（热能工程专业论文）户式地源热泵机组的改进及性能评价.pdf

摘要 摘要 能源和环境问题是当今世界各国面临的重大问题，特别是随着北京申办 2 0 0 8 年奥运会的成功，清洁可再生能源的利用更成为我们面临的重要课题。地 源热泵是一种利用浅层地热资源向建筑物供热、空调的装置。这种技术以其节能 效果明显、符合环保要求等特点引起了世界各国的重视，同时也符合社会大众在 生活水平提高后追求个体生活与环境和谐并存的要求。本文主要针对户型地源热 泵机组进行了改进设计，并开发研制了双冷凝器的热泵机组，在供热和制冷的同 时，为用户提供生活热水，基本上实现了热泵机组的一机三用。 本文首先针对热泵系统的工作特点对机组各主要部件进行了设计，并本着降 低成本和减小阻力的原则设计了系统的连接形式。然后对系统进行了热力计算， 得到了机组的理论制冷量、制热量等重要设计参数，并根据计算结果选择了机组 各配件的型号，同时考虑了各配件在连接和能力上的双重匹配。本系统的特点就 是采用了双冷凝器，为了在单独启动时，不影响系统的正常运行，冷凝器选用了 相同型号，这一设计大大提高了系统的利用率。在论文的最后完成了机组的组装 工作，并在热能实验室一层进行了性能测试。在测试结果分析中，得到了机组在 不同井水进水温度时的参数变化以及一级冷凝器注水前后对系统性能的影响，对 系统进行了火用分析，找出了系统的最佳运行冷凝温度，同时对提供生活的热泵 系统和原有系统进行了性能比较，在不同的冷凝温度和蒸发温度下，进行了分析， 并得出了重要结论，为地源热泵机组制备生活热水方面的研究提供了有价值的数 据。 本文所做的工作，包括机组的设计、性能测试和对测试结果的分析对地源热 泵技术的发展具有一定的参考价值和实用价值。 关键词可再生能源；热泵；性能测试；生活热水 a b s t r a c t a b s t r a c t e n e r 雩s o u r c ea n d 部州咖岫e mb ，m 鹤龃l 川；吼tp r o b l e mf 缸毋r e r yc o m i 廿y a 1 1o v 贫l h ew o d dw i t hs u c 删h 培i na f 叫) i i n gt h e2 0 0 8o i ，俚n p j cg 锄e s t h e u m i z a t i o fc i e 缸a n dr c p r o 出i c i b k 锄e r 粤黟b 咖i 嚣t h ei m p o r t a n tt a s k 如ru s 伪p e c i a l l y - g r o m l d l l r c eh e a tp l m l pi s ak 矾o fh e a l i l l g 姐da j r 砌i 石o i l i n g i n s 劬l m e n tf - o r c 0 邺劬l c 6 0 n s ，u t i l i z i n gs h a l l o wl a y 盯g t h e r m a ls 伽r t h i s 缸h l o 盱i 3g 删n gm o 阳锄d l o r ca 札酬o fg o v a 眦响鸣d u e t oi t s 岫c t 谳c so f e r 星：ys 撕n g 赳l d 娌咖m n 龃tp r 0 唾：t i o n a n di tm 黜姆t h ep e o p l e ，s d a 珊i n dt o 越d l i v et h ek 岫n o n i o 咖e 站b c t w e e ni i l d i v i d u a l sl i v i l l g dt h e i r 锄v i 伽a e n tj n 锄m so fi 乜妒ta d 咖t a g eo f e f g y 鞠v i l 唱a n d v i l f 0 衄t p n 删o n t h e a n i d em a i l l l ys a t c do p 虹m i z 撕o no fg r o u n ds o u r c el i e a tp u m ps y s 胁 缸de 】【p l o i 硼o no fg r o 吼ds o l 优h c a tp 蚰1 ps y s t 唧w i t l lm ed o d b l ec o n d s a 锄： w 弛h e a t i n g 如dc o o l i l l 吕i tc a i lp r o v i d el i “n gh e a tw d t c ra n dr c a l 让豫b a s i c a l l yt l l r e c u o f 掣伽皿ds o l l r c ch e a tp 岫p i nt h i sp a p e f ，t l l ct y p eo f t l l em a i l lp a r t so f t l l el l n i tw e f 豳n yd e s i g n e d 锄d s d e c t e d 孤d 砌n gt oc h a r 蜘o f t h eh e a lp 啪ps y s t 锄，锄dc o n f i g 删o no f s y s t e m w 鹊d 髑i g 嘲c 0 删鼢r m i i l gt 0 劬c i n gt h ec o s ta n dd c c f e 岫gt h er 嚣i 咖l c 铝o ft h e r s t e m t h e n ，m e 枷d et 州ko n et y | p eo f t h eh e a tp u m pu n i t 鹳e x 知叩l et om a k e t h 锄o d y 锄i 岱c 8 】c i l l a t i o na i l dg e fl h ef h c d f y d i n g 越l dh 缅ga n do 也e r j n l p 矾a md 酷i g n 耻峨衄d 盯o f t h es y s t 皿a n ds e l e c tt l l e 咖eo f m em a i l lp a r bo f t h e s y s t e m 删n g t ot h ec a l c u l a t i 伽t c o m e a n da tt h e 蛐et i n l et h em a t 幽go f e v e 叮p a r ti nc o m 他d i o na n dc a p a c i 谚w e r e n s i d e r e d b e c a u s eo fa d o p t i l l gt h e d o l l b l ec o n d s a t o r ，a d o p t i i l gt h es 锄ec o n d 伽s 栅f 打砌u f b r 姗n i i l g s q l a m t d y ，t b i sd c s i g ni m p r o v c di h eu s i n ge 伍c i 既1 c y f i i l a l l y n l eh e 址p u 埘【pl l n i t s w e i 衄t a l i e da n dt c s to f p 幽珊a n c ew 勰血1 i s h 脚a t 也ee x p 幽翩tb a i i it l l ef i f s t 丑o o ro fo wt h 筋n a ll a b ，bt h ea n a l y s i 8o fp a b r m a n c e ，g e t t i i l gm ev a r i a t i o f p e r f o m 锄p 瑚c t 盯a l o n g 谢山i m p o r tt 锄p c 相l u r eo fp u m p ，t l l ei n n u e n c eo f p e 触锄o fs y s t a na b o l l tt h ef i r s tg 丽ec o n d 锄s 砷a n dh a 、r i n gaa n a l y s i so f e 丘觚v e 朗盯黔如rt h cs y s t 锄锄d 丘n 面培t h eb 贸tc o n d 雠s a t i o nt e l n p 盯a n 鹏o ft h e g y s t a 吗卸dh a “i l ga 咖p a b e t w 啪t h ep r i m a ls y s t 锄姐dl h cs y s t 锄w i t h 即晰曲曙l l l e1 m n gh tw a t 盯h v i i l ga 锄a l y s i s i i ld i 舵懈1 tc o n d e l l s a t i t e 】珥眦ea n de v a p o r a t i o nt a n p 嘲t u r e 锄dg e n i l l gm ei m p o m 吡tc o n c l i l s i o n t h e 也e s i so f f 旨sv e f yv a l b l es t a t i s t i c sf | o r 也en e x tf e s e 挑ho f 乎d u r i ds o u f c eh 铋tp 1 1 1 p w i t l l l i v i n g h e a l w a t 乱 m 北京t 业大学工学硕士学位论文 a l ia b o v ew o r kd o n e i n d u d i n gd e s i 掣l i i l go fh e a tp n pt h l i t ，t e s t i i l go f p 盯而彻锄c e ，a n dt h e 锄a l y z i n go ft h et e s 血l go u t 锄e ，h 孙幛北矗咖c c dv a l u ea n d p f a c t i c a l 砌l 璩t 0p r o g r e s so f 粤咖d s o l eh e a tp m n pt b 1 1 0 l o g y k e y w o r d s ：托p t d d l l d b l e 如e r g y ；h e a tp 哪p ；p a 惋幔呦t 嚣t ；l i v i n gh e a tw a t 盯 物理量名称及符号表 物理量名称及符号表 质量流量 k g s 一定压比热 j ( k g k ) 温度 k 增量【】 一比熵 j k g k 】 摩擦阻力系数 】 一比焓【j 瓜翻 热量【j 】 一功率【k 、明 狄用损系数【- 】 一管道长度【m 】 一流体密度【l 【g m 1 一火用效率【- 】 一质量 k g 一容积 m 3 一压力【- 】 一能质系数 一 - 火用 j k g 欢用损失 j k g 一压力 p 制冷性能系数【- 】 一雷诺数【】 一管道直径【m 】 一流体流速 m s 】 v 钿勺t j 以 q w口，p刁 m 矿 p a p 万 p研船d 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：至型日期： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 第l 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题背景及研究意义 1 1 1 课题背景 环境污染和能源危机已成为威胁人类生存的头等大事，如何解决这一课题， 已成为全人类的关注焦点。现代社会的生产和生活，依赖于能源的大量消耗。全 球小于1 0 0 。c 低温用热的能耗占总能耗的一半左右，把煤炭、天然气等一次能源 和电能等二次能源降级使用，转换过程中有效能损失太大。当前能源的短缺，除 需要加强常规资源的生产和积极开发各种新能源外，更迫切需要合理、综合利用 能源，提高能源的有效利用掣啦】。 随着世界入口和经济的迅速增长，缆源消耗急剧地增加，建国以来我国的能 源工业有了很大的发展，但是能源的供应仍然不能满足工农业生产和人民生活的 需要。能源供应紧张，同时又存在产品能耗高，能源利用率低，浪费严重的现象。 能源问题已经成为全世界酱遍关注的课题，解决这一课题，有且只有两条途径， 一是开发各种新能源；二是节约现有能源。常规能源如煤炭、石油和天然气等都 是不可再生的能源，其在自然界的储量是有限的，在研究开发出可代替常规能源 的新能源之前，节约现有能源是势在必行的。节能可以从两方面去考虑，一是提 高能量管理水平，减少能量在生产、运输以及使用过程中的损耗；二是提高耗能 设备的能效比。 随着人们生活水平的提高，人们对居住环境舒适性的要求逐渐提升，建筑空 调已成为现代生活必不可少设备，而且其使用量随经济的发展而增长，建筑空调 所占的耗能比例逐年上升，建筑节能已经成为社会普遍关注的焦点，降低供暖空 调系统的能耗、节约能源是建筑节能和暖通空调工作者一直追求的目标。作为一 种主要的建筑空调系统热泵，其运行性能情况直接影响建筑节能大局。实际 运行中影响热泵性能的因素很多如制冷剂的充注量对其性能的影响，换热器的传 热效果，系统各部件之间的匹配以及环境温度等等。对于蒸汽压缩式热泵，压缩 机、冷凝器、蒸发器、节流装置和制冷剂的充注量是影响其工作性能的五大要素， 其中压缩机、冷凝器和蒸发器的匹配情况，对系统有着重大的影响，因而研究系 统各个配件的匹配情况，并通过对各个部件进行能耗分析，从而进行进一步设计， 对于改进热泵系统、减小热泵系统的能源消耗具有重要的意义，系统中采用双冷 凝器，在供热与制冷的同时提供生活热水，扩大了热泵系统的应用范围，实现了 机组的一机三用。 1 1 2 研究意义 北京工业大学工学硕士学位论文 研究采用双冷凝器的热泵系统，在室内供热或制冷的同时提供生活热水，对 热泵系统的性能参数的影响情况，并与只供热或制冷的热泵系统进行比较，得出 相关的结论。再者，通过对热泵系统进行节能分析，从而得到各个配件的能耗情 况以及系统的各个参数对热泵系统运行性能的影响程度，对能耗大的配件进行调 整，让热泵系统得到最佳的匹配并在更好的参数状态下运行，从而使能效比达到 最大，使热泵运行能耗尽可能的降低。 1 1 2 1 热泵的意义【3 - 5 】 随着工业的发展和生活水平的提高，人们对热水的需求日益增高，一般6 0 左右的水就可以直接用于采瑗或热水的供应嘲。这种能量通常是从电能或者燃 料燃烧所产生的高温热能中取得的。应用热力学第二定理分析：电能的能级高于 热能的能级：燃料燃烧产生的高温热能能级高于低温热能的能级。因此，从一次 能源消耗的角度分析，这样的能量方式：电能低温热能；高温热铯低温热能 无疑是一种能量的浪费。 热泵是解决能量等级使用不合理的有效手段。它通过消耗部分的高位能从而 将自然界中的低品味能转化为较高品位的热能供生产生活使用，因此具有较高的 能量利用系数。通过以下几点分析可以更清楚的了解热泵的节能效果。叼 1 1 2 2 节能分析 ( 1 ) c o p 分析 c o p 分析是基于热力学第一定律的基础，对能量作等量变换的一种收支状 况的数量分析，这对于在相同外界条件下不同循环的能量转换率的分析，它是热 泵装置用少量的功产生大量热的有效性的一种度量。因此，一直被用来作为评价 热泵优劣的一个重要分析方法。 p ：墨丝笪些盟童望垫量 所消耗的能量 蒸气压缩式热泵所消耗的能量为功w ，因此： c d p 盟：堡旦：l + 盈 w 式中蜴一从低渴热源吸入的热量： 姿制冷系数； 由上式可知：热泵c o p 恒大i ，即它消耗较少的能量可以获得较多的能量。 其理论性能系数可达很高。但在实际中却低很多，这是由于各种非理想过程的作 用。尽管如此，其节能效果仍很明显。 ( 2 ) p e r 分析 第l 章绪论 要对不同能源驱动压缩机的热泵进行评价，就应采用p e r ( 一次能源利用率) 分析热泵的效率。 p e r ：垫至笪堂箜查塑垫重 消耗的初始热量 如果用电动机( 效率为1 1 ) 驱动热泵则： p e r = 玎c 卯 如果发电机驱动热泵，且电力是来自火力发电，则引入另一个定义： p 除( z 一高 嗍 式中p e r 热泵供热比锅炉供热所节约的初级能量百分数； 魂锅炉热效率： 珑一电热效率； 仉输变电效率； 当p ! l 一时。该热泵就可能具有节能效果。 仉仉 因此，根据本地区的玩、仉、吼，对照所设计热泵的供热系数，可以估计 该热泵的节能效果。 ( 3 ) 火用分析 为了实现对热泵过程的优化，寻找改进各过程的合理方法，必须通火用分析 方法确定各热力过程有效能量损失的大小，同时要知道它们各自在总的损失中所 占的重要性。火用效率( 砧) = 获得的火用( ) ，消耗的火用( ) 即耗功率，点巍2 w 岛， 式中： 卡诺系数； 磊供热系数。 。 用电采暖时，磊= 1 ，k ( 电) = 0 0 7 0 1 2 o 1 热泵采暖时，磊- 3 4 ，( 格罩) = ( 3 4 ) 0 1 一o 3 0 4 这说明热泵的 火用效率高于热电火用效率 图1 1 表示了热泵装置的火用流图，它以损失一部分火用的同时，从环境取得 大量的火无提供给室内。 北京工业大学工学硕士学位论文 矗察i 动j 9 绋 j | ! l 泵装置火用损弱 图1 1 热泵装置的火用流图嘲 f i g u l la v a n a b l ca m 啊f i 哥l 犯o f h e 砒p 咖叩s y s t c m n p = 兰，式中q 一单位质量制冷剂冷量 w 一单位质量制冷剂所耗的功 虽然它们都属于能量形态，但是它们的品质不同，w 比q 的质量高，所以 c o p 不能非常科学地反应装置的真实性能。同时。c o p 只能反应系统外部损失 的影响，不能反应装置的内部各个环节的不可逆损失，不能全面揭示系统薄弱环 节。c o p 只能用来比较在相同温度范围内工作的各种制冷装置的性能，在比较 不同温度的各种制冷装置时，易得出错误信息，所以c o p 不能完全正确的反应 制冷装置的真实性能，有必要对地源热泵系统进一步进行火用分析。通过对系统 各部分火用分析计算，可以找出能量损失的薄弱环节，有利于采取相应的措施， 从而提高火用效率。由此可见，对地源热泵系统进行火用分析，有着非常重要的 意义。 1 2 地源热泵的发展现状 1 2 1 地源热泵在国外的发展 热泵的研究历史可以追溯到1 9 1 2 年瑞士的一个专利f 8 】o 国外自从2 0 世纪4 0 年代就开始了热泵的性能研究，至今对其做了广泛的数值分析和实验研究。尤其 第1 章绪论 对地源热泵系统的地下换热过程和温度分布场进行了大量研究，建立了相应的数 值模型与计算机模拟【9 j o 】。根据文献 1 1 】统计，从全世界的范围来看，地源热泵 系统的使用自从1 9 9 5 年开始以每年9 7 的速度增长，到2 0 0 1 年为止增加了5 9 ，这主要集中在美、欧、日等国家。在这些国家中地源热泵技术已经很成熟， 并且有十分完善的标准。 美国近年来在地源热泵方面进行了大量推广工作，美国政府也充分肯定了它 的潜力，鼓励使用这种寿命周期费用低、温室气体排放量少的空调技术。目前， 美国能源部和环保局已经联合成立了地源热泵中心，筹集了1 亿多美元资助科研 项目和市场开发，已资助了十几项重大的地源热泵实验示范项目，并在2 0 多个州 鼓励市政部门和公立学校、医院等率先安装地源热泵供暖和制冷系统。现在美国 的家庭、银行、医院、机场、连锁旅客、超市、办公楼和学校等均有一定比例的 建筑使用地源热泵。根据美国地源热泵联合会的统计，截止1 9 8 5 年全国共有1 4 万套热泵，以后热泵系统的安装稳步增长，到1 9 9 7 年已达到4 5 万套，年，目前已 增长到5 万套年，而且每年以1 0 的速度稳步增长，到2 0 l o 年将达到1 2 万套年， 其中绝大多数为地源热泵【1 2 1 欧洲地源热泵研究开发已有2 0 年的历史，该项技术的可持续性已在欧洲得到 了普遍认可，并且欧洲有完善的设计和安装标准。欧洲许多国家气候条件决定了 他们一般只需供暖，很少需要制冷，因此与美国的地源热泵发展有所不同，欧洲 主要利用浅层地热资源，地下土壤埋盘管( 埋深 吸热量，选用同规格的换热器势必会影响系统的c o p 。因 此，本系统采用单一循环的蒸气压缩制冷循环。 再者，系统加入了生活热水系统，同时，为了保证系统单独供热或制冷，或 者单独提供生活热水时，不影响系统的正常运行，因此采用同等规格的冷凝器， 即采用双冷凝器蒸气压缩制冷循环。 整个制冷循环过程为：压缩机吸入一定量的低温低压过热制冷剂蒸气，压缩 成高温高压过热制冷剂蒸气，然后进入冷凝器冷凝，制备生活热水，完成一个等 压过程，放出热量，继而再进入第二个冷凝器，完成第二个等压过程，再放出热 量，为室内提供所需的热量或冷量，在膨胀阀中进行一个不可逆绝热膨胀过程， 这时，膨胀终了的低温低压的液体进入蒸发器进行蒸发，再进行一个等压过程， 吸收热量，这样，又重新回到压缩机的吸气状态，从而实现了制冷系统中制冷剂 的不断循环流动。 2 1 5 制冷剂的选择 r 2 2 ( c h 下2 c i ) 无色无味，不燃、不爆，毒性小，对金属无腐蚀，使用安全。 标准蒸发温度为4 0 8o c ，凝固温度为一1 6 0 0o c ，具有较好的热力性质和热物 理性质。它在常温和普通低温范围内压力比较适中，单位容积制冷量比较大，传 热性能虽然不如氨，但是比某些氟利昂工质( 如r 1 3 4 a ) 强，溶水性差，在润滑油 中有限溶解【圳3 1 。 尽管r 2 2 属于h c f c 类物质，环境指标0 d p( o 砌e _ d e g 昀yp o 蛔撕a i 消 耗臭氧层潜能值) 为o 0 5 左右，g w p ( g l o b a l w 锄p o t 石a l 温室效应潜能值) 为0 3 5 左右，对大气臭氧层也有一定的破坏作用，但比r 1 2 小得多，所以在一 些场合，它适合作为某些禁用制冷剂的过度性替代物，目前广泛应用在家用空调 器( 配备全封闭容积式压缩机) 以及中型冷水机组中( 半封闭容积式压缩机) ， 在工业制冷中也有所使用( 开启式压缩机) 【3 ”6 】。 考虑到以上因素，本实验系统中采用i 也2 作为制冷剂。 2 2 机组的热力计算 上文已经确定了系统中各配件的种类，接下来选择合适的型号以达到系统的 最佳性能。在选型之前需对系统进行热力计算，根据换热量或容量的大小选择合 适的系统配件 2 2 1 运行工况的确定 北京t 业大学工学硕士学位论文 进行热力计算之前，首先要确定热泵系统的标准运行工况，也就是冷凝温度、 蒸发温度、液体过冷度和吸气过热度等。为了方便计算。在这里傲了一些简化： 忽略冷凝器和蒸发器中的微小压力变化，即以压缩机出口压力为冷凝压力，以 压缩机进口压力为蒸发压力，同时认为冷凝温度和蒸发温度均为定值；将压缩 机内部过程简化成一个从吸气压力到排气压力的无损失简单压缩过程；节流过 程仍认为是前后焓相等过程。 目前在国际上有通用的标准制冷工况和a l u 标准制热工况( 见表2 4 ) ，a r i 制热工况与地源热泵运行工况比较接近，但标准制冷工况与地源热泵的运行工况 相差较远。热泵的工况不仅与土壤的热物性有关，而且与地热换热器的布置形式、 长度及运行时间有关，也与地热换热器循环介质的出口温度有关【明。本文根据 文献 3 8 的建议和通过对地下土壤温度的监测重新设定制冷、制热工况( 见表 2 5 ) 。压缩机吸气过热度取5 ，冷凝液体过冷度取3 。 表2 4 国际标准热泵工况参数表 t a b l e2 4p a r 锄e t e rl i s to fi n t e n l a t i o n a ln o 珈a ls t a t ef o rh e a tp 岫p 蒸发温度( ) 冷凝温度( ) 制冷工况7 25 4 4 制热工况 一1 14 3 3 表2 5 设计工况参数表 t a b l e2 5p a r 锄e t e r1 i s to fd e s i 鲫s t a t e 蒸发温度( )冷凝温度( ) 制冷工况 5 4 0 制热工况一55 0 对于循环水侧的工况，根据文献 3 9 建议，对于垂直埋管地热换热器夏季的 设计出口温度一般为土壤温度加上1 1 1 4 ，冬季的设计出口温度为土壤温度 减去8 l l 。北京地区地下深层土壤温度恒定在1 4 左右，因此可以确定冬、 夏季机组进出口水温( 见表2 - 6 ) 。设定机组进出口温差为5 。 表2 6 标准运行工况参数表 t a b l e2 - 6p a r 锄e t e r1 i s to fn o 珊a l 们r k i n gs t a t e 夏季制冷工况冬季制热工况 杌组冷侧进出口水温 7 ，1 25 0 机组热侧进出口水温 3 0 3 54 0 4 5 2 2 2 热力计算 需要说明的是，此系统的计算是在选定了压缩机的基础上进行的，不是根据 第2 章热泵机组的设计选型及热力计算 建筑物的冷、热负荷进行的。因此把压缩机的参数看成已知数据，所选取的其它 配件与压缩机相匹配。 选取型号为乃b 4 k 3 一p f j 型柔性涡旋压缩机，分别对系统进行制冷和制热 工况的热力计算。压缩机额定输入功率为2 0 8 k w ，额定排气量为8 0 2 m 。 2 工2 1 制冷工况 前面已经确定了制冷工况的冷凝温度、蒸发温度、过熬度和过冷度，因此可 以将循环过程图在p h 图上表示出来( 见图2 4 ) 。这里将压缩机的工作过程简 化为等熵压缩。 d 图2 _ 4 制冷工况压焓图 f i g l 吐弓2 4p hp l o to f o l i n gs t a 把 查r 2 2 的热力性质表和图，得各状态点的参数如表2 7 ： 表2 - 7 制冷工况各状态点参数 m l e2 7p 砌d t c r 暑o f s 铆cp 0 面ti c l i n gm o d c h 点号p ( 口a )t ( ) h ( 1 c j l 唱)u ( m g ) lo 4 9 8o4 0 5 l o 4 9 854 0 8 7 0 0 4 8 2 1 5 3 4 7 0 4 4 3 5 21 5 3 44 04 l6 2 31 5 3 44 0 2 4 9 6 3 1 5 3 43 7 2 4 5 7 4 o 4 9 8 0 2 4 5 7 单位质量制冷量： 北京工业大学工学硕士学位论文 4 = 氟一 ( 2 7 ) 单位容积制冷量； 冷凝器单位负荷： 蒸发器单位负荷： 工质的质量流量： 式中y i ：压缩机理论排气量，m 3 危 冷凝器负荷： 蒸发器负荷： 压缩机等熵压缩功： 性能系数( c o p ) ： 计算结果见下表： g ，= g o q ( 2 8 ) 吼= b b ( 2 9 ) 窖t = g o g = 匕p i ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) q 。= g 。 ( 2 - 1 2 ) q = “吼 ( 2 1 3 ) w = | 1 2 一啊 ( 2 - 1 4 ) p = q w ( 2 1 5 ) 表2 - 8 计算结果 t 曲l e 2 - 8r e s u l t so fc a l c u l a t i o n 单位质量制冷量k j 俺 1 6 3 单位容积制冷量k j m 3 3 3 9 5 8 3 1 级冷凝器单位负荷l ( j l ( g 1 9 7 8 2 级冷凝器单位负荷1 d l 唔 1 9 7 8 蒸发器单位负荷l 【j l 【g 1 6 3 制冷剂质量流量j ( 加 o 0 4 6 l 级冷凝器总负荷k w 1 1 7 3 第2 章热泵机组的设计选型及热力计算 2 级冷凝器总负荷k w 1 1 7 3 蒸发器总负荷k w 8 8 6 制冷c o p 4 3 9 2 2 2 2 制热工况 。 系统运行压焓图形状与制冷工况压焓图相同。压缩机仍为等熵压缩。各状态 点参数见表2 9 。 表2 9 制热工况各状态点参数 点号p ( 口a )t ( ) h ( 1 【j 瓜g )u ( m 3 ，l ( g ) l o 4 254 0 3 5 l ， o 4 2 o 4 1 0 2o 0 5 6 2 1 9 4 5 0 4 1 7 8 2 1 9 48 04 5 0 1 3 1 9 4 5 02 6 3 3 3 1 9 4 4 72 4 8 2 40 4 852 4 8 2 熟力计算时按式( 2 - 7 ) ( 2 - 1 5 ) ，结果见表2 1 0 ： 表2 1 0 计算结果 t a b l e2 1 0r e s u l t so fc a l c u l a t i o n 单位质量制冷量k m ( g 1 4 7 7 单位容积制冷量k 肌f 2 6 0 4 9 4 1 级冷凝器单位负荷k 瑰 1 8 7 9 2 级冷凝器单位负荷k 肚g 1 8 7 9 蒸发器单位负荷k j 堍 1 4 7 7 制冷剂质量流量k g ，s 0 0 4 0 l 级冷凝器总负荷k w 1 0 5 2 2 级冷凝器总负荷k w1 0 5 2 蒸发器总负荷k w 7 9 制热c o p 3 8 2 1 北京工业大学工学硕士学位论文 2 3 设备选型与校核 前面提到，计算的前提是已知压缩机的型号和特定参数，因此压缩机不作为 选型内容。下面根据计算结果对其它设备进行选型与校核计算。 2 3 1 膨胀阀 膨胀阀的容量要与系统中蒸发器的容量相匹配，使蒸发器最大限度的加以利 用。热力膨胀阀是依靠蒸发器出口制冷剂的过热度大小来调整阀的开度达到自 动调节机组制冷量以满足外界热负荷变化的需要。容量与制冷剂质量流量、阀前 后、压差等制冷工况相关。 若选择过大，使阀门经常处在小开度下工作，阀开闭频繁，温度波动大，而 且降低阀门寿命，影响调节性能加大蒸发器出口温度的波动及过热度，制冷系 统效率下降，严重会出现液击现象；若容量选择过小，则流量太小。会造成蒸发 供热面积得不到充分利用，制冷量下降，不能满足实际要求。若采用一个按标准 制冷工况进行选型的膨胀阀，由于热泵系统在制热工况下运行时，系统的制热量 随出水温度下降而下降，这时膨胀阀制热能力也下降，但其幅度小于系统制热量 的下降。这样，在制热工况下，随出水温度下降，膨胀阀过大，过大膨胀阀会引 起蒸发器供液过多，蒸发压力上升，与水的换热量减少，从而导致热泵供热量的 减少。一般情况下，膨胀阀的容量比蒸发器能力大2 0 3 0 【钟j 。 本系统在制冷循环时，制冷量为9 5 2 k w ，选用的膨胀阀的容量为1 0 k w ( 2 8 冷吨) ：在制热循环时，制冷量为7 9 k w ，相应的膨胀阀的容量为7 9 k w ( 2 4 冷 吨) 。根据上述情况，选用美国a l c o 公司的b a e 3 h 屯外平衡式热力膨胀阀， 容量为3 冷吨( 1o 6 k w ) 。基本能满足系统的制冷、制热需要。 2 3 2 蒸发器冷凝器 热泵工质在冷凝器和蒸发器中的换热过程属于两相流动过程，流动过程中流 体的温度和压力是不断交化的，因此对套管式换热器的计算是一件复杂的事情。 在计算时需要有换热器详细的数据资料，而在实际工程应用中，所选择的换热器 均为厂家成型产品，他们对于其产品的详细资料有保密措施，因此换热器的选型 是通过提供给厂家表3 5 和3 7 中的数据。由厂家来完成选型的。 本系统使用的是由三合同飞制冷有限公司加工生产的套管式换热器，具体参 数如下： 冷凝器制冷剂侧进口管径为：m 2 2 1 胞m ，出口管径为：中1 6 l 胞m 冷凝器水侧进出口管径为：中2 5 衄 冷凝器换热效率为：1 2 k 霄 蒸发器制冷剂侧进口管径为：由1 6 l 胞m ，出口管径为：中2 2 1 肥m 第2 章热泵杌组的设计选塑及热力计算 蒸发器水侧进出口管径为：中2 0 衄 蒸发器的换热效率为：9 k 碍 单程长度：1 5 2 5 衄 单程有效换热面积：o 0 7 时 最高工作压力：3 0 m p a 最高工作温度：1 5 0 传热系数：水一水：1 7 0 呲9 0 0 w ，时 水蒸汽：2 3 0 睢4 6 0 0w 时 套管式换热器每一外壳容积为lm 3 时，其传热面积约为3 0 4 0 m 3 。 冷凝器制冷剂侧上进下出，水侧下进上出，形成逆流：蒸发器反之。 2 - 3 3 其他部件 热水循环泵选用上海鑫志机电有限公司生产的热水循环屏蔽增压泵，可三档 调速，最大功率为1 0 0 w ，最大扬程为6 m ，最大流量6 0 i m j n ；最小功率为删y ， 最小扬程为3 m ，最小流量3 0 l 向i n 。进出口口径为2 5 苴血，允许温度最大为l l o 度，符合设计要求。 各配件选型情况见表2 1 1 。 表2 1 l 系统各配件选型表 t a b l e2 1 1m o d e l1 i s to fs y s t e mf i t t i n g s 名称型号备注 压缩机 刁 b 4 k 3 一p f ，c o p e l a n d 蒸发器冷凝器定制三合同飞 膨胀阀 b a e - 3 h c aa l c 0 热水循环泵 s r s 2 ，6上海鑫志 2 。4 管道的选择计算 热泵装置中各单个设备或部件需用管道连接才能构成完整的系统。若将压缩 机比作系统的心脏，那么管道就是血管。因此，管道尺寸是否合适，直接影响热 泵的能力，甚至影响压缩机的正常运转。 一般在设计制冷系统时，管道直径是根据管内流体流动的速度及管道总压力 损失的许可值为计算的。另外，考虑到简化系统连接，管径尽量与各配件的接口 尺寸相同，这样不但减少阻力，而且减少了焊口，简化了焊接工序，也减少了泄 漏点。 北京工业大学_ t 学硕士学位论文 对于l 匕2 系统，管道流速及压力损失的许可值见表2 1 2 。 表2 一1 2 管道流速及压力损失的许可值 t a b l e2 一1 2a c c e p t a b l ev a l u e so fv e l o c i t ya n dp r e s s u r ed r o pi np i p e 管道名称速度( m s )压力损失许可值( k p a ) 压机吸气管8 1 52 0 压机排气管 l o 1 8 2 0 2 5 换热器与膨胀阀间的液管 o 5 1 5 2 0 0 0 ，属于湍流，则 删o o s 5 - + 删z 棚协，一杆规定 2 4 3 膨胀阀与换热器问管道 a 号管管内工质流量为o 0 4 6 k g ，s ，比容为o o 0 0 8 8m 3 ， ( g ，由式( 2 1 6 ) 计 算流速u = o 2 1 1 1 ，s 。工质雷诺数r e ：! ! 竺：2 2 1 0 4 2 0 0 0 ，属于湍流，则无：o 0 2 5 。 由式( 2 1 7 ) 管道压降印= o 9 4 l 【p a ，压降满足要求。 第2 章热泵机组的设计选型及热力计算 b 号管道管内流体比容为o 0 0 7 8m 沁，由式( 2 - 1 6 ) 计算流速u = o 3 m s 。 工质雷诺数r e ：竺竺：2 5 x1 0 4 2 0 0 0 ，属于湍流，则丑：o 0 2 4 。由式( 2 1 7 ) p 压力降如= 2 1 l 【p a ，远小于允许值，符合要求。 2 4 3 2 制热工况 计算过程与制冷工况下相同。 经过计算，开始设定的管径满足压降要求。 通过制冷、制热两种工况下的选择计算，膨胀阀与换热器连接管道的直径选 定为1 6 n 吼和1 2 i 砌。 系统各连接管道直径见表2 13 。循环水路的管径主要根据换热器水侧接口尺 寸确定，这里选用直径为2 5 衄的铜管。 表2 一1 3 系统各连接管道直径 t a b l e2 1 3p i p ed i 柚e t e r so fs y s t 名称管径( 硼) 吸气管道 1 6 排气管道1 2 膨胀阀前管道1 2 膨胀阀后管道 1 6 循环水管路 2 5 2 5 本章小结 这一章中，在理论基础上明确了实验目的，确定了系统的设计方案，即完成 了制冷剂路的设计和设备的选型，并对地埋管式地源热泵的特点给定了标准制冷 和制热工况，并在此工况下对系统进行了热力计算。根据计算结果，选择了合适 的系统配件，并通过对系统的阻力计算，确定了连接各部件的管道直径。 北京工业大学工学硕士学位论文 第3 章热泵系统实验台的搭建 3 1 实验系统方案 3 1 1 水系统的实现 水系统包括冷冻水系统( 蒸发器侧) ，冷却水系统( 冷凝器l 侧) 和生活热 水系统( 冷凝器2 侧) 。实验台建立在北京工业大学高科技能源楼一层，一共打 6 0 口能源并，每口井的直径、深度、回填料、换热系统构造及数量等方面各有 特点。6 0 口能源井全部采用并联连接，每口井都能够单独使用。为了控制简便， 我们把能源井供回水管全部引入室内，在供回水管路上设置截止阀。 在地下井水和空调的供回水管路上安装电动三通阀，以控制冬夏季的水路转 换。在生活热水系统中，加入热水循环泵实现水路循环，水泵功率分为三档，可 根据需要进行调档。 3 1 2 实验台各主要部件 ( 1 ) 压缩机 压缩机是整个系统的核心部件，对系统的运行性能、噪声、振动、维护和使 用寿命等都有着直接的影响。压缩机在系统中的作用就在于：抽吸来自蒸发器的 制冷剂蒸汽，并提高其温度和压力后，将它捧向冷凝器。无论是在制冷系统还是 热泵系统，它的功能没有任何差别，但是，有一个根本的不同就是各自的工作温 度范围不同。因此，许多热泵机组用的压缩机是对已经成批生产使用的制冷用压 缩机在原有的结构工艺基础上加以改造而成。在某些场合下，只要热泵的工作条 件不超过制冷用压缩杌所规定的工作条件，则可以直接采用一般的制冷压缩机。 考虑到实验工况与制冷用压缩机额定工作条件相差不多，因此，可选用一般的制 冷用压缩机。制冷压缩机主要有五种机型：往复式、转子式、涡旋式、螺杆式和 离心式。在热泵应用中。在环境气温低及压力比高的情况下，涡旋式压缩枫具有 较高的供热能力。在空调应用中，亦会在宽广的环境气温下，减轻电动机的负荷， 提高系统的总效率。另外，涡旋式压缩机采用柔性传动结构，磨损小，工作性能 可靠，而且体积小，有利于机组的小型化。 涡旋式压缩机特点： 1 ) 效率高 涡旋式压缩机的吸气、压缩，排气过程都是连续单向进行，因而吸入气体的 有害过热小：相邻工作腔闯的压差小，气体泄漏少；没有余隙容积中气体向吸气 腔的膨胀过程，容积效率较高，通常高达9 5 以上；动涡旋上的所有点均以几 毫米的回转半径做同步转动，所以运动速度低，摩擦损失小；没有吸气阀，也可 - 2 8 第3 章热泵系统实验台的搭建 以不设置排气阀，所以气体的流动损失小。涡旋式压缩机的效率比往复式约高 l o 。 2 ) 力矩变化小，振动小，噪声低 因为在涡旋式压缩机中，一对涡旋体中的几个月牙空间可同时进行压缩过 程，故使曲轴转距仅为滚动转子式和往复式的l ，1 0 ，压缩机运行平稳；又因为涡 旋式压缩机的吸气、压缩、排气是连续进行的，所以进排气的压力脉动很小，于 是振动和噪声都小。 3 ) 结构简单，体积小，质量轻，可靠性高 涡旋式压缩机构成构成压缩室的零件数目与滚动转子式及往复式的零件数 目之比为l ：3 ：7 ，所以涡旋式的体积比往复式的小4 0 ，质量轻1 5 ；又没 有吸气阀和排气阀，易损领减少，加之又径向、轴向间隙可调的柔性机构，能避 免液击造成的损失和破坏，故涡旋式压缩机的运行可靠性高；因此，涡旋式压缩 机即使在高转速下运行液保持高效率和高可靠性，其最高转速可达 1 3 0 0 0 r ，m i n l 4 2 郴】。 因此，系统选用美国谷轮全封闭式涡旋压缩机，适用于制冷剂r 2 2 。 ( 2 ) 蒸发器，冷凝器 本地源热泵实验系统中，蒸发器冷凝器都是在制冷剂和水之间换热，水换 热器的形式主要有套管式、管壳式和板式三种，相对比较而言，从热效率、经济 性等综合角度考虑