100KW空气源热泵热水器设计【含CAD图纸+文档】
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文献翻译 题 目 100KW空气源热泵热水器 学生姓名 专业班级 学 号 院 （系） 指导教师（职称） 完成时间 空气源热泵热水器系统优化的实验研究 空气源热泵热水器系统优化的实验研究J. Zhang, R.Z. Wang *, J.Y. Wu.Institute of Refrigeration and Cryogenics, Shanghai Jiao Tong University, 1954 Huashan Road, Shanghai 200030, PR China.Received 30 May 2005; accepted 16 July 2006.Available online 27 October 2006摘要：本文对空气源热泵热水器（ASHPWH）进行了系统优化测试和计算。ASHPWH系统主要由热泵、水箱以及连接管道组成。空气中的能量被蒸发器吸收然后经由朗肯循环泵到储存罐，之后将由线圈管/冷凝器排放的制冷剂冷凝热量传递到水侧。在涡旋压缩机的ASHPWH系统里，加热的水从初始温度升到设定温度（55）的过程中，我们需要讨论毛细管长度、制冷剂充注量量、冷凝器盘管的长度和系统匹配的数量关系。通过测试，从结果中可以看到系统的性能COP明显改善。2006爱思唯尔有限公司保留所有权利关键词：热泵，热水器，冷凝盘管，充注量，系统匹配，优化1 引言目前国内市场流行的热水器产品是燃气热水器（吉瓦），电热水器（EWH）和太阳能热水器，而热泵热水器（HPWH），作为第四种热水器，是最近出现在市场上的。与前三种热水器相比，HPWH有几个优点特别值得一提，例如节能、低运行费用以及使用安全等,从这些优点中可以预见它在国内的市场前景十分光明。空气源热泵热水器（ASHPWH）基于朗肯循环原理，可以从较低温度的空气中吸收热量，然后通过热机将从空气中吸收的热量与热机消耗的能量转移到水箱更高的温度热源。空气源热泵热水器系统的能量主要从环境中得到，也就是说，它得到的能量与耗电能相比，可能是电能的34倍。总的来说，该系统有助于节省45倍的电能。空气源热泵热水器的高效、节能的优点受到广泛用户的喜爱。 自20世纪50年代起，我们已经完成HPWHS包括结构、热力学、工作流体、操作控制、数值模拟以及经济分析的各种研究。冷凝器环型流程的设计经历了两个阶段：直管式和U型管。Mei等人在一个水箱中测试了8种冷凝器，当将平均水温视为冷凝COP的函数时，他们发现U形管系统的性能要比卡口式与环状流系统好，而且系统的COP、热量生成速率随着环路数的增加而有所提高1 。 希特勒从1991年开始带领一个小组研究双罐热水系统。基础研究显示，超过60种双罐具有潜在的研究价值。不同的管子链接和控制方式都可以实现诸如热水供应的控制和功率的控制优化。经过连续测试表明有38种双罐热水系统的效率比其它结构的HPWH更高。当然，双罐热水系统的热损失比相同容积的单罐系统热损失更多2 。黄、林还研究了水箱体积100 L的双罐HPWH 。结果表明，水从42 加热至52需要10-20分钟，而全年的COP为2.0-3.0 。与电热水器相比，其节能分数50-70，而热水显示充电效率为0.9123 。Hasegawa等人从热水供应的角度提出了一种双级压缩和级联加热热泵统。通过使用R12 ，它可以将水从10直接加热至60，蒸发器的进口与出口水温分别是 7 与12 ，系统COP为3.734 。姬等将HPWH和传统空调结合在一起，研究出一个多功能家用热泵(MDHP) 。该设备在气候温和的地区调节范围更广泛，且可以长期保持高效的运行状态。当制冷，制热同时进行时 ，系统的COP与EER的平均值可能达到3.55-6 。R12，R22是HPWH中最常用的工作流体。由于臭氧层的保护倡议，已成为唯一常规流体的R22仍然被使用。在发展中国家如中国，使用R22的截止期到2040年。现在，它仍然被广泛使用。所以仍然有一些提高R22系统性能提高的研究，这也是节能的一种方式。斯隆等人在环境温度24、水温度27 、中间带有肋扰乱管的水箱条件下研究得出系统COP为2.4 。 Mei等人也使用R22作为制冷剂研究该系统，其结果是：当水温27 ，环境温度20和27 ，COP分别为4.0和4.57 7，在使用传统工作流体的文献中它可以被看作当环境温度适中和冷凝温度不高的时候，R22可以得到较高的热力学性能和效率。但是，当系统在较高的温度区域运行，例如高于50 ，压缩机的排出温度和压力都非常高，尤其是在寒冷的冬天，压缩机的工作条件比普通空调热泵差，从而严重影响系统的安全性和可靠性。因此，迫切需要寻找新的、性能更好的流体。为使 ASHPWH有效地运行，很多相关研究正在进行。Morrison等人8 提出一种ASHPWH-全年负荷周期评价的方法。Kim等人9 提出了一种动态模型，该模型系统是由水加热器驱动的热泵系统。丁等人10 和姚等人11 已经做了很多关于除霜的研究来提高ASHPWH系统冬季工作效率。Fan等人用7500 W HPWH研究其节能性，考虑到风机和水泵消耗的功率，系统COP为3.3。若只考虑压缩机，系统的COP为4.1812 。然而，就ASHPWH而言，制造商还没有确定的参数对热泵与水箱进行匹配，主要是由于不同的工作条件，包括地区，生活习惯和全年运行等。热泵热水器系统由室外热泵，水箱和连接管路组成。一些制造商直接使用空调热泵（外门机），然后通过添加一个水箱作为完成系统。显然，ASHPWH的工作条件与空气调节器的变化相符。在ASHPWH热侧的温度是逐渐上升的，但冷却器侧的温度则根据全年气候改变而发生变化。因此，有必要对ASHPWH的产品进行标准化。为了提高系统的性能(COP)，降低产品的成本并优化运行条件，应首先调查系统组件。除了压缩机，冷凝器，蒸发器和热阀或毛细管，制冷剂填充量，水箱和热泵单元之间的匹配对该系统也很重要。本文涉及的空气源热泵热水器( ASHPWH)系统优化，包括计算和测试，即毛细管的长度，制冷剂的填充量，冷凝器盘管长度和系统匹配都要相应地讨论。从测试结果中可以看出，该系统性能COP可明显提高。我们希望他们能提供一些宝贵的建议有助于ASHPWH的未来发展。2 ASHPWH实验系统ASHPWH的测试系统如图1所示。它是由温度和湿度控制的房间、热水泵、水箱、控制系统和测试系统组成。一数据记录器（Keithley2700）和PC是用来记录在水箱中水的温度的。此外，在进出水管道的温度、环境温度，饱和蒸发温度和瞬态电输入功率都被自动地存储在PC的文档中。 在ASHPWH系统运行，工作液从空气中吸收热量，在蒸发器中蒸发为气体，然后被压缩成高压和高温的蒸气，之后再将其冷凝成液体，并在水箱中释放热量来加热水。该液体经过毛细管或膨胀阀变成低温低压的气 - 液混合物。该低温液体从空气中吸收热量后蒸发。在实验中，将控制器设定的开始/结束温度点和运行模式，当水温上升到终点时，系统会自动停止。如果它下降到一定温度时，系统将重新启动，以补偿水的加热。这只是一个我们在加热过程讨论的参数，在此过程中我们预置了水的温度和混合水的水箱温度，以统一其初始温度和最终温度。基于热量的增加以及电功率的消耗情况我们可以计算出系统的COP.图1 ASHPWH性能测试系统1-壳体；2-热交换器；3-风机；4-贮液器；5-压缩机；6-过滤器；7-阀；8-热力膨胀阀；9-铜管；10-外壳；11-保温层；12-内壁；13-盘管式冷凝器；14-房间温度、湿度控制器；15-抽水水管；16-循环水泵；17-水混合阀；18-三通阀；19-出水管道；20-控制器；21-电表；22-计算机；23-数据审核；24-数据记录；25-热水罐；26-循环水管型温度传感器；I,J-水表3 ASHPWH的制冷剂填充量 在热泵系统泄漏检查和抽真空之后，应填制冷剂进去。在这个实验系统中，使用R22作为工作流体。显然，填充量与蒸发器，冷凝器和压缩机是相关的。如果制冷剂填充量过多，则压缩机的负荷将加重，而剩余的制冷剂会占据冷凝器的一部分区域，这将降低热效率。另一方面，若制冷剂不足，压缩机吸气和排气压力将降低一部分;热流会太弱，以至于不能满足其额定能力。以上两个条件都不可以使热泵达到理想的工作状态。此外，在冬季和夏季，环境温度有很大的不同（以10至35的上海为例），所以制冷剂流量也是不一样的。工作条件在夏天时可能需要比冬天更多的制冷剂液体。所有这些都是影响制冷剂的因素，我们的目标是从中找到最节能的一种方式。 在实验中，我们选择了一个75W的热泵，25的恒定室温，150L的水，在测试中使用60m的冷凝盘管。水的起始和结束温度为15、55。在实验中，我们选择了智能氟利昂流量计，我们可以从它的LCD屏幕上直接读出制冷剂量。为了保证压缩机在额定功率之内，压缩机的最大电量不应超过3.8A。在图2中我们可以看到COP曲线与制冷剂充入量之间的关系，当COP处于最大值时制冷剂的充入量是1.5Kg。 图2 充注量与性能系数的关系曲线理论上讲，在热泵中，制冷剂流速可以根据热负荷以及ASHPWH的性能参数来计算。根据总的制冷剂充入量等于各部分之和其中，代表总制冷剂充入量， 代表其它部件累加填充量、流体管充注量、蒸发器填充、以及冷凝器填充量。表1 热泵工作流体充注量理论计算结果表1是在冬、夏以及春或秋季环境温度分别为-5、30、25的条件下的计算结果。由上表可以看出，制冷剂的最佳填充量是需要随着气候的变化而变化的。然而，从安全角度出发，我们选择了春天或者秋天来确定压缩机的选型以确保压缩机在夏天不会出现大量超载的现象发生。4 ASHPWH的冷凝器盘管长度冷凝器盘管的长度应匹配到压缩机类型、系统负载和蒸发器面积。如果管道长度短的话，压缩机吸气/排气温度可以比额定的高一点。另一方面，如果管道太长，将有长度被搁置起来未被使用。因此，计算一个合适的冷凝器盘管长度尤为重要。对于一个容量为150L水、制冷剂为R22、功率为750W的热泵来说，若在设定热水温度为55 时，计算过程如下： 图3 储水箱各部分温度物理模型 表2 各个部分管子长度(1) 系统运行参数拿春/秋季为例，ASHPWH的热负荷是3375W，冷凝温度为60 ，蒸发温度为15 ，且过冷度为5 ，铜管采用的是。(2) 换热面积 由于制冷剂在冷凝器内发生相变，热交换区被分成气、液和两相部分。因此，每部分都要区分计算。水箱的物理模型温度划分如图3所示 。忽略铜管厚度和热阻，过热区的平均温度与热水温度相同，在加热结束时热水温度Ts = 55 .设置制冷剂入口/出口温度和顶部/底部水箱温度，。通过计算，我们可以得到各部分管道长度，加起来的总长度，如表2所示。同样，在一组200L的水槽与一个1125 W的热泵实验中，计算出的管道长度为69.9m。这些数据与图4中那些测试出来的数据是接近的。图4 冷凝管子长度与性能系数的关系 (a) 150L,1马力(b) 200L,1.5马力5 系统匹配通过试验，我们发现热泵中不同毛细管在不同的环境中系统性能不同。当环境温度较高时，一个粗短的毛细管使系统性能更好，当环境温度较低时，细长的更合适。例如，在环境温度35时，具有较短的毛细管系统性能比细长毛细管高21，而在15时，后者比前者高3。 小型家庭使用的ASHPWH所采用的双层毛细管是一种简单、有效和廉价的选择。一方面，开/关电磁阀决定了工作毛细管状态，它能适应不断变化的工作状态;同时，毛细血管的价格低，对总成本不会有太大的影响。然而，双层毛细管不能满足更高要求，因为不同的毛细管有一定的直径、长度和压差限制。所以其性能几乎是恒定的，虽然水温度改变很多，但这又需要增加制冷剂的流速。在此基础上，我们考虑使用热力膨胀阀，这利用了蒸发器出口的过热来调整制冷剂的流量，而不是在ASHPWH系统使用双层毛细管。5.1 制冷剂冲入量与热力膨胀阀开度之间的关系对空气温度25、水箱容量150L、60m长的冷凝盘管，水的初始、终止温度为15和55，功率为750W的热泵进行实验。如图5所示，在不同的制冷剂充入量条件下，系统的COP随TXV开度不同而不同，其中存在一个最佳开度的COP。也就是说，在相同的填充条件下，TXV开度很大程度上影响系统COP ，这是在实验中应该将其进行优化研究的一方面。 图5 我们发现冷剂充入量和热膨胀阀的开度之间有一些耦合。理论上的相关性目前还未发现，但是我们可以得到如下一些定性的结论：(1)在充入量一定的条件下，如果TXV开度过大, 压差将变小, 但它可能导致制冷剂积累在冷凝器盘管的内部。如果TXV开度不足, 冷凝器的出口温度将很高,这就意味着热传递不足。(2) 在TXV某一开度下, 如果制冷剂充入量太多, 制冷剂将积累在冷凝器底部,不会被充分利用。如果充入量不够，那压缩机也许就不能在额定负荷下运行。5.2 系统稳定 在热泵的连续运行过程中, 如果发现冷凝器入口温度有轻微上升,出口出现以水温上升为现象的几次波动。这表明TXV的不稳定吸力产生的短暂波动使压缩机输出功率不稳定，显示系统运行不稳定。为了解决这个问题,系统的填充量应调整到一个适当的值，从而可以看见波动减弱和性能系数增加较多的象.TXV开度的改变,可以使整个系统的性能系数达到最大值. 但当TXV调整时,波动在所难免,若水被加热到更高的温度，这表示需要的冷媒会更多，一种可能的办法是加一台接收器以保证为压缩机供应更多的冷媒。在图6中的曲线可以看出在接收器增加之后, 基本上消除了冷凝器波动。稳定的吸入温度将会使压缩机的输出功率稳定。在测试中明显地可以看到是增加的接收器稳定了系统。 图6 冷凝器出口温度与加热时间之间的关系5.3水箱尺寸和热泵机械性能的关系 储水箱的大小应该与热泵系统匹配。如果1500 W机器与一60 L储水箱结合，水温迅速地上升，达到上限(温停)快，但成本会增加。如果一个小热泵结合大水箱,热流密度将太小,加热速度太慢，家庭使用不方便。从现有资料我们测试市场上的几种ASHPWH, 750 W, 900 W, 1125 W 热泵和60 L、100 L、150 L, 200L储水箱,对于住宅使用，750 W与150 L匹配，1125 W 与200L匹配是适当的。6 结论和讨论 本文揭示了空气源热泵热水器的优化计算以及相关测试的应用。对于提高已有的系统（150L,1125W）在表3中可以明显的看到。 表3 ASHPWH性能系数在工作环境中的结果(1) 制冷剂填充量对热泵系统的运行起着重要的作用。它不仅关系到气候条件，也与TXV开度有关。由于没有直接的计算结果，我们得到了一些经验性的结论。未来研究可以考虑一些数学方法，如通过仿真系统的鉴定得到充入量和其他参数的关系。(2) 冷凝盘管的长度与热泵系统设计的合理性是息息相关的。在测试结果的基础上，它可以优化理论计算。(3) 压缩机功率的波动表示系统运行的不稳定状态。通过加入一个接收器，冷凝器出口温度的曲线波动性减少，稳定性得到改善。(4) 在住宅ASHPWH系统中，热泵容量和水箱的大小适合匹配应正确匹配。 致 谢 此项工作部分由国家重点基础研究计划在合同号为G2000026309下支持的。感谢高级工程师许一熊先生和孙先生对该实验系统的帮助。参考文献 1 B.D. Sloane, R.C. Krise, D.D. Kent, Energy Utilization Systems, Inc., Demonstration of a heat pump water heater, A subcontracted report, ORNL/Sub-7321/3, December, 1979.2 Carl C. Hiller, Dual-tank water-heating system options, ASHTAE Transcations 102 Part 1 (1996), pp. 10281037. Abstract + References in Scopus | Cited By in Scopus 3 B.J. Huang and F.H. Lin, Compact and fast temperature-response heat pump water heater, American Society of Mechanical Engineers (Paper) 97-AA-26 (1997), p. 4. 4 Hiroml Hasegawa et al., Development of two-stage compression and cascade heating heat pump system for hot water supply, ASHRAE Transactions 102 (1996) (1), pp. 248256. Abstract + References in Scopus | Cited By in Scopus 5 J. Ji et al., Performance simulation and experiment of an air conditioner incorporated with a water heater in cooling and hot water supply, Heating Ventilating and Air Conditioning 33 (2003) (2), pp. 1923. Abstract + References in Scopus | Cited By in Scopus 6 Jie Ji et al., Performance of multi-function domestic heat-pump system, Applied Thermal Energy 80 (2005), pp. 307326. SummaryPlus | Full Text + Links | PDF (450 K) 7 Vince C. Mei et al., A study of a natural convection immersed condenser heat pump water heater, ASHRAE Transactions 109 Part 2 (2003), pp. 38. Abstract + References in Scopus | Cited By in Scopus 8 G.L. Morrison, T. Anderson and M. Behnia, Seasonal performance rating of heat pump water heaters, Solar Energy 76 (2004), pp. 147152. SummaryPlus | Full Text + Links | PDF (348 K) |Abstract + References in Scopus | Cited By in Scopus 9 Minsung Kim, Min Soo Kim and Jae Dong Chung, Transient thermal behavior of a water heater system driven by a heater pump, International Journal of Refrigeration 27 (2004), pp. 415421. SummaryPlus | Full Text + Links | PDF (205 K) | Abstract + References in Scopus | Cited By in Scopus 10 Yanjun Ding, Qinhu Chai, Guoyuan Ma and Yi Jia
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