一種直熱式冷暖空調熱水三用機的研究

聶德平

1　三用機的基本流程與工作原理
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: h! i& x, a% O0 |! |! }" I" B    制冷和制熱水兩用熱泵具有冷熱綜合利用特點,有很高的能效比,制冷系數和熱泵COP 值相加可達6～8,是當今熱泵發展方向。熱泵熱水機都有水冷凝結換熱器,即用制冷劑凝結熱加熱水的換熱器,簡稱熱水加熱器。用空調機改造的熱泵熱水機,如果仍要保留空調機原有功能時,依據熱水加熱器增添在制冷劑回路中的位置和方式不同,分為前置串聯式、后置串聯式和并聯式三種。

    前置串聯式:在壓縮機的排氣口與原風冷凝器之間串接一個熱水加熱器,用它回收高壓制冷劑氣體的顯熱和部分凝結熱來產生熱水。這種設計,在熱水需求量相對小于冷氣需求量的大型空調機的改進中適用,但不適于小型機。因為,前置式水冷換熱器在低水溫時凝結出的制冷劑液體會在風冷凝器中重新蒸發,使制冷循環不穩,無法調節制冷和熱水需求不平衡的矛盾。

* B" y! K# s2 k2 i9 Q/ ]    后置串聯式:即在原風冷凝器后與節流器前串接一個熱水加熱器。這種方案,可以在制冷同時回收制冷劑凝結液的熱量,得到中溫熱水(夏天適用) ,又可因制冷劑的過冷而提高制冷效率。但在熱水用量大時,不能全部回收制冷劑凝結熱。

    并聯式:即與原風冷凝器和蒸發器并聯,增添一個水冷換熱器,三個換熱器兩兩組合,配以共同的壓縮機和相應的節流器,組成四路獨立分循環多用途的熱泵空調機。圖1是其原理示意圖。為了實現四種分立循環的自由切換,系統在原冷暖空調機的壓縮機1的排氣口與四通閥2之間增添一個三通閥7;熱水換熱器添加在三通閥7的另一個排氣口和節流機構4的一個進口端,節流機構共有三個進口端和四路出口,可由多根毛細管和單向閥組合成,也可由熱力膨脹閥,或電子膨脹閥構成。系統詳細結構參見專利文獻[ 2, 3 ]。系統四個分立循環為: (1) 正常風冷制冷循環: 1→7→2→3→4→5→2→1; (2)正常風源制暖氣循環: 1→7→2→5→4→3→2→1; (3)制冷氣同時水冷式冷凝器全部回收凝結熱的制熱水循環: 1→7→6→4→5→2→1,此時制冷劑不流過室外換熱器; (4)從室外吸熱制熱水的風源熱泵循環: 1→7→6→4→3→2→1,此時制冷劑不流過室內換熱器,這種工況在春秋冬三季適用。由于保留了原有空調器的所有功能,而且并聯式的每個獨立回路的循環都像簡單的制冷循環或熱泵循環,所以各種循環都能穩定運行,效率高,并可根據氣溫和用戶需求,選擇循環形式。各模態在自動控制運行狀態下時可以自動智能切換。家用原理性樣機經兩年實際使用考驗,各模態間可自如切換,系統運行正常,使用靈活方便。壓縮機功率1. 8kW配60L水箱式熱水換熱器的三用機,在冬季7℃進水情況下,以60L 水箱55℃熱水為補充,可連續供45℃以上熱水30～40min,滿足一人淋浴。間歇15 ～20min,另一個人又可繼續使用,效果很好。    2　一種帶套筒直熱式凝結/熱水換熱器
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    2. 1　現有熱泵熱水機的熱水換熱器存在問題

6 _- V7 Y: J; b    熱泵熱水機雖然是制冷逆循環,原理并不復雜,但由于熱泵在全年中工況變化很大,在冬天和夏天,系統都運行在惡劣工況下,效率偏低。特別在冬季,室外氣溫低,水溫低而要求熱水溫度不得低于50℃,標準是55℃。從熱力學角度看,在冷凝壓力與蒸發壓力比大的情況下,熱泵的COP值很低,在2～2. 5之間;另外,當水箱水溫低時,過低的冷凝壓力造成制冷劑流量不足,蒸發器壓力偏低,熱泵輸出功率不足正常的50%;再者,從傳熱學角度看,如果熱水換熱器要把進水從7℃直接提高到55℃,換熱管表面的水流速只有正常換熱器的十分之一,其傳熱能力急劇降低。熱力換熱器的換熱能力不足,又嚴重地影響系統的熱效率和出力。現有家用小型熱泵熱水機的熱水換熱器,幾乎都采用澳大利亞引進的盤管沉浸在水箱下部的熱水換熱器,其換熱性能相當差。工業用熱泵熱水機的熱水換熱器,多數采用套管式換熱器,并通過循環水泵、連接管路與水箱組成水循環回路,為保證熱水換熱器的換熱效率,每次循環一次,經熱水換熱器的水升溫5℃,因此,這種形式熱水換熱器的水箱內存水,經歷了由低溫到55℃的過程。水箱容積大時,等待水溫升到55℃加熱時間長。在用水量大時,補水會使水箱的水溫降低,這在高級賓館是不適合的。如果采用輔助小水箱,那么小水箱的每次進水、出水的一個周期內,冷凝器的冷凝壓力都經歷了較大波動,對系統的安全高效運行不利。因此,設計能維護系統高效、穩定運行,可直接連續提供設定溫度的熱水,成本低的熱水換熱器是熱泵熱水機的一個關鍵。
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. x/ k. b% A5 w( C) S    2. 2　直熱儲熱組合型熱泵用熱水換熱器結構
   
    該換熱器的特征在于:在水箱內增加了導流用的導流套筒,并把螺旋盤管式的加熱管置于導流套筒內,導流套筒只與水箱的頂板和底板間留有流水的間距。冷水進水管在水箱底部,熱水出水管在水箱頂部引出;水箱總是滿水。
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    當熱泵熱水機工作制冷劑流入螺旋盤管式的加熱管時,導流套筒內的水就首先被加熱。由于導流套筒內的水量僅是水箱總儲水量的很小部分,這部分水被加熱迅速膨脹,密度變小而快速上升,上升的水受導流套筒的阻隔不會與導流套筒外的水混合,被加熱的水,很快上升并越過導流套筒頂端。在水箱頂部開機十分鐘就可取到熱水。導流套筒外的大量未被加熱的水,密度大而下降,從水箱底部補充流到導流套筒內的加熱區,從而形成回流,提高了換熱系數。取用熱水時只要打開進水閥,冷水進入水箱底部,冷水在下,熱水在上,冷水被送進導流套筒內加熱,等量的熱水從水箱出水口被取用。取用熱水時螺旋盤管表面的水流速隨進水量加大而增大,換熱系數明顯提高。實驗和數值模擬表明,這樣的換熱器比把盤量直接置于水箱底部的換熱器的換熱效果也好很多。

; n  Z! B7 r# e! ?% ?$ _: {    2. 3　不同流量的換熱特性研究

    換熱器水箱直徑0. 35m,高0. 7m,導流套筒直徑0. 16m,螺旋換熱管置于導流套筒內。對換熱面積、結構形式已確定的換熱器性能實驗,主要考核它在變流速、變溫度時的傳熱特性。而在熱泵系統運行中,受熱泵功率的限制,其最終的輸出熱水熱流量,則是綜合的結果。

- p; s% y  u0 u( B: J; n+ R: Q    設計只在某種工況下運行的換熱器,合適的運行參數容易選擇。但對于直熱和儲熱兩用,有時處于零流量,只靠自然對流換熱,有時又處于不同水流量的半強迫對流換熱狀態的換熱器, k和K非定數,需要由實驗確定。冷凝換熱器換熱過程制冷劑和流水的溫度變化情況如圖3所示。確定冷凝器的換熱溫差,需要分別考慮制冷劑的過熱蒸氣冷卻、等壓等溫凝結和凝結液過冷冷卻三段與對應段的流水的平均溫差,再以各段制冷工質的比焓降低值的比例為權重,求出換熱器的平均溫差。

, Z. C3 T* E, R$ @+ e8 J7 b3 q+ R    配置帶導流套筒儲水箱換熱器的多功能熱泵熱水機系統,參見專利文件[3]。實驗時通過測量水流量,進、出水溫可以獲得制熱量Q。通過改變水流量,可以測得不同水流量時換熱器的特性。圖4中有3條曲線,帶三角黑點的是熱流量曲線,隨出水流量增大而增大。但熱泵要輸出大的熱流量只能降低冷凝溫度和出水溫度,圖中帶正方形黑點的曲線和帶菱形黑點的曲線分別表示冷凝溫度和出水溫度,它們都是隨出水量增加而降低。

    2. 4　零出水量時換熱特性
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    零出水量時,儲水箱內的凝結換熱器只依靠自然對流換熱。此時,換熱量是通過水箱內水的平均溫升速率與水箱內水和水箱壁的總熱容C的乘積求出。平均溫升速率由布置在水箱不同高度層和不同直徑圈的許多熱電偶測的溫度,用容積積分求出平均溫升,或在各點溫升速率都相同時,即進入準穩態,取任意一點的溫升速率5t / 5τ。可以在一次連續的實驗中測出不同平均水溫時換熱器自然對流換熱功率。布置在導流套筒內的熱電偶可以算出各段的換熱溫差。零出水量時,儲水箱內水溫從11℃加熱到55℃,平均換熱量約為4250W,低于正常制冷量5000W和制熱量6000W。

& t8 o- A9 o8 p& }5 ]+ K7 R( b    2. 5　定溫出水工況

+ M7 ~" \- l' M$ Z  I& N7 s0 z" f    定溫出水工況的測試與不同流量出水動態加熱工況類似,只不過在實驗中需要不斷調節流量以保證出水溫度為所需要的值。實驗時環境溫度為20. 4℃,進水溫度為17. 7℃,最后穩定的出水溫度為54. 6℃,穩定時間在半小時以上,對應的流量為125L /h。數據進行處理后發現,加熱功率為5350W,總的傳熱系數為456. 7W / (m2 ·K) 。制冷劑進口溫度為97. 5℃,出口為44. 6℃。對逆流式換熱器,冷流體的出口溫度可以超過熱流體的出口溫度。出口穩定時各測點的溫度值如表1所示。

    2. 6　溫度場、速度場的模擬
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    水箱內水流的溫度場、速度場可以通過建立模型利用FLUENT軟件求解。螺旋換熱管簡化為多層圓環結構,用分離解法求解連續性方程,動量方程,能量方程及組分方程的方程組。采用三角形和四方形混合網格,網格的總數為10649個,網格的劃分在前處理軟件GAMB IT中完成。通過水溫、流速及換熱系數可計算出換熱量。零
出水量時水箱內的換熱量計算結果與實驗值的比較,見圖5。240L /h流量時的的換熱量計算結果與實驗對比見圖7中上部帶空心三角形點和黑四方形點的兩條曲線,數值模擬所獲的結果與實驗值的總趨勢相當吻合,但計算值比實驗值偏小約5%～10%。
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9 o' ?% Y( D/ W3 {' _8 z4 V$ C, F    2. 7　帶導流套管與浸泡式
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* c2 f3 ~: n2 L4 T    利用數模擬了兩種等換熱面積的換熱器,即帶導流套筒盤管換熱器和盤管置于水箱下部的浸泡式盤管換器在240L /h流量時的換熱情況。浸泡式的換熱量在圖7中的最下面一條曲線。由圖可以看出浸泡式盤管換器在有出熱水時的換熱量不及帶導流套筒盤管換熱器的50%。主要原因是帶導流套筒盤管換熱器在取用熱水時補充的冷水集中到盤管換熱器通道,提高了流水速度,換熱效
果好,而浸泡式的在連續供水時流速反而不及靜態加熱時形成的自然對流流速。
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    對于零出水量兩種換熱器換熱量的數值計算結果表明,浸泡式盤管換器的換熱量也有如圖5所示的帶導流套筒盤管換熱器的換熱量的變化趨勢,但換熱能力總體偏低,在水箱水溫較低的初始加熱時,偏低約20%,而當水溫基本達到55℃時,兩者基本沒差別。其原因是初始加熱時,帶導流套筒盤管換熱器的導流套筒內與導流套筒外水密度差大,內循環流速大,所以換熱系數大;而水箱的平均水溫高時,導流套筒內外水的密度差不大,二者的自然對流能力都很弱,差別也不大。
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6 B- U5 w3 T3 x4 _. }    3　結語
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    (1) 介紹了一種直熱式冷暖空調熱水三用機的基本原理,這種多功能熱泵熱水機,不僅有很好的綜合節能作用,而且它適用性較廣,可以滿足用戶的不同需求。
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% }7 q9 @! D+ K! d2 K/ [* ^    (2) 首次公開介紹了一種作為直熱式冷暖空調熱水三用機的熱水加熱器,即帶導流套筒的盤管換熱器,比一般浸泡式熱水加熱器,動態加熱時的換熱能力高一倍多,靜態加熱時平均換熱能力也高15%。
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