小型家用熱泵冷凝熱回收系統(tǒng)性能研究

0蓄熱式冷凝器熱回收系統(tǒng)在夏季寒冷條件下，家庭使用的系統(tǒng)冷熱是制冷量的約1.3倍。在現(xiàn)實(shí)生活中，這些能量基本上直接排入大氣，不僅會造成能源浪費(fèi)，還會對環(huán)境產(chǎn)生熱污染。通過回收利用熱泵空調(diào)系統(tǒng)的冷凝熱來加熱生活用水,不僅可以減少熱污染,改變城市大氣環(huán)境,還具有節(jié)能環(huán)保的意義。國內(nèi)家庭日常生活所需熱水基本靠傳統(tǒng)熱水器制得(電熱水器、燃?xì)鉄崴鳌⑻柲軣崴?,這些傳統(tǒng)熱水器大都通過消耗大量一次能源來制取生活熱水,造成能源的浪費(fèi)。所以針對傳統(tǒng)熱水器存在的問題,傳統(tǒng)水蓄熱式冷凝熱回收系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生,關(guān)于商用冷凝熱回收系統(tǒng)的研究和應(yīng)用已經(jīng)很成熟且應(yīng)用廣泛,但針對小型住宅用空調(diào)冷凝熱回收的研究,自20世紀(jì)80年代陸亞俊等對帶熱水供應(yīng)的節(jié)能冷藏柜進(jìn)行過實(shí)驗研究,以及1985年韓禮鐘和朱明善申請的生產(chǎn)熱水的電冰箱的專利以后,有關(guān)該方面的技術(shù)研究較少。對于傳統(tǒng)水蓄熱式冷凝熱回收系統(tǒng)普遍存在熱水使用時間、使用量與空調(diào)運(yùn)行時間不同步的問題,且蓄熱設(shè)備體積大、安裝受限等,而相變蓄熱式冷凝熱回收系統(tǒng)由于相變材料蓄熱密度高、性能穩(wěn)定、相變過程接近恒溫而可以解決傳統(tǒng)水蓄熱式冷凝熱回收系統(tǒng)上的問題。國內(nèi)多數(shù)學(xué)者針對相變蓄熱對整個熱泵熱水器系統(tǒng)性能影響的研究較少,對此仍值得進(jìn)一步理論分析和實(shí)驗研究。本文通過實(shí)驗和傳統(tǒng)水蓄熱式冷凝熱回收系統(tǒng)進(jìn)行對比,得出其系統(tǒng)的性能和可靠性。1實(shí)驗儀器及精度測量系統(tǒng)原理如圖1所示。該系統(tǒng)由熱泵空調(diào)器和相變蓄熱箱構(gòu)成,相變蓄熱箱內(nèi)部取熱用水管與制冷劑管路并行排列呈螺旋狀,管外填充(phasechangematerial,PCM)材料,體積為0.20m3。相變材料為石蠟,其導(dǎo)熱系數(shù)為0.21W/(m·K),熔解熱為189kJ/kg,熔點(diǎn)58℃,固體密度920kg/m3,液體密度795kg/m3,石蠟體積0.09m3,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。而與相變蓄熱箱對比的水蓄熱箱,其結(jié)構(gòu)相對簡單,水箱體積為0.50m3。水箱中的水通過殼管換熱器與制冷劑進(jìn)行傳熱制,由循環(huán)水泵進(jìn)行驅(qū)動。實(shí)驗中采用的制冷劑為非共沸R407C制冷劑,整個系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)單獨(dú)制冷、單獨(dú)制熱、單獨(dú)制熱水、同時制冷與熱回收等功能,實(shí)驗內(nèi)容均在制冷兼熱回收模式下進(jìn)行。系統(tǒng)工作流程為:壓縮機(jī)產(chǎn)生的高溫高壓過熱蒸氣經(jīng)過相變蓄熱箱與PCM傳熱,釋放顯熱熱量變?yōu)楦邷馗邏猴柡蜌怏w后,再經(jīng)過冷凝器進(jìn)一步傳熱變?yōu)楦邷馗邏哼^冷液體,經(jīng)節(jié)流裝置節(jié)流后進(jìn)入到室內(nèi)側(cè)換熱器變?yōu)榈蜏氐蛪簹怏w,然后回到壓縮機(jī)。在循環(huán)過程中高溫高壓氣體不斷流過相變箱將熱量傳遞給PCM,對其進(jìn)行加熱。實(shí)驗主要測試水蓄熱和相變蓄熱兩系統(tǒng)蒸發(fā)溫度及冷凝溫度、吸排氣壓力、壓縮機(jī)功率、制冷劑流量、蓄熱箱內(nèi)溫度等參數(shù),測量儀器及精度、范圍見表1。此外,蓄熱箱內(nèi)溫度測點(diǎn)位置分布如圖3所示。2冷凝器熱回收系統(tǒng)性能測試將相變蓄熱工況與水蓄熱工況實(shí)驗中室內(nèi)外模擬環(huán)境測設(shè)定為相同的溫度,即室內(nèi)側(cè)溫度為25℃,室外側(cè)30℃。打開閥1和4,關(guān)閉閥2、3和5,并開啟室內(nèi)側(cè)與室外側(cè)風(fēng)機(jī),通過溫度控制器控制室內(nèi)外溫度,使系統(tǒng)運(yùn)行開始相變蓄熱工況。設(shè)定石蠟初始溫度為20℃,環(huán)境模擬側(cè)溫度穩(wěn)定即開始記錄數(shù)據(jù),待相變材料融化完全停止實(shí)驗;關(guān)閉閥2、3、5,開啟1和4,同時開啟室外側(cè)風(fēng)機(jī),運(yùn)行水蓄熱工況。將水蓄熱箱初始水溫為20℃,循環(huán)水流量為1.5m3/h,循環(huán)水體積0.20m3。待環(huán)境模擬側(cè)溫度穩(wěn)定后開始記錄實(shí)驗數(shù)據(jù),水箱水溫達(dá)到50℃時停機(jī)。冷凝熱回收系統(tǒng)的性能參數(shù)主要體現(xiàn)在熱回收率Rx、制冷性能系數(shù)EER和系統(tǒng)綜合能效系數(shù)COPt,各參數(shù)計算公式為式中:Rx為冷凝熱回收率;Φr為冷凝熱回收量,W;Φcr為冷凝熱釋放量,W;Φa為供冷量,W;Φw為熱水供熱量(熱回收量),W;PE為壓縮機(jī)消耗的功率,W,其中COPt計算式中PE為系統(tǒng)有效輸入功率。能效比EER是在一定工況下,空調(diào)系統(tǒng)在制冷時的實(shí)際制冷量與實(shí)際輸入功率的比值,反映了單位輸入功率在空調(diào)運(yùn)行過程中轉(zhuǎn)換成的制冷量,而COPt是指系統(tǒng)一定工況和運(yùn)行條件下,機(jī)組制冷量與制熱量之和同機(jī)組有效輸入功率的比值,它反映的是系統(tǒng)在制冷同時進(jìn)行熱回收的綜合效率,值越大系統(tǒng)性能越高。3石蠟壓力穩(wěn)定的影響通過水蓄熱和相變蓄熱對比實(shí)驗研究,得到了蓄熱箱內(nèi)部溫度、系統(tǒng)吸排氣壓力、制冷劑在蓄熱箱進(jìn)出口溫度等參數(shù)隨時間的變化關(guān)系。圖4為相變蓄熱和水蓄熱系統(tǒng)排氣壓力、吸氣壓力隨時間的變化曲線。圖5為相變蓄熱箱制冷劑入口和出口溫度以及水蓄熱系統(tǒng)蒸發(fā)溫度和冷凝溫度隨時間的變化曲線。由圖4曲線變化趨勢可知,相變蓄熱系統(tǒng)排氣壓力與吸氣壓力值在石蠟開始融化之后的實(shí)驗過程中變化較小,而水蓄熱系統(tǒng)排氣壓力變化較大且隨時間一直升高,而吸氣壓力無明顯變化趨勢。由圖4數(shù)據(jù)可知,相變蓄熱系統(tǒng)的排氣壓力平均值在2.00MPa以下,吸氣壓力平均值在0.50MPa左右;水蓄熱系統(tǒng)吸氣壓力在0.58MPa左右,排氣壓力從1.30MPa經(jīng)過2.0h上升到1.90MPa,上升速率在前0.7h較大隨后逐漸放緩。水蓄熱系統(tǒng)排氣壓力同相變蓄熱系統(tǒng)排氣壓力差值由最初0.55MPa到差值逐漸縮小,可見相變蓄熱系統(tǒng)回收的冷凝熱屬于制冷劑過熱蒸氣顯熱,而水蓄熱系統(tǒng)回收的冷凝熱為大部分系統(tǒng)排放出的冷凝熱,可知,相變蓄熱系統(tǒng)較水蓄熱系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)。相變蓄熱系統(tǒng)吸排氣壓力穩(wěn)定是因為石蠟達(dá)到相變蓄熱溫度后開始潛熱蓄熱,對冷凝換熱器傳熱效果影響減弱,石蠟溫度近似不變使得系統(tǒng)排氣壓力與吸氣壓力值波動較小,平均排氣壓力為1.91MPa,平均吸氣壓力為0.57MPa。水蓄熱系統(tǒng)中排氣壓力前后差值較大,結(jié)合圖5中水蓄熱系統(tǒng)的冷凝溫度和蒸發(fā)溫度隨時間變化關(guān)系可知,由于實(shí)驗運(yùn)行0.7h內(nèi)水蓄熱箱內(nèi)水溫較低,傳熱效果較好,系統(tǒng)大部分冷凝熱用于加熱水箱內(nèi)的水。隨著水溫逐漸升高,制冷劑與水的傳熱溫差逐漸縮小,冷凝壓力上升,待水箱側(cè)冷凝壓力高于冷凝器側(cè)冷卻空氣冷凝壓力,水箱冷凝能力下降,系統(tǒng)較多的冷凝熱逐漸由室外側(cè)換熱器帶走。當(dāng)水溫升到一定溫度后冷凝壓力與冷凝溫度增長速率減小,排氣壓力升高,增長速率不斷減小,后趨于穩(wěn)定達(dá)到1.90MPa;壓縮機(jī)蒸發(fā)溫度與蒸發(fā)壓力由于室內(nèi)側(cè)溫度維持不變而保持恒定。如圖5所示,相變蓄熱箱制冷劑入口溫度為91℃,制冷劑出口溫度為67℃,實(shí)驗過程中變化較平穩(wěn),可知相變蓄熱箱回收的熱量為制冷劑顯熱部分(系統(tǒng)冷凝溫度為52℃)。而圖5中水蓄熱系統(tǒng)的冷凝溫度變化較平緩且均勻,并隨時間一直在升高,增長速率逐漸減小,其變化規(guī)律同圖4中系統(tǒng)吸排氣壓力變化規(guī)律一致。圖6、7為在相同室內(nèi)外工況下相變蓄熱箱和水蓄熱箱內(nèi)部測點(diǎn)平均溫度與壓縮機(jī)輸入功率的變化曲線。由圖6可以看到在實(shí)驗過程中壓縮機(jī)耗功率隨石蠟平均溫度的上升而逐漸趨于穩(wěn)定。在石蠟溫度達(dá)到相變溫度之前,壓縮機(jī)功率有小幅度的波動現(xiàn)象,待石蠟開始相變后,壓縮機(jī)功率變化趨于平緩。而根據(jù)圖5相變蓄熱箱制冷劑進(jìn)出口溫度變化曲線,制冷劑在蓄熱箱出口溫度高于系統(tǒng)冷凝溫度,說明石蠟回收的熱量為制冷劑過熱蒸氣顯熱部分,制冷劑未能在蓄熱箱內(nèi)發(fā)生冷凝液化,制冷劑過熱蒸氣潛熱由室外環(huán)境模擬側(cè)的冷卻空氣帶走,系統(tǒng)冷凝壓力變化較小,因此壓縮機(jī)功率變化與相變蓄熱箱內(nèi)石蠟溫度的變化并無因果關(guān)系。如圖7所示隨著水箱平均水溫的上升,壓縮機(jī)功率值一直在增加。從圖7可以看出,在水溫達(dá)到46℃之前,壓縮機(jī)耗功率上升速率較小,曲線平緩,此后曲線斜率變大,壓縮機(jī)功率開始升高。由于實(shí)驗剛開始時制冷劑過熱蒸氣與水傳熱溫差較大,水側(cè)冷凝壓力較低,結(jié)合系統(tǒng)冷凝溫度隨時間變化圖,可以看出制冷劑在水箱中已經(jīng)冷凝液化。隨著水溫升高,水與制冷劑傳熱溫差減小,水箱冷凝壓力上升,同時壓縮機(jī)由于排氣壓力的升高也開始增大。待水側(cè)冷凝壓力升高到室外環(huán)境模擬側(cè)風(fēng)冷冷凝壓力時,系統(tǒng)冷凝熱開始由風(fēng)冷冷凝器帶走,水箱內(nèi)水與制冷劑傳熱量逐漸降低,最后只能吸收制冷劑過熱蒸氣顯熱,水溫升高速率大大減小,短時間內(nèi)溫升不明顯。圖8為相變蓄熱系統(tǒng)和水蓄熱系統(tǒng)COPt和Rx隨時間的變化曲線。由圖8可見,相變蓄熱系統(tǒng)COPt和Rx在整個運(yùn)行過程當(dāng)中波動較小,而水蓄熱系統(tǒng)COPt和Rx隨著時間推移逐漸降低。由于系統(tǒng)冷凝溫度不斷升高和壓縮機(jī)壓縮容積一定以及系統(tǒng)排氣壓力不斷升高,使得系統(tǒng)中的制冷劑流量減少,造成制冷量下降,而輸入功率不斷增加,導(dǎo)致系統(tǒng)COPt下降;又隨著系統(tǒng)排氣溫度的上升,壓縮機(jī)排氣口到膨脹閥之間漏熱量增加,造成Rx的下降。對比二者,水蓄熱系統(tǒng)Rx比相變蓄熱系統(tǒng)高15%左右,且COPt同樣比相變蓄熱系統(tǒng)COPt高27.6%。由此可見相變蓄熱箱傳熱效果較差,導(dǎo)致冷凝熱回收系統(tǒng)性能下降。4不同蓄熱回收工藝時系統(tǒng)運(yùn)行分析本文將相變蓄熱和水蓄熱兩冷凝熱回收兩系統(tǒng)性能進(jìn)行對比實(shí)驗測試,在分析各項參數(shù)的基礎(chǔ)上得出結(jié)論。1)相變蓄熱系統(tǒng)吸排氣壓力受冷凝溫度和蒸發(fā)溫度影響較水蓄熱系統(tǒng)小,同時壓縮機(jī)輸入功率值受蓄熱介質(zhì)溫度變化影響較水蓄熱系統(tǒng)小且系統(tǒng)運(yùn)行更加平穩(wěn)。2)在相同工況下,相變蓄熱系統(tǒng)的蓄熱裝置容積約為水蓄熱系統(tǒng)儲熱裝置容積的50%,但由于該相變蓄熱箱傳熱效果較差,使得該系統(tǒng)蓄熱時間較水蓄熱系統(tǒng)長,并且在夏季制冷兼熱回收工況下,水蓄熱系統(tǒng)