在不同工作条件下的制热性能进行了实验研究,相比直接利用电制热,在适当的排气温度和热水温度下热电热泵制取生活热水节能效果明显。在此基础上,对样机性能进行优化,对其测试表明,在适当的工作条件下,系统能效系数达到1.3以上,相比直接利用电制取热水节约电能30%以上。利用热电热泵对厨房余热进行回收制取日常