逆卡诺循环在空调冷凝热回收系统中的应用

1、逆卡诺循环在空调冷凝热回收系统中的应用 摘要：本文提出一种基于逆卡诺循环的间接冷凝热回收装置，并对其进行了热力循环分析和工作原理的阐述，装置将空调系统与热水系统连接起来，用空调产生的冷凝热加热生活热水，既减少了冷凝热的排放，又减少了锅炉的使用时间，节省能源的同时使得环境污染降低，有良好的社会经济效益。 关键词：逆卡诺循环 冷凝热 热回收 热力循环 0 前言 随着社会经济的不断发展，能源消耗问题日益严重。我国是仅次于美国的第二大能源消耗国，又是以煤炭为主要能源，不合理的能源结构会造成严重的环境污染，影响人们的生存环境。随着我国空调普及率的逐年提高，能耗不断增加，民用建筑的中央空调耗能占建筑总耗能

2、的30%60%。能源的高消耗成为制约我国经济持续健康发展的瓶颈。如何有效解决能源危机，从而实现经济的可持续发展，成为当下亟待解决的问题。 1 国内外研究现状和趋势 早在1965年，healy【1】等人提出将冷凝热作为免费热源对居住性建筑进行热水供应的可行性，并组建实验装置进行试验，发现热回收系统每年可节约70%的热水供应耗热量，在5月到10月间，可节约 93%的热水供应量。美国采暖、制冷与空调工程师学会的seminar【2】等人预测了小型制冷空调系统冷凝热回收用于加热生活用热水的可行性，认为冷凝热回收用于加热生活热水，在节约加热生活热水能耗的同时还可以提高空调系统的性能。美国的r l doug

3、las cane【3】等人对大型中央空调中的热回收可行性进行了实验研究，其结果表明只要回收年限在5年以内，这种热回收形式将具有很好的经济价值。在东京ibm大厦、芝加哥ibm广场办公楼、日本东京三和银行、日本中部电力局营业所及日本地所第一大厦都采用了双管束冷凝器的热回收式热泵空调系统【4】。在意大利经济发展委员会办公大楼的空调系统中，在常规系统的基础上，增加了冷凝热回收设备，来提供生活热水所需的加热量【5】。 我国的冷凝热回收技术研究开始于上世纪90年代，空调冷凝热回收的研究大多是针对宾馆、酒店等大中型空调，江辉民【6】等针对家用空调提出了常用的热回收技术，压缩机排出的高温高压的制冷剂蒸汽与水在

4、热交换器中进行热交换，达到加热生活热水的目的。周延安【7】介绍了上海外国语大学迎宾馆中央空调制冷机组采用制冷废热回收技术，指出全年全部由风冷热泵热回收机组来提供卫生热水能产生明显经济效益，并指出该技术在长江以南广大地区宾馆酒店应用将不需另设锅炉，其省却的关联费用相当可观。西安建筑科技大学的王浩【8】对酒店冷水机组冷凝热制取生活热水的实际改造工程进行了分析，该热回收系统同时供应冷量和热量，系统一次能源利用率大幅提高，使酒店热水供应的运行成本降低，并减少了环境污染。 实验和实践证明，空调冷凝热回收制备生活热水是一种可靠且非常节能的技术。国内外对空调冷凝热回收技术的研究主要集中在装置的性能分析和经济

5、社会效益分析上。 2 冷凝热回收利用技术 现阶段常采用的冷凝热回收系统的形式可以分为直接式和间接式两种。直接式是指从压缩机出来的高温高压制冷剂蒸汽通过热回收器，与自来水直接换热提供生活热水，图1所示为直接式冷凝热回收系统的原理图。 图1 直接式冷凝热回收系统的原理图 间接式冷凝热回收是指从压缩机出来的高温高压制冷剂蒸汽与冷却介质换热，冷却介质通过锅炉、热泵等装置用来加热生活热水。图2所示为间接式冷凝热回收系统的原理图。 图2 间接式冷凝热回收系统的原理图 本文提出一种基于逆卡诺循环的间接冷凝热回收系统，其工作原理见图3。 图3 基于逆卡诺循环的间接冷凝热回收系统 1.蒸发器，2.压缩机，3.节

6、流阀，4.第一级换热器，5.循环水泵，6.低温水箱，7.高温水箱，8.第三级换热器，9.第二级换热器，10.紫外线管，11.补水管。 空调冷凝热回收系统由压缩机、冷凝器、节流阀和蒸发器组成，在节流阀前端设有第一级换热器，该换热器一端接补水管，另一端接低温水箱；冷凝器外侧设有第二级换热器，该换热器通过循环管连接低温水箱，循环管上设有循环水泵；压缩机的出口上设有第三级换热器，该换热器的两端通过循环管连接高温水箱，循环管上设有循环水泵；高温水箱与低温水箱之间连接有水管。在高温水箱和低温水箱内分别还设有紫外线管。 工作时，补水管中的水经过第一级换热器被加热后进入低温水箱，低温水箱内的水通过循环管在第二

7、级换热器内再次加热，可以得到45左右的热水。低温水箱内的热水通过水管进入高温水箱。高温水箱内的水通过循环管在第三级换热器内再次加热，可以得到60的热水。 该技术是在空调主机逆卡诺循环系统各自的热区独自作循环热吸收，各工作状态点不断作良性循环，避免了高压侧液团堵塞和冷凝高温高压所形成的电机增大反力矩。由于空调主机内的冷媒在压缩机吐出、冷凝时和节流前的温度相应降低，保证了各级换热器内的水温和冷媒温度相差比较小，可以有效延长设备的使用寿命，使设备良性循环，长期稳定、节能运行。 由图3可知，冷凝热回收冷水机组可充分回收制冷压缩机排出的过热气体全部的高温显热和部分制冷剂在冷凝过程中放出的潜热，这样制冷系

8、统冷凝排放到大气中的热量大大减少，从而减少了环境热污染，节省了系统冷却塔风机的耗电量，并节约大量用于加热热水的能量，做到冷凝热绝大部分回收，节能减排效果显著。 3冷凝热回收系统节能的热力循环分析 图4 空调冷凝热回收系统热力循环压焓图 图 4 中 1234561是制冷设备逆卡诺循环无热回收系统在压焓图上表示的制冷循环图，其中12是压缩段，2345是冷凝段，56是节流膨胀段，61是蒸发段。其中2点到5点为冷凝过程，2点至3点是高压过热制冷剂显热放热过程，3点到4点是制冷剂的潜热放热过程，4点到5点是制冷剂的过冷段显热放热过程。2点为压缩机排气状态点，其温度较高，采用氟里昂制冷剂时一般都在65以上

9、，将此废热进行回收，对制冷循环有利无弊。 因此只要对冷凝器的结构形式或对冷凝系统进行改造设计，以及对冷却水回路进行控制调节，就可以将自来水直接加热到 50以上， 成为可用的生活或生产工艺热水。 1-2-3-4-5-6-1为本文设计的带冷凝热回收系统的空调系统的热力循环压焓图，5为图3中的第三级换热器出口制冷剂过冷状态，使制冷剂过冷度增大。这样采用带三级热回收系统的制冷系统的冷凝热 qh可表示为qh=h2-h5，式中， h2为制冷剂实际进入冷凝器的比焓，j/kg；h5为采用热回收装置的制冷剂过冷液体的比焓，j/kg。如图2可见，q2-5 q2-5，冷凝热增加； c4-5c4-5，过冷度增加；c6

10、-1c6-1，产冷量增加。 由此可见冷凝热回收系统可使冷凝压力下降，耗电流减小；过冷度增大， 使单位质量产冷量增大，有效地提高其能效比，又能无偿提供大量的热水，可谓一举多得。从理论上验证了本项目设计的基于逆卡诺循环的间接冷凝热回收系统不仅不影响空调系统的制冷量，而且有较好的节能效果，值得进一步推广应用。 4 热回收技术具体的实施方式 冷凝热回收的具体实施方式是在原有空调机组的基础上改进，在各自的热区作独立循环热回收，使各工作状态点不断做良性循环： 在压缩机的排出段设置相应的套管式换热器，用电磁阀控制热交换水量，只让气态冷媒的温度降到70，这样既大量回收显热又避免高压侧液团堵塞，避免冷凝高温高压

11、造成电机增大反力矩（减少能耗）； 冷凝器段同样采用套管式换热器联接，用电磁阀控制热交换水量，使冷媒的温度降到40； 节流前同样采用套管式换热器联接，通过补充水（自来水）热交换使冷媒温度降至或接近自来水温。三个热交换的热水分别联接：其一是接至66保温水箱循环，其二是接至45保温水箱循环，其三是接至45保温水箱补充水入口，以此形成的三级热回收（见图3）。这样既能生产大量60以上的热水，又能使设备良性循环，长期稳定、节能运行。 排出温度回收热交换器（图3中的第三级换热器）作防液团的工艺处理完成一级热回收；冷却水量的调节或冷凝扇的调速作二级（图3中的第二级换热器） 的热回收节能及控制热的漂移处理；节流

12、前热交换器 （图3中的第一级换热器）， 在不影响冷媒阻力的前提下，尽可能地作热交换，提高工质单位质量的产冷量。 三个环节如果设置好，对制冷循环有利无弊，空调的废热可将自来水直接加热到 50以上，成为生活或生产工艺的热水，并能使空调主机冷凝压力下降，工作电流减小，且又使工质节流前的有益过冷度增大。 该措施既能有效提高空调机组的能效比， 又能无偿提供大量的生活用热水， 获得很显著的节能减排效果。 5 预期的应用前景 冷凝热回收技术的应用，减少了冷水机组运行过程中排放的大量余热，降低了对环境的废热污染。此外，由于制取免费的卫生热水，降低了对锅炉、电加热器等传统加热设备的过度依赖，具有节能、环保、节约

13、运行费用的特点，同时，对液态制冷剂的进一步过冷作用，提高了冷水机组的能效比，改善了机组的运行条件，并提高了机组的运行寿命，整体上降低了企业的综合运营成本。因此，在新建建筑上推广使用冷凝热回收利用技术及在现有机组上实行空调节能改造技术的市场应用潜力巨大。 参考文献： 1 c. t. healy，jr. t. i. wetherington.water heating by recovery of rejected heat from heat pump j.ashrae journal.1965，april，68-74. 2 ashrae professional development sem

14、inars.refrigeration systems for air conditioning and industrym .1989. 3r l douglas cane，s blar clemes. heat-recovery heat pump operating experiencej. ashrae transactions，1994，100（2） ：165-172. 4徐邦裕，陆亚俊，马最良.热泵m.北京：中国建筑工业出版社，1988. 5 sehibuola，luigi.experimental analysis of condense heat recovery in an air condition plantj.energy，1999，24（4）：273-278. 6江辉民，马最良.带热水供应的节能型空调运