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硕士论文往复加热型双水箱热泵热水器理论分析与试验研究 摘要 随着人们生活水平的提高，家庭使用热水的需求在不断提高。热水器是供应热水 的主要设备，与电热水器、燃气热水器等相比，空气源热泵热水器具有更高的能源利 用效率，引起了学术界和工业界的普遍重视。 基于对现有空气源热泵热水器工作过程的分析，本文作者提出了一种新的连续运 行的往复加热型双水箱热泵热水器系统，可实现近似劳伦茨循环的热水变温加热过 程。每个水箱均由带卷套密封的浮子分为两个腔，以避免或减少水箱内冷热水直接混 合产生的内热漏。本文主要工作有：理论分析了往复加热型的热力循环过程，计算了 理想条件下的平均性能系数，分析了影响性能的主要因素，与即热型和常规贮热型做 了比较；实验测试了贮水浮子水箱的浮子运动特性、外部保温和内部隔热特性，采用 莫尔沉淀滴定法，测出了水箱上下腔间的传质量；实验测定了加热浮子水箱的动态特 性，包括上下腔换水时的体积流量、浮子运行速度、往复运行周期及余隙容积等；建 立了往复加热型双水箱热泵热水器实验台，实测了其加热温度、加热水量、性能系数 等，将测试结果与即热型、常规贮热型进行了比较。 理论计算与分析表明：在理想条件下，当加热温度和加热时间相同时，往复加热 型热泵热水器具有较高的平均性能系数，例如在蒸发温度为1 5 ，进出口水温分别 为2 0 。c 和5 0 。c ，冷凝器热端换热温差为5 。c 时的平均性能系数为7 4 6 ；在理想条件 下，往复加热型与常规贮热型的性能系数一致，在实际运行时，后者有冷热水混合， 内热漏较大，前者存在余隙容积，会导致不可逆损失。 实验结果表明：连续运行往复加热型双水箱热泵热水器方案在实际上是可行的； 在环境温度为2 1 2 ，冷水初始温度为2 1 2 ，加热温度为5 3 o ，加热时间相同的 条件下，往复加热型热泵热水器比即热型的加热过程平均性能系数提高约1 9 ，加热 水量提高约2 9 ；在环境温度为2 3 5 ，冷水初始温度为2 3 5 ，加热温度为5 0 7 ，加热水量7 0 l 的工况下，往复加热型热泵热水器与常规贮热型的加热过程平均 性能系数和加热时间基本相同，但前者供热水过程性能优于后者，说明采用浮子隔热 和卷套密封结构的往复加热型水箱的内热漏低于常规贮热型水箱。 ：本文实验研究是在现有的未经优化的热泵装置上进行的，主要目的在于验证新的 往复加热型热泵热水器的工作可行性，实验结果仅具有相对比较意义，不宜直接和经 过优化的商用常规贮热型热泵热水器做比较。此外，水路的连接方式和浮子水箱的结 构等也有待于进一步优化。 关键词：热泵热水器，劳伦茨循环，双水箱，往复加热，性能系数 a b s t r a c t 硕士论文 a b s t r a c t w i t ht h ec o n t i n u o u si m p r o v e m e n to fp e o p l e s l i v i n gs t a n d a r d s ，t h ed e m a n do f d o m e s t i ch o tw a t e rh a sb e e ni n c r e a s i n gd r a m a t i c a l l y w a t e rh e a t e ri st h em a i ne q u i p m e n t f o rs u p p l y i n gh o tw a t e r a i r - s o u r c eh e a tp u m pw a t e rh e a t e ri sm o r ee f f i c i e n tt h a no t h e r t y p e so fw a t e rh e a t e r s ，s u c ha se l e c t r i cw a t e rh e a t e r , g a sw a t e rh e a t e ra n ds oo n ，a n di s a t t r a c t i n gm o r ea t t e n t i o nf r o ma c a d e m ya n di n d u s t r y b a s e do nt h ea n a l y s i so fw o r k i n g p r o c e s so ft h ee x i s t i n ga i r - s o u r c eh e a tp u m pw a t e r h e a t e r s ，t h ea u t h o rd e s i g n e dan e wd u a l - t a n kh e a tp u m pw a t e rh e a t e rs y s t e mb a s e do n r e c i p r o c a t i n gh e a t i n gp r o c e s s ，w h i c hc a no p e r a t ec o n t i n u o u s l ya n dr e a l i z ev a r i a b l e t e m p e r a t u r eh e a t i n gp r o c e s so fh o tw a t e rt h a ti ss i m i l a rt ol o r e n zc y c l e i no r d e rt oa v o i d o rr e d u c ei n t e r n a lh e a tl e a kc a u s e db yt h em i x i n go fc o l da n dh o tw a t e r , e a c hw a t e rt a n k w a ss e p a r a t e di n t ot w oc a v i t i e sb yaf l o a t i n gp l a t ec o n n e c t e dw i t hf u r l c a n i s t e rf o rs e a l i n g t h em a i nw o r ko ft h i st h e s i sc a nb es u m m a r i z e da sf o l l o w s t h et h e r m o d y n a m i cc y c l eo f r e c i p r o c a t i n gh e a t i n gp r o c e s sw e r ea n a l y z e dt h e o r e t i c a l l y t h ea v e r a g ec o e f f i c i e n to f p e r f o r m a n c e ( c o p ) w a sc a l c u l a t e du n d e rt h ei d e a lc o n d i t i o n s t h em a i nf a c t o r sw h i c h a f f e c tt h ep e r f o r m a n c ew e r ea n a l y z e d t h et h e o r e t i c a lr e s u l t sw e r ec o m p a r e dw i t ht h a to f i n s t a n t a n e o u sh e a t i n g t y p es y s t e ma n dc o m m o ns t o r a g et y p es y s t e m t h em o v i n g p e r f o r m a n c e o ft h ef l o a t i n g p l a t ea n dt h ee x t e m a la n di n t e r n a lh e a ti n s u l a t i o n c h a r a c t e r i s t i c so ft h es t o r a g et a n kw e r et e s t e d t h em a s st r a n s f e rb e t w e e nt h e u p c a v i t ya n d t h ed o w n c a v i t yw a sm e a s u r e db yu s i n gm o h r d e p o s i t - t i t r a t i o nm e t h o d t h ep a r a m e t e r so f t h e h e a t i n gt a n k ，i n c l u d i n gt h ev o l u m ef l o wr a t e ，t h ef l o a t i n g p l a t ev e l o c i t y , t h e r e c i p r o c a t i n gc y c l ep e r i o da n dt h ec l e a r a n c ev o l u m e ，w e r em e a s u r e d a ne x p e r i m e n t a l s e t u po fd u a l - t a n kh e a tp u m pw a t e rh e a t e rs y s t e mb a s e do nr e c i p r o c a t i n gh e a t i n gp r o c e s s w a sb u i l t t h eh e a t i n gt e m p e r a t u r e ，t h ev o l u m eo fh e a t i n gw a t e ra n dt h ec o e f f i c i e n to f p e r f o r m a n c ew e r em e a s u r e d t h er e s u l t sw e r ec o m p a r e dw i t ht h o s eo fi n s t a n t a n e o u s h e a t i n gt y p es y s t e ma n dc o m m o ns t o r a g et y p es y s t e m t h et h e o r e t i c a lr e s u l t ss h o wt h a tf o rt h es a n l ew a t e rh e a t i n gt e m p e r a t u r ea n dw a t e r v o l u m es u p p l y , t h ea v e r a g ec o po fr e c i p r o c a t i n gh e a t i n gt y p es y s t e mi sh i g h e ru n d e rt h e i d e a lc o n d i t i o n s f o re x a m p l e ，w h e nt h ee v a p o r a t i o nt e m p e r a t u r ei s15 c ，t h ei n i t i a lc o l d w a t e rt e m p e r a t u r ei s2 0 。c ，t h eh e a t i n gt e m p e r a t u r ei s5 0 。ca n dt h et e m p e r a t u r ed i f f e r e n c e a tt h eh o te n do ft h ec o n d e n s e ri s5 c ，t h ea v e r a g ec o pi s7 4 6 t h ea v e r a g ec o po f r e c i p r o c a t i n gh e a t i n gt y p es y s t e mi se q u a lt ot h a to ft h ec o m m o ns t o r a g et y p es y s t e m ，b u t 硕士论文往复加热型双水箱热泵热水器理论分析与试验研究 t h eh e a tl e a ko f t h el a t t e rc a u s e db yt h em i x i n go f c o l da n dh o tw a t e ri sl a r g e ra n dt h ee f f e c t o f t h ef o r m e rp e r f o r m a n c ec a u s e db yt h ec l e a r a n c ev o l u m ei sg r e a t e r t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o p o s e dd u a l t a n kh e a tp u m pw a t e rh e a t e r s y s t e mi sf e a s i b l ei np r a c t i c e w v h e nt h ea m b i e n tt e m p e r a t u r ei s21 2 c ，t h ei n i t i a lc o l d w a t e rt e m p e r a t u r ei s2 1 2 ca n dt h eh e a t i n gt e m p e r a t u r ei s5 3 0 c ，f o rt h es a n l eh e a t i n g t i m et h ec o po fr e c i p r o c a t i n gh e a t i n gt y p ei nt h eh e a t i n gp r o c e s si sa b o u t19p e r c e n t h i g h e rt h a nt h a to ft h ei n s t a n t a n e o u sh e a t i n gt y p e ，a n di t sv o l u m eo fh e a t i n gw a t e ri sa b o u t 2 9p e r c e n th i g h e rt h a nt h a to ft h el a t e xw h e nt h ea m b i e n tt e m p e r a t u r ei s2 3 5 ，t h ec o l d w a t e rt e m p e r a t u r ei s2 3 5 c ，t h eh e a t i n gt e m p e r a t u r ei s5 0 7 ca n dt h ev o l u m eo fh e a t i n g w a t e ri s7 0 l ，i nt h eh e a t i n gp r o c e s st h ec o pa n dt h eh e a t i n gt i m eo ft h er e c i p r o c a t i n g h e a t i n gt y p es y s t e mi sa p p r o x i m a t e l ye q u a lt ot h a to ft h ec o m m o ns t o r a g et y p e h o w e v e r ， t h ep e r f o r m a n c ei nt h eh o tw a t e rs u p p l yp r o c e s so ft h er e c i p r o c a t i n gh e a t i n gt y p es y s t e mi s b e t t e r t h i sr e s u l ti l l u s t r a t e st h a tt h ei n t e r n a lh e a tl e a ki nt h ew a t e rt a n k so fs u c hs y s t e m ， w h i c ha d o p t st h ef l o a t i n gp l a t ef o ri n s u l a t i n ga n dt h ef u r l - c a n i s t e rf o rs e a l i n g ，i sw e a k e r t h a nt h a to f t h ec o m m o ns t o r a g et y p es y s t e m t h ep r e s e n tr e s e a r c hi sb a s e do na ne x i s t i n gh e a tp u m pu n i tw h i c hi sn o to p t i m i z e d t h em a i np u r p o s ei st ov e r i f yt h ef e a s i b i l i t yo ft h en e w p r o p o s e dd e s i g n t h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t sc a no n l yb eu s e df o rc o m p a r i n gt h o s ew h i c hh a v et h es a n l ew o r k i n gc o n d i t i o n s t h e r e s u l t ss h o u l dn o tb ed i r e c t l yc o m p a r e dw i t ht h a to ft h o s eo p t i m i z e dc o m m e r c i a lc o m m o n s t o r a g et y p ep r o d u c t s i na d d i t i o n ，t h ec o n n e c t i o no fw a t e rp i p ea n dt h es t r u c t u r eo ft h e f l o a t i n gp l a t ew a t e rt a n k sa l s on e e dt ob eo p t i m i z e df u r t h e r k e y w o r d s ：h e a tp u m p w a t e rh e a t e r , l o r e n zc y c l e ，d u a l - t a n k ，r e c i p r o c a t i n gh e a t i n g ， c o e f f i c i e n to f p e r f o r m a n c e i i i 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文 中作了明确的说明。 研究生签名： 始名月弘e t 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名： p 妒年指 硕士论文往复加热型双水箱热泵热水器理论分析与试验研究 1 绪论 1 1 课题背景 随着中国经济的发展和人民生活水平的提高，人们对热水的需求越来越多。热水 器是热水供应的主要设备，目前市场上主要有三种家用或小型商用热水器即电热水 器、燃气热水器和太阳能热水器，其中电热水器、燃气热水器能耗较大，太阳能热水 器的使用受气候影响较大。热泵热水器在这种背景下产生，热泵的性能系数都在2 0 以上，具有明显的节能效果。空气源热泵热水器与其它三种类型热水器的比较，如表 1 1 【l 】所示。由表中数据可知，空气源热泵热水器具有良好的综合性能。 表1 1 四种热水器性能比较 ( 1 ) 空气源热泵热水器的热效率采用标准工况环境温度2 0 c ，水温从1 5 c 升到5 5 ，1 2 0 l 计 算； ( 2 ) 太阳能热水器以带电辅助加热为对比对象，全年阴天按1 2 0 天核算，热效率2 0 ； ( 3 ) 表中所列价格为计算参考价，实际价格以各地现行市场价位准。 根据热源的不同，热泵热水器可分为四类：空气源热泵热水器、水源热泵热水器、 太阳能热泵热水器、热电热泵热水器。空气源热泵热水器使用空气作为热源，结构简 单，成本较低，受到很多企业和学者的关注【l 圳。空气源热泵热水器系统由热泵系统 和储水系统两部分，其基本原理如图1 1 所示。 在图1 1 的基础上，热泵热水器的循环方式和设备结构形式具有不同的变化，本 课题的目标是在热力循环理论分析基础上发展一种新型热泵热水器系统，验证其可行 l 绪论硕士论文 性，深入了解影响新系统性能的主要因素，为后续相关工作提供基础。 压 缩 机 图1 1 空气源热泵热水器工作原理 1 2 空气源热泵热水器研究现状 从二十世纪五十年代起，许多研究者从不同方面对热泵热水器( h p w h ) 进行研 究与改进，包括热泵热水器系统结构、热力性能、工质特性、运行控制、计算机模拟、 经济性分析以及推广过程。 1 2 1 有关热泵系统的研究 国内外很多学者对热泵循环系统进行了改进和优化，从不同方面对提高热泵的制 热性能和性能系数进行研究。包括改进循环方式，例如使用劳伦茨循环、跨临界循环 等。改换管道连接方式，选择能耗比较小的路径等。 1 9 8 2 年，t o s c a n o 等【5 j 介绍了一种采用逆布雷顿循环的热泵热水器的开发及其改 进过程，采用的活塞式空气压缩机，工质为空气，在压缩前进行了预热和加湿处理， 保证了热泵具备较高的换热容量，经过改进后的压缩机容量大大提高，系统的c o p 从1 7 提高到了2 0 。 1 9 8 4 1 9 9 2 年期间，日本进行了“超级热泵 的研究开发工作。超级热泵就是超 性能压缩式热泵的简称，它是利用夜间负荷低谷时的多余电力( 电价低) 驱动高性能 的热泵，将城市的低能级余热资源回收，并形成可利用的高能级热能和冷能，再经过 化学蓄热器使之成为高密度的能源以便于贮存，然后在白天电力负荷高峰时放出用于 空调、取暖及供热水用。就其作为热水供应方面，能量效率可达t ! t 6 0 1 6 。 1 9 9 1 年，h i l l e r 课题组对双水箱热水系统进行研究，初步研究表明，存在多种双 水箱结构具有潜在的研究价值，可以改进不同的管道连接方式以及控制方案可以达到 较好的目标，比如，热水供应优化控制、功率的最优化控制、延迟恢复供热水能力的 时间或缩短恢复供热水能力的时间等等。研究证明不同形式结构的双水箱热水器其性 能系数也很大的差别。进一步研究表明双水箱热水系统的热损失要高于相同容积的单 2 硕士论文往复加热型双水箱热泵热水器理论分析与试验研究 水箱系统【7 1 。 h u a n g 和l i n l 3 】也对双水箱热泵热水器进行了研究，水箱容积是i o o l 。研究结果表 明，把水从4 2 。c 力1 热到5 2 需要1 0 2 0 分钟，全年平均c o p 达到2 0 3 0 。与电热水器 相比，节约能量为5 0 7 0 ，热水的供水效率为0 9 1 2 。 19 9 4 年，n e k s a 等【9 】首先提出了c 0 2 跨临界循环空气源热泵热水器，他们对二氧化 碳热泵特性进行了理论和实验研究，证明了二氧化碳跨临界循环水源热泵不仅具有高 的供热系数，而且系统紧凑，供水温度高，在工业和民用两方面都具有很大潜力。 1 9 9 6 年，h a s e g a w a 等提出了两级复叠压缩式热泵热水系统，使用r 1 2 ，直接将 水从1 0 。c 加热到6 0 ，蒸发器进出口温度分别为1 2 ( 2 和7 ，实验测得：系统c 嘴 为3 7 3 。 l e e 等【1 在实验室设定的条件下测试了家用热泵热水系统，其中过热器和蓄热水 箱整合在一系统里。重点阐述了过热热水的特性，内容包括在不同环境温度下制热率 和家用热水器水温变化的情况，过热制热率随着进水温度的升高而降低，过热热水器 的c o p 也随着进口温度的升高而降低。家用热水水箱的初始小时制热率为0 2 m 3 h ， 回收效率和能源效率分别为0 7 4 和0 7 7 。 2 0 0 0 年，韩国开发了多级热泵系统，如图1 2 所示。j u n g 1 2 】对分路冷却型多级热 泵进行了模拟优化，结果表明系统提高了c o p ，它比单级热泵c o p 提高2 5 0 , , - 4 2 。 冷却水出口 i 壹压冷凝器j 图1 2 多级热泵系统【1 2 】 2 0 0 3 年，王森等将双级压缩与变频技术有机结合，提出双级压缩变频空气源 ( 1 v a s h p ) 系统，并对热泵系统进行实验研究，测试结果表明，制热量及性能系 3 l 绪论 硕士论文 数比单级压缩有较好的改善。 余乐渊，赵军等【1 4 】从压缩式热泵热水器的实验研究出发，对热泵热水器性能参数 进行了分析，比较了几种常见热水器性能，优化了热泵热水器系统，结果表明优化后 的热泵热水器的性能系数得到显著提高。 李晓燕等【1 5 】在热泵热水系统中，对新混合工质r 4 1 7 a 进行了理论制冷循环分析和 灌注式替代r 2 2 的循环性能对比实验研究，结果表明其制热量稍低于r 2 2 ，但性能系 数c o p 、压缩机排气温度和功耗等循环性能指标均优于r 2 2 ，而且性能也稳定。 季杰等【1 6 】研制了空调热水器一体机，对其在制冷兼制热水模式下的性能进行了 数值模拟和实验研究，系统能效比平均值为3 5 。 2 0 0 5 年，陈振豪、吴静怡等【1 7 】介绍了一个测试空气源热泵热水器工作性能的实验 系统，通过实验表明，环境温度和水箱设定温度是影响空气源热泵热水器运行性能的 主要参数，作者提出了一套空气源热泵热水器的控制方案。 马最良等【1 8 】研究了单、双级混合式热泵系统中空气源热泵冷热水机组分别在单双 级模式下的运行参数和性能，得出了机组在不同运行模式下的运行特性和规律，并给 出了机组能量调节方法。 王林、陈光明等【l9 】提出了在低温环境下扩大制热能力的空气源热泵系统，该系统 既可按单级空气源热泵运行，又可按复叠式热泵运行。对两种循环特性的模拟比较表 明，在环境温度较低下可获得较大制热量矛h c o p ，且具有较小压缩比和排气温度。 李舒宏等【2 0 】研制了一种将热泵与太阳能热水器结合的太阳能热泵空调热水器装 置，对其在热泵制热水模式下的运行工况进行了实验研究。实测能效比最大可达3 8 5 ， 平均在3 0 以上。作者分析了主要参数对系统性能如能耗的影响。与其它类型热水器 比较，表明该热水器经济性更好。 2 0 0 6 年，谢继红等【2 1 】对利用适当的循环工质实现蒸汽压缩式制冷热泵近卡诺循环 进行了分析，包括基本思路和可行性分析，在相同设备和工作温度下对近卡诺循环热 泵和普通循环热泵进行了性能比较，表明了近卡诺循环的优越性。 王伟等田】分析了基于两级节流中间不完全冷却双级压缩循环的空气源热泵热水 器，结果表明，系统排气温度及压缩机压缩比均优于普通单级循环系统，性能参数也 较好。 徐国英等【2 3 】介绍了一种新型太阳能空气复合热源热泵热水系统，该装置使用自行 设计的螺旋翅片蒸发管型集热蒸发器，可以在不同工况下切换运行太阳能单热源热 泵模式、太阳能与空气双热源热泵模式和空气单热源热泵模式，来制取热水。文献对 这种双热源热泵热水器建立了数学模型，并通过实验分析了各种因素对热泵热水器性 能的影响。 z h a n g 并1 w a n g t 2 4 对空气源热泵热水器的热泵系统进行了优化，分别讨论了毛细管 4 硕士论文 往复加热型双水箱热泵热水器理论分析与试验研究 长度、制冷剂充注量、冷凝盘管长度以及连接方式对热水器性能的影响。 2 0 0 7 年，陈则韶、江斌等l 2 5 1 从有效能流失入手，对空气源压缩式热泵c o p 的影响 因素进行分析，提出了压缩式热泵的节能途径。作者在文献 2 6 】中分析了热泵热水器 随季节的变化规律，探讨了兼有空调和热泵热水器的联合运行的问题，节能效果有所 改进。 陈振豪瞄7 】对空气源热泵热水器进行了理论分析和实验研究，提出了适于空气源热 泵热水器的优化运行方案。汪科2 8 】基于空气源热泵热水器原理，着重从减少热泵系统 内部传热损失，以提升热泵热水器热力学性能的目的。作者还对热水箱内温度场进行 了模拟，通过合理布置进出水方式，也可以提高热泵热水器系统的能效比。 张海峰f 2 9 j 提出了相变储热空气源热泵热水器系统。作者对相变储热型空气源热泵 热水器进行理论分析，通过实验测试了系统改进后的热力学性能，供水温度得到有效 提升。 文献 3 0 】针对冬季低室温环境下无法满足热水负荷需求，设计研发了快速响应热 泵热泵热水器，采用两个独立水箱( 供水水箱和贮热水箱) ，用一个自动调温器 ( s m a v ) 连接，如图1 3 所示，通过s m a v 的开合控制两个水箱之间热量的转移。实 验结果：在环境温度，1 0 0 l 水箱容量条件下，s m a v 打开前，供水水箱温度响应速 度为1 0 5 6 m i n ，s m a v 打开后，温度响应速度为0 8 2 8 。c m i n 。 晰懈钟s u p p l yt a n k h o l d 岫i m k u n i t ：m i r a 图1 3 快速响应热泵热泵热水器【3 0 1 l 绪论硕士论文 1 2 2 有关贮水系统的研究 热水箱作为热水器系统的储热容器，对供热水温有很大影响，特别是供水过程水 温可能有较大波动。正由于此，大量学者对热水箱的热力性能进行了分析。 1 9 9 8 年，林文贤和a r m f i e l d 用非交错网格的有限体积法对热水箱的瞬态过程进行 了二维数值模拟【3 1 j 。 w o o d 等【3 2 】研究不同的水箱结构对加热效果的影响。研究了四种结构的热水器加 热过程，测出了加热过程的温度梯度。还测出了同一水箱结构不同供水量时恢复供水 时间，得到了不同结构的热水器的响应时间。 19 9 9 年，n e l s o n 等【3 3 】从实验上分析了水箱内温度分层的静态和动态特性。2 0 0 1 年，r o s e 3 4 】考虑了水温分布不均的六种不同模式，对热力分层进行理论分析。热力分 层还与水箱的几何形状，进出口管道的设计和运行状况有关。 2 0 0 2 年，d i n c e r 等【3 5 】阐述了水箱在动态运行下出现的温度突变层，认为温度突变 层应尽可能的薄，水箱内热水的体积才越大，对温度突变层的判断可以用来判别分层 水箱动态运行好坏。 2 0 0 3 年，o l i v e s k i 等【3 6 】分别从理论和实验上对圆柱型竖直水箱进行了静态模式分 析。m e i 等【3 7 】在一个模拟的水箱里测试了八种冷凝器的特性，发现u 型结构的性能一 般要好于套管的结构。 2 0 0 4 年，k i m 等刚j 建立了热泵热水器的动态仿真模型，研究系统的瞬态特性，在 建立换热器模型时作者采用了有限容积法，在建立压缩机和水箱模型时采用了集总参 数法。作者预测了不同水箱容积时的瞬态特性，结果发现，当水箱容积较小时系统的 性能下降的较快，而水箱容积较大时水箱的冷损又较大，必须对整个水箱的容积进行 优化。 2 0 0 6 年，江辉民等 3 9 1 对热水箱进行实验研究，分析系统在用水和不用水两种工况 下，水箱内水温变化情况，对水箱的保温进行了实验测试。 王丹丹等”o j 空气源热泵热水器建立了柱状热源的柱状水箱的数学模型，借助 f l u e n t 软件，对水箱内热水温度分布进行数值模拟，对空气源热泵热水器的水箱及 冷凝盘管进行了优化设计。 文献 4 1 4 2 分别从静态运行模式和动态运行模式两方面对家用电热水器的水箱 进行了实验分析和研究。在静态运行时，加热过程实验表明，加热功率对加热时间和 瞬态水温变换有影响，水箱中的压力也对加热时间与水温有作用，作者认为在对水箱 进行数值模拟与理论分析时，不应忽视压力的存在。实验结果还表明冷却过程主要受 到环境温度的影响。在动态运行时，水箱设置了三个进口和二个出口，对5 ，1 0 ，1 5 l m i n 的三种进水流量工况进行了实验测试。结果表明选择不同的进出口方式，对能源效率 和热力性能有影响，如图1 4 所示，i 2 o l 的进出口比其它几种方式性能好。 6 硕士论文 往复加热型双水箱热泵热水器理论分析与试验研究 图1 4 水箱动态运行分析与测试图【4 2 】 文献 4 3 】在储水水箱中使用相变蓄热材料( p c m ) ，通过对储水水箱非稳态相变 过程理论计算和实验研究，理论与实验结果具有一致性，分析了系统压力、压缩机输 入功、温度分布、蓄热材料放热量的变化过程。 综上所述，国内外学者在循环方式和系统及设备结构上都做了大量的研究工作并 取得了很多的研究成果。目前，热泵热水器水路循环结构主要有三种类型：无水箱结 构、单水箱结构、双水箱结构。无水箱热泵热水器主要是即热型。单水箱热泵热水器 可以是即热型，也可以是静态加热型或流动加热型，即热型的性能系数较低，静态加 热型水处于静止状态，换热系数小，同样温升条件下需要较大的换热面积，流动加热 型在补水供水过程中不可避免的有部分冷热水直接混合产生较大的内热漏。双水箱结 构的热泵热水器的两个水箱分别为储水水箱和加热水箱，一种循环结构是将冷凝器内 置于加热水箱中，在加热水箱中将冷水静态加热到所需温度，通过控制调温器将热水 从加热水箱转移到储水水箱中，其加热过程换热系数小：另一种循环结构是将冷凝器 外置在加热水箱外，用水泵及管道将加热水箱和冷凝器连接，通过冷凝器和加热水箱 之间的循环流动将水加热到所需温度，然后通过控制调温器将热水转移到储水水箱 中，其在供水过程的内热漏较大。本文将提出一种新的双水箱热泵热水器水路运行方 式，一方面仍采用换热系数高的流动加热方式，另一方面水箱内部采用冷热水隔离结 构以减小现有结构冷热水直接接触带来的内部热损失( 即热漏) 。 1 3 本文主要工作 本文主要工作如下： ( 1 ) 通过对空气源热泵热水器工作原理的分析，提出一种新的往复加热型双水 7 l 绪论 硕士论文 箱热泵热水器系统，在理论上对往复加热型热力循环和水箱内热漏进行计算或分析。 ( 2 ) 设计带有卷套密封的贮水浮子水箱结构，建立贮水浮子水箱实验系统。实 验测试贮水浮子水箱浮子运动特性、隔热特性和水箱外部保温特性，用莫尔滴定法测 试浮子水箱上下腔之间传质量，用于间接反映由传质引起的浮子水箱内热漏。 ( 3 ) 建立加热浮子水箱实验系统。实验研究加热浮子水箱的动态特性，包括上 下腔换水时的体积流量、浮子运行速度、往复运行周期及余隙容积等参数。 ( 4 ) 建立往复加热型空气源热泵热水器实验台。实验测定热水加热温度、加热 水量、性能系数等参数，比较在相同条件下往复加热型与即热型、往复加热型与常规 贮热型的性能。 硕士论文往复加热型双水箱热泵热水器理论分析与试验研究 2 往复加热型双水箱热泵热水器理论分析 2 1 空气源热泵热水器工作原理 空气源热泵热水器是用空气作为低温热源，提供生活热水的热泵系统。热泵热水 器由热泵部分和水路部分组成。根据水路部分的不同，热泵热水器又可以分为恒温加 热型和变温加热型。恒温加热型也称为即热型，其工作过程变化示意图如图2 1 所示， 冷水( 如1 5 ) 经过冷凝器直接加热到所需供热温度( 如5 0 ) ，在加热过程中冷凝 温度不变，系统稳态工作。恒温加热型优点是实时提供热水( 忽略启动时间) ，缺点 是性能效率较低。变温加热型是指冷水流过冷凝器经多次循环被加热到供热温度( 如 5 0 ) ，在加热过程中冷凝温度逐渐升高( 即变温加热) ，系统动态工作，其加热水 温、冷凝温度变化示意图如图2 2 、2 3 所示。变温加热型的优点是性能效率较高，缺 点是加热时间比即热型长。图2 2 水路为静态加热过程( 即加热过程水不流动) ，图 2 3 水路为流动加热过程( 即加热过程水强迫对流) 。静态加热过程的换热系数小， 流动加热过程的换热系数大，在同样换热量和换热温差条件下，前者所需的冷凝器换 热面积较大。 恒温加热型理论循环过程温熵图如图2 1 所示。压缩机不断的抽吸蒸发器中产生 的制冷剂蒸汽，将其压缩到冷凝压力只，然后在冷凝器中冷凝成液体，放出热量加 热冷水。冷凝后的液态制冷剂通过膨胀阀进入蒸发器，当制冷剂通过膨胀阀时，压力 从只降到异，部分液体汽化，剩余液体的温度降n t o ，离开膨胀阀的制冷剂变成温 度为矗的两相混合物。混合物中的液体在蒸发器中蒸发，从环境中吸取热量。4 6 1 。 ，u v b = 1 5 1 g 、， 5 5 1 l 冷 凝 器 图2 1 恒温加热型工作过程示意图 s 9 2 往复加热型双水箱热泵热水器理论分析 1 0 = 5 5 冷 凝 器 图2 2 变温加热型水温、冷凝温度变化示意图( 静态加热) 1 i - l l l i i - - l i - l l t 广一 l 图2 3 变温加热型水温、冷凝温度变化示意图( 流动加热) 硕士论文 t n 5 01 e 丰 、 t t c 1 5 丰 ， ) u 一 n 51 c 、 ：) vj t c ：0 1 c u oi t c 1 5 n n 硕：l = 论文往复加热型双水箱热泵热水器理论分析与试验研究 由图2 1 、2 2 、2 3 可见，恒温加热型疋保持不变，变温加热型在加热过程中疋随 时间变化。一种理想的变温热力循环是劳伦茨循环，以下将简要介绍劳伦茨循环并分 析与本文变温加热循环的关系。 2 2 拟劳伦茨循环 2 2 1 劳伦茨循环 由于热源与热汇的热容量有限，热源在放热过程中，热汇在吸热过程中不可能是 恒定不变的，即它们是温度变化的热源和热汇。假设变温放热过程，制冷剂在放热时 的温度变化与热汇的温度变化一致，两者之间没有传热温差；变温吸热过程，制冷剂 在吸热时的温度变化与热源的温度变化相一致，二者之间没有传热温差【4 7 4 引。由此得 到的理想循环即为劳伦茨循环，其温熵图如图2 4 所示。循环由两个变温过程和两个 等熵过程组成。过程1 2 为制冷剂等熵压缩过程，过程2 3 为变温放热过程，过程3 4 为等熵膨胀过程，过程4 1 为变温吸热过程。 图2 4 劳伦茨循环原理图 劳伦茨循环可以被分解成许多微元循环来计算其性能系数c o p 。如图2 4 所示， 每个微元循环可以看作逆卡诺循环，其性能系数c o p , 为： c o g ：鼻：j 垡二：j l ( 2 1 ) 由。一由。乃凼一瓦d s 互一瓦， 而整个热泵循环1 2 3 - 4 1 的性能系数可表示为： 哪= 去= 蒜= 去 泣2 ) 式中c i 观劳伦茨循环的性能系数： 吼、吼单位质量的吸热量和放热量，k j k g ； 2 往复加热型双水箱热泵热水器理论分析 硕士论文 z 、t o ，分别为每个微元循环过程的制冷剂放热时高温热源的平均温度和 吸热时低温热源的平均温度，k 。 乙、t o 肘分别为制冷剂放热时高温热源的平均温度和吸热时低温热源的平 均温度，k ； 2 2 2 拟劳伦茨循环 劳伦茨循环是变温放热和变温吸热的制冷循环过程。如果制冷剂在蒸发器( 冷凝 器) 中定温吸热( 放热) ，而在冷凝器( 蒸发器) 中变温放热( 吸热) ，可以把它称 为拟劳伦茨循环。图2 。5 所示为为变温放热、定温吸热拟劳伦茨循环过程。 变温放热、定温吸热拟劳伦茨循环的性能系数可以根据式( 2 2 ) 计算，其循环 过程的性能系数c o p o l 为： 一一， c ，：j l ：丁j 生：l ( 2 3 ) 啪q k q o f 互凼一t o ( s l 飞) 乙一t o 式中乃制冷剂在吸热过程的恒定温度，k ； 西、分别为制冷剂在吸热前、后的熵，k j ( k g k ) 。 图2 5 变温放热、定温吸热拟劳伦茨循环图 恒温加热型与变温加热型区别在于制冷剂冷凝温度的不同，如图2 6 所示。恒温 加热型冷凝温度与水温之间温差较大，而变温加热型冷凝温度与水温匹配较好。有卡 诺定理可知，传热温差大，其效率就低。即变温加热型比恒温加热型性能系数高，热 力循环也比恒温加热型较完善。 1 2 硕：上= 论文往复加热型双水箱熟泵热水器理论分析与试验研究 t t m a x t m i n 初始水温 ( a ) 恒温加热型 t ( b ) 变温加热型 图2 6 两种型式热水器冷凝温度和水温比较 2 3 往复加热型双水箱热泵热水器工作原理 针对即热型空气源热泵热水器性能系数较低、热力循环过程不完善的问题，作者 对热水器的水路部分进行改进，将即热型的冷凝换热过程变成拟劳伦茨循环的变温放 热过程，提出了图2 7 所示的新型往复加热型空气源热泵热水器循环系统。其工作过 程如图2 8 所示，其中( a ) 、( b ) 、( c ) 为启动过程示意图，( e ) 、( f ) 、( g ) 、 ( h ) 为正常运行示意图。 在运行过程和启动过程中，供水和加热时都需要将阀v l 、v 2 关闭，所以两个过程 互不相关。即存在一个状态：贮水浮子水箱上腔充满热水，加热浮子水箱中的冷水也 被加热到所需温度。设单水箱( 包括上下腔) 的容积为v ，则往复加热型空气源热泵 热水器可以向用户提供的最大热水量为2 v 。 2 往复加热型双水箱热泵热水器理论分析 1 4 硕士论文 一毋一隧篙蛋膨i工占一隧