(西安科技大學(xué)能源學(xué)院 西安 710054)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和生活水平的不斷提高，人們對(duì)生活中的熱水需求越來(lái)越大。在發(fā)達(dá)國(guó)家中，衛(wèi)生熱水、供熱和空調(diào)的能耗可占到社會(huì)總能耗的25%～30%。我國(guó)每年采暖、空調(diào)與生活熱水系統(tǒng)約占全國(guó)能源消耗總量的15%。城市的民用建筑洗澡熱水能耗接近20%[1]，而各類商業(yè)建筑熱水能耗約占總能耗的20%～42%[2]。目前，各種節(jié)能技術(shù)被積極的研究和推廣，其中熱泵技術(shù)的應(yīng)用是很重要的一項(xiàng)。熱泵可實(shí)現(xiàn)將低溫位熱能輸送到高溫位，可大量利用自然資源和余熱中的熱量，有效減少空調(diào)、采暖、供熱水和工業(yè)加熱所需的一次能源。

根據(jù)《蒙特利爾議定書》規(guī)定，發(fā)達(dá)國(guó)家在2020年后禁止使用HCFC制冷劑[3]，發(fā)展中國(guó)家于其后的10年禁用。R22是當(dāng)前熱泵熱水器中最成熟的工質(zhì)，但由于環(huán)保要求的不斷提高，熱泵熱水器和其它制冷空調(diào)裝置同樣也面臨著工質(zhì)替代問(wèn)題[4-9]。冷凝器是熱泵熱水器中的關(guān)鍵部件，廣泛應(yīng)用于制冷、空調(diào)及熱泵領(lǐng)域，其換熱效果直接影響熱泵系統(tǒng)的性能。套管換熱器具有結(jié)構(gòu)緊湊、傳熱效率高、二次流和制作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，在制冷空調(diào)、熱泵系統(tǒng)中有廣闊的應(yīng)用前景[10]。關(guān)于R22制冷劑的替代國(guó)際上主要有兩種技術(shù)方案：1)以北歐國(guó)家和韓國(guó)為代表，主張采用天然工質(zhì)作為替代物；2)以美國(guó)和日本為代表，主張采用HFCs作為替代物[11]。R417A是一種不消耗臭氧層的R22的長(zhǎng)期替代工質(zhì)，可應(yīng)用于新型或現(xiàn)存的使用傳統(tǒng)R22潤(rùn)滑油的直接膨脹式系統(tǒng)中[12]。賈榮林等[13]研究了R417A在空氣源熱泵熱水器中的性能，且與R22進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)，測(cè)試了不同環(huán)境溫度下，R417A與R22的功率、冷凝壓力和壓縮機(jī)排氣溫度及系統(tǒng)COP等參數(shù)的變化。結(jié)果表明：在熱泵熱水器運(yùn)行系統(tǒng)中，R417A的COP與R22較接近，排氣溫度低于R22，系統(tǒng)更加安全；冷凝壓力低于R22低，說(shuō)明在冷凝壓力相同時(shí)，能夠加熱到溫度更高的熱水；R417A環(huán)保，比R22更適合在熱泵熱水器中使用。李曉燕等[14]在熱泵熱水系統(tǒng)中，對(duì)新型混合工質(zhì)R417A進(jìn)行理論制冷循環(huán)分析和灌注式替代R22的循環(huán)性能進(jìn)行對(duì)比研究，結(jié)果表明，混合工質(zhì)R417A的制熱量略低于R22，但壓縮機(jī)排氣的溫度、功耗和系統(tǒng)COP等循環(huán)性能指標(biāo)均優(yōu)于R22，且實(shí)驗(yàn)過(guò)程中R417A性能更加穩(wěn)定，運(yùn)行正常，無(wú)需更換潤(rùn)滑油。

本文以R417A為工質(zhì)，在冷凝器不同進(jìn)水溫度、不同進(jìn)水體積流量時(shí)，實(shí)驗(yàn)測(cè)試了空氣源熱泵熱水器的運(yùn)行性能及螺旋套管冷凝器的換熱特性，為制冷空調(diào)及熱泵系統(tǒng)的工質(zhì)替代提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置原理及實(shí)物分別如圖1和圖2所示，該裝置主要由制冷劑循環(huán)、水循環(huán)及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。水循環(huán)有兩種流程：1)水箱中水循環(huán)加熱，冷凝器進(jìn)口水溫不斷升高，熱泵熱水器持續(xù)變工況運(yùn)行，此時(shí)，通過(guò)閥門控制，蓄熱水箱9中的水在泵的作用下進(jìn)入冷凝換熱實(shí)驗(yàn)段，與制冷劑換熱后，溫度升高的水又回到蓄熱水箱9，如此持續(xù)運(yùn)行，蓄熱水箱9中的水溫不斷升高至所需溫度；2)當(dāng)需要熱泵熱水器在不同的設(shè)定冷凝器進(jìn)水溫度下運(yùn)行時(shí)，通過(guò)閥門控制，蓄熱水箱9中一定溫度的水在泵作用下進(jìn)入冷凝換熱實(shí)驗(yàn)段，與制冷劑換熱后，溫度升高的水回到蓄熱水箱10。

實(shí)驗(yàn)采用的SCE05螺旋套管換熱器結(jié)構(gòu)如圖3所示。總?cè)?shù)為4，外徑為230 mm，內(nèi)徑為174 mm，外層為厚10 mm的保溫棉，制冷量為5.5 kW，制熱量為6.4 kW。內(nèi)管由外徑為19 mm的外螺紋銅管制成，外管由外徑為28 mm的鋼管制成。螺旋套管冷凝換熱段均勻布置了12個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)，蒸發(fā)器進(jìn)出口各1個(gè)，壓縮機(jī)進(jìn)出口各1個(gè)，水箱內(nèi)測(cè)水溫1個(gè)，總共17個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)。

1壓縮機(jī)；2油分離器；3冷凝換熱實(shí)驗(yàn)段；4儲(chǔ)液器；5干燥過(guò)濾器；6渦輪流量計(jì);7熱力膨脹閥；8蒸發(fā)器；9, 10蓄熱水箱；11水泵；12浮子流量計(jì)；ΔP壓差測(cè)點(diǎn)。圖1 實(shí)驗(yàn)裝置原理Fig.1 The principle of experimental device

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物圖Fig.2 Physical diagram of experimental device

圖3 螺旋套管換熱器結(jié)構(gòu)(單位：mm)Fig. 3 The structure of spiral tube heat exchanger

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

螺旋套管冷凝器的總換熱量Q由式(1)計(jì)算[15]：

Q=AKΔtm=AFwρwcw(Tw,out-Tw,in)Δtm

(1)

螺旋套管冷凝器的傳熱系數(shù)K為：

(2)

式中：Fw為冷卻水的體積流量，m3/s；ρw為冷卻水的密度，kg/m3；cw為冷卻水的比熱容，J/(kg·K)；Tw,out和Tw,in分別為冷卻水進(jìn)、出口溫度，℃；K為傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；A為傳熱面積，m2；Δtm為對(duì)數(shù)平均溫差，℃。

實(shí)驗(yàn)所用換熱器為新制作，忽略換熱壁面兩側(cè)的熱阻，則傳熱系數(shù)K為：

(3)

式中：hh和hc分別為制冷劑側(cè)和水側(cè)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/(m2·K)；δ為換熱壁面厚度，m；λ為換熱壁面導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)。由于銅的導(dǎo)熱系數(shù)大，故忽略導(dǎo)熱熱阻δ/λ，則有：

(4)

水側(cè)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)根據(jù)修正的威爾遜方法實(shí)驗(yàn)確定[16-17]。根據(jù)所得威爾遜實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)通過(guò)回歸方法得到在不同水體積流量和水溫度條件下確定水側(cè)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式。

熱泵熱水器的制熱量由式(5)計(jì)算：

(5)

式中：ρ為冷卻水密度，kg/m3；cp為冷卻水定壓比熱容，kJ/(kg·℃)；V為水箱容積，m3；tw1、tw2分別為單位時(shí)間間隔內(nèi)，加熱前、后的水溫，℃;Δt為單位時(shí)間間隔，s。

熱泵熱水器的性能系數(shù)采用式(6)計(jì)算：

(6)

式中：W0為單位時(shí)間內(nèi)消耗的電功率，kW；ΔP為單位時(shí)間間隔內(nèi)的平均功率，kW。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 螺旋套管冷凝器入口水溫的影響

3.1.1螺旋套管冷凝器的換熱性能

圖4所示為冷凝器總換熱量隨入口水溫的變化。由圖4可知，冷凝器總換熱量隨入口水溫的升高而減小，當(dāng)環(huán)境溫度為29 ℃，循環(huán)水體積流量為0.6 m3/h，冷凝器入口水溫由20 ℃升至55 ℃時(shí)，冷凝器總換熱量由5 737.6 W降至3 249.1 W。實(shí)驗(yàn)工況范圍內(nèi)，環(huán)境溫度為15 ℃時(shí)冷凝器總換熱量比環(huán)境溫度為29 ℃時(shí)低4.3%～8.8%。在相同冷凝器入口水溫條件下，隨著循環(huán)水體積流量的增大，冷凝器換熱量隨之增大。

圖4 冷凝器總換熱量隨入口水溫的變化Fig.4 The total heat transfer capacity of condenser changes with inlet water temperature

圖5所示為冷凝器總傳熱系數(shù)隨入口溫度的變化。由圖5可知，冷凝器總傳熱系數(shù)隨入口水溫的升高而減小，當(dāng)環(huán)境溫度為29 ℃，循環(huán)水體積流量為0.6 m3/h，冷凝器入口水溫由20 ℃升至55 ℃時(shí)，冷凝器總傳熱系數(shù)由2 508.4 W/(m2·K)降至1 676.2 W/(m2·K)。實(shí)驗(yàn)工況范圍內(nèi)，環(huán)境溫度為15 ℃時(shí)冷凝器總傳熱系數(shù)比環(huán)境溫度為29 ℃時(shí)低2.5%～15.8%。在相同冷凝器入口水溫條件下，隨著循環(huán)水體積流量的增大，冷凝器傳熱系數(shù)也隨之增大，且水體積流量越大，環(huán)境溫度對(duì)冷凝器傳熱系數(shù)的影響更顯著。

圖5 冷凝器總傳熱系數(shù)隨入口水溫的變化Fig.5 The total heat transfer coefficient of condenser changes with inlet water temperature

分析認(rèn)為：當(dāng)進(jìn)水體積流量一定時(shí)，隨著冷凝器入口水溫的升高，冷凝器內(nèi)制冷劑與水的傳熱溫差減小，凝結(jié)液膜熱阻變大，導(dǎo)致傳熱系數(shù)下降，換熱量減少。當(dāng)環(huán)境溫度為15 ℃時(shí)，熱泵熱水器蒸發(fā)溫度降低，傳熱系數(shù)下降，總換熱量隨之下降。因此在實(shí)際運(yùn)行中，熱泵保持較高的蒸發(fā)溫度，可保證獲得較大的制熱量和較好的經(jīng)濟(jì)性。

3.1.2熱泵熱水器的運(yùn)行性能

圖6所示為循環(huán)水體積流量為0.6 m3/h時(shí)壓縮機(jī)吸、排氣壓力隨冷凝器入口水溫的變化。由圖6可知，壓縮機(jī)排氣壓力隨冷凝器入口水溫的升高明顯增大，而吸氣壓力變化不明顯。當(dāng)環(huán)境溫度為29 ℃，冷凝器冷卻水體積流量為0.6 m3/h，冷凝器入口水溫由20 ℃升至55 ℃時(shí)，壓縮機(jī)吸氣壓力由0.72 MPa升至0.75 MPa，排氣壓力由1.36 MPa升至2.45 MPa。隨著環(huán)境溫度的降低，吸、排氣壓力下降，吸氣壓力下降較為明顯。實(shí)驗(yàn)工況范圍內(nèi)，環(huán)境溫度為15 ℃時(shí)壓縮機(jī)的排氣壓力比環(huán)境溫度為29 ℃時(shí)低0.17 MPa，降低了5.6%～11.3%，吸氣壓力低0.3 MPa，降低了41.7%～47.4%。分析認(rèn)為：隨著循環(huán)加熱的不斷進(jìn)行，水箱水溫不斷升高，冷凝器換熱環(huán)境逐漸惡化，導(dǎo)致壓縮機(jī)排氣壓力升高。

圖6 壓縮機(jī)吸、排氣壓力隨冷凝器入口水溫的變化Fig.6 The suction and exhaust pressure of compressor changes with inlet water temperature of condenser

圖7所示為壓縮機(jī)輸入功率隨冷凝器入口水溫的變化。由圖7可知，壓縮機(jī)輸入功率隨冷凝器入口水溫升高明顯增大。當(dāng)環(huán)境溫度為29 ℃，冷凝器進(jìn)水體積流量為0.6 m3/h，冷凝器入口水溫由20 ℃升至55 ℃時(shí)，壓縮機(jī)輸入功率由1.48 kW升至2.76 kW。實(shí)驗(yàn)工況范圍內(nèi)，環(huán)境溫度為15 ℃時(shí)壓縮機(jī)輸入功率比環(huán)境溫度為29 ℃時(shí)低6%～18%。分析認(rèn)為：隨著循環(huán)加熱的不斷進(jìn)行，冷凝器入口水溫升高，冷凝溫度、冷凝壓力升高，壓縮比增大，導(dǎo)致壓縮機(jī)輸入功率增大。

圖7 壓縮機(jī)輸入功率隨冷凝器入口水溫的變化Fig.7 The compressor input power changes with inlet water temperature of condenser

圖8所示為熱泵熱水器制熱量隨冷凝器入口水溫的變化。由圖8可知，熱泵熱水器制熱量隨冷凝器入口水溫升高明顯下降。當(dāng)環(huán)境溫度為29 ℃，冷凝器進(jìn)水體積流量為0.6 m3/h，冷凝器入口水溫由25 ℃升至55 ℃時(shí)，熱泵熱水器制熱量由10.13 kW降至4.22 kW。此外，環(huán)境溫度越高，制熱量越大，實(shí)驗(yàn)工況范圍內(nèi)，與環(huán)境溫度為29 ℃時(shí)的制熱量相比，環(huán)境溫度為15 ℃時(shí)的制熱量低16%～29.2%。分析認(rèn)為：冷凝器入口水溫持續(xù)升高，傳熱溫差逐漸減小，換熱效果變差。此外，冷凝溫度升高，壓縮機(jī)吸氣比容增大，吸氣量減少，導(dǎo)致制熱量減少。環(huán)境溫度降低，熱泵從較低溫度環(huán)境中吸熱困難，同時(shí)壓縮機(jī)吸氣溫度下降，吸氣比體積增加，使工質(zhì)質(zhì)量流量下降，導(dǎo)致實(shí)際制熱量較少。

圖8 熱泵熱水器制熱量隨冷凝器入口水溫的變化Fig.8 Variation of heat capacity of heat pump water heater with inlet water temperature of the condenser

圖9所示為熱泵熱水器制熱性能系數(shù)COP隨冷凝器入口水溫的變化。由圖9可知，COP隨冷凝器入口水溫升高明顯下降，當(dāng)環(huán)境溫度為29 ℃時(shí)，冷凝器進(jìn)水體積流量為0.6 m3/h，冷凝器入口水溫由25 ℃升至55 ℃時(shí)，COP由6.6降至3.2。實(shí)驗(yàn)工況范圍內(nèi)，與環(huán)境溫度為29 ℃時(shí)的COP相比，環(huán)境溫度為15 ℃時(shí)的COP低15.4%～48.5%。分析認(rèn)為：隨著水箱水溫的不斷升高，冷凝溫度、冷凝壓力升高，壓縮比增大，功耗增加，使熱泵系統(tǒng)的制熱效率下降。環(huán)境溫度升高，蒸發(fā)溫度升高，蒸發(fā)器更容易從周圍大氣吸取熱量，COP提高。

圖9 熱泵熱水器制熱性能系數(shù)COP隨冷凝器入口水溫的變化Fig.9 Variation of heating coefficient of performance (COP) in heat pump water heater with inlet water temperature of the condenser

3.2 冷凝器進(jìn)水體積流量的影響

3.2.1螺旋套管冷凝器的換熱性能

圖10所示為冷凝器總換熱量隨進(jìn)水體積流量的變化。由圖10可知，冷凝器總換熱量隨進(jìn)水體積流量的增加而增大，當(dāng)環(huán)境溫度為29 ℃，冷凝器入口水溫為20 ℃時(shí)，冷凝器進(jìn)水體積流量由0.6 m3/h升至1.0 m3/h，總換熱量由5 737.6 W增至7 129.3 W。分析認(rèn)為：冷凝器進(jìn)水體積流量增加，水流速度增加，雷諾數(shù)Re增大，傳熱系數(shù)提高，換熱量增大。當(dāng)冷凝器進(jìn)水體積流量相同時(shí)，隨著冷凝器進(jìn)水溫度的升高，冷凝器總換熱量減小。

圖10 冷凝器總換熱量隨進(jìn)水體積流量的變化Fig.10 The total heat transfer of the condenser changes with the influent volume flow rate

圖11所示為冷凝器總傳熱系數(shù)隨進(jìn)水體積流量的變化。由圖11可知，冷凝器總傳熱系數(shù)隨進(jìn)水體積流量的增加而增大。當(dāng)環(huán)境溫度為29 ℃，冷凝器入口水溫為20 ℃時(shí)，冷凝器進(jìn)水體積流量由0.6 m3/h升至1.0 m3/h，總傳熱系數(shù)由2 508.4 W/(m2·K)增至3537.8 W/(m2·K)。冷凝器進(jìn)水體積流量一定時(shí)，隨著冷凝器進(jìn)水溫度的升高，冷凝器總傳熱系數(shù)減小。分析認(rèn)為：冷凝器進(jìn)水體積流量增加，水流速增大，管內(nèi)水的擾動(dòng)增強(qiáng)，湍流度加大，邊界層變薄，管內(nèi)換熱增強(qiáng)，傳熱能力提高，故冷凝器總換熱量和總傳熱系數(shù)均隨進(jìn)水體積流量的增加而增大。

圖11 冷凝器總傳熱系數(shù)隨進(jìn)水體積流量的變化Fig.11 The total heat transfer coefficient of the condenser changes with the influent volume flow rate

3.2.2熱泵熱水器運(yùn)行性能

圖12 壓縮機(jī)排氣壓力隨冷凝器進(jìn)水體積流量的變化Fig.12 Compressor exhaust pressure changes with the inlet flow of the condenser

圖12所示為壓縮機(jī)排氣壓力隨冷凝器進(jìn)水體積流量的變化。由圖12可知，冷凝器入口水溫一定，壓縮機(jī)排氣壓力隨冷凝器進(jìn)水體積流量的增加而減小，當(dāng)環(huán)境溫度為29 ℃，冷凝器入口水溫為20 ℃時(shí)，冷凝器進(jìn)水體積流量由0.6 m3/h增至1.0 m3/h時(shí)，壓縮機(jī)排氣壓力由1.46 MPa降至1.30 MPa，環(huán)境溫度升高，壓縮機(jī)排氣壓力升高。

圖13所示為壓縮機(jī)輸入功率隨冷凝器進(jìn)水體積流量的變化。由圖13可知，冷凝器入口水溫一定，壓縮機(jī)輸入功率隨進(jìn)水體積流量的增加而減小，且環(huán)境溫度越高，壓縮機(jī)輸入功率越大。當(dāng)冷凝器入口水溫為20 ℃，冷凝器進(jìn)水體積流量由0.6 m3/h升至1.0 m3/h，環(huán)境溫度為15 ℃時(shí)，壓縮機(jī)輸入功率由1.39 kW降至1.19 kW，環(huán)境溫度為29 ℃時(shí)壓縮機(jī)輸入功率由1.48 kW降至1.32 kW。當(dāng)冷凝器進(jìn)水體積流量相同時(shí)，入口水溫升高，壓縮機(jī)輸入功率增大。分析認(rèn)為：隨著冷凝器進(jìn)水體積流量的增加，管內(nèi)水流速度增大，流體擾動(dòng)增強(qiáng)，冷凝器換熱增強(qiáng)，冷凝溫度及冷凝壓力降低，壓縮機(jī)排氣壓力降低，壓縮比減小，壓縮機(jī)功率減小。

圖13 壓縮機(jī)輸入功率隨冷凝器進(jìn)水體積流量的變化Fig.13 Compressor input power varies with the inlet flow of the condenser

圖14所示為熱泵熱水器制熱量隨冷凝器進(jìn)水體積流量的變化。由圖14可知，熱泵熱水器制熱量隨進(jìn)水體積流量的增加而增大，且環(huán)境溫度越高熱泵制熱量越大。當(dāng)冷凝器入口水溫為20 ℃時(shí)，冷凝器進(jìn)水體積流量由0.6 m3/h升至1.0 m3/h，環(huán)境溫度為15 ℃時(shí)熱泵熱水器制熱量由8.25 kW增至9.52 kW，環(huán)境溫度為29 ℃時(shí)熱泵熱水器制熱量由10.13 kW增至11.29 kW。

圖15所示為熱泵熱水器制熱性能系數(shù)COP隨冷凝器進(jìn)水體積流量的變化。由圖15可知，COP隨冷凝器進(jìn)水體積流量的增加而增大。當(dāng)冷凝器入口水溫為20 ℃時(shí)，冷凝器進(jìn)水體積流量由0.6 m3/h升至1.0 m3/h，環(huán)境溫度為29 ℃時(shí)的COP由6.52增至7.32，環(huán)境溫度為15 ℃時(shí)的COP由5.28增至6.36。分析認(rèn)為：隨著冷凝器進(jìn)水體積流量的增大，擾動(dòng)增強(qiáng)，冷凝器換熱增強(qiáng)，制熱量增加；冷凝溫度及冷凝壓力相應(yīng)降低，壓縮機(jī)排氣壓力降低，壓縮比減小，壓縮機(jī)功率減小，故冷凝器進(jìn)水體積流量增大，COP增大。

圖14 熱泵熱水器制熱量隨冷凝器進(jìn)水體積流量的變化Fig.14 Variation of heating capacity of heat pump water heater with condenser inlet flow

圖15 熱泵熱水器制熱性能系數(shù)COP隨冷凝器進(jìn)水體積流量的變化Fig.15 Variation of heating coefficient of performance (COP) in heat pump water heater with inlet flow of condenser

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果的不確定度分析

實(shí)驗(yàn)測(cè)量誤差可以得出結(jié)果的不確定度，表示被測(cè)量真值在測(cè)量結(jié)果附近的一個(gè)范圍內(nèi)的評(píng)定。這種誤差主要包括精度和偏差兩方面。不確定度的計(jì)算方法有多種，常用的是通過(guò)線性和算法計(jì)算精度和偏差，得到不確定度，置信概率為99%，以精度和偏差兩者的均方根算法得到的不確定度，其置信概率為95%。

根據(jù)理論對(duì)誤差的分析，本實(shí)驗(yàn)的間接測(cè)量值的誤差分析計(jì)算如下：

1)實(shí)驗(yàn)段表面積

實(shí)驗(yàn)所使用的鋼管直徑d=0.028 m，測(cè)量誤差為1×10-5m。實(shí)驗(yàn)段的有效長(zhǎng)度L=2.91 m，表面積S=0.256 m2。

表面積公式：

A=πdL

(7)

表面積的不確定度為：

δA=[(1×10-3πd)2+(1×10-5πL)2]0.5=

9.179 6×10-4

(8)

因此螺旋套管換熱器表面積的不確定度為9.179 6×10-4m2；經(jīng)計(jì)算螺旋套管表面積的相對(duì)不確定度為：(9.179 6×10-4/0.256)×100%=3.6%。

2)溫度測(cè)量

溫度測(cè)量采用銅-康銅熱電偶，實(shí)驗(yàn)測(cè)量范圍內(nèi)測(cè)溫誤差σ1=±0.004t=0.2 ℃，溫度采集系統(tǒng)的誤差在0.5 ℃之內(nèi)，計(jì)算溫度測(cè)量的總誤差為：

(9)

實(shí)驗(yàn)測(cè)量的溫度范圍為15～100 ℃，可得到溫度最大相對(duì)不確定度為：

(10)

3)體積流量

實(shí)驗(yàn)中采用浮子流量計(jì)測(cè)量水體積流量，其測(cè)量精度為4%，所使用得流量計(jì)范圍為0.6～1.0 m3/h，流量測(cè)量總誤差為：

δi=1×4%=0.04 m3/h

(11)

4)總換熱量Q與總傳熱系數(shù)K

實(shí)驗(yàn)中總換熱量Q、總傳熱系數(shù)K可根據(jù)所測(cè)量進(jìn)出口水溫、流量變化計(jì)算得到，由式(1)～式(2)可得：

(12)

計(jì)算得：

(13)

(14)

=5.7%

(15)

5 結(jié)論

當(dāng)冷凝器入口水溫為20～55 ℃，冷凝器進(jìn)水體積流量為0.6～1.0 m3/h，環(huán)境溫度分別為15 ℃、29 ℃時(shí)，本文對(duì)以R417A為工質(zhì)的空氣源熱泵熱水器的運(yùn)行性能、螺旋套管冷凝器的換熱特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，得到如下結(jié)論：

1)冷凝器進(jìn)水體積流量一定時(shí)，冷凝器總換熱量、總傳熱系數(shù)均隨入口水溫的升高而減小，當(dāng)環(huán)境溫度為29 ℃，冷凝器進(jìn)水體積流量為0.6 m3/h，冷凝器入口水溫由20 ℃升至55 ℃時(shí)，冷凝器總換熱量由5 737.6 W降至3 249.1 W，冷凝器總傳熱系數(shù)由2 508.4 W/(m2·K)降至1 676.2 W/(m2·K)。實(shí)驗(yàn)工況范圍內(nèi)，環(huán)境溫度為15 ℃時(shí)冷凝器總換熱量比環(huán)境溫度為29 ℃時(shí)低4.3%～8.8%，環(huán)境溫度為15 ℃時(shí)冷凝器總傳熱系數(shù)比環(huán)境溫度為29 ℃時(shí)低2.5%～15.8%。

2)冷凝器進(jìn)水體積流量一定時(shí)，壓縮機(jī)排氣壓力、壓縮機(jī)輸入功率均隨冷凝器入口水溫的升高明顯增大，而吸氣壓力變化不明顯。當(dāng)環(huán)境溫度為29 ℃，冷凝器進(jìn)水體積流量為0.6 m3/h，冷凝器入口水溫由20 ℃升至55 ℃時(shí)，壓縮機(jī)吸氣壓力由0.72 MPa升至0.75 MPa，排氣壓力由1.36 MPa升至2.45 MPa，壓縮機(jī)輸入功率由1.48 kW升至2.76 kW。實(shí)驗(yàn)工況范圍內(nèi)，環(huán)境溫度為15 ℃時(shí)壓縮機(jī)的排氣壓力比環(huán)境溫度為29 ℃時(shí)低5.6%～11.3%，吸氣壓力低41.7%～47.4%，壓縮機(jī)輸入功率低6%～18%。

3)當(dāng)冷凝器進(jìn)水體積流量一定時(shí)，熱泵熱水器制熱量、制熱性能系數(shù)COP隨冷凝器入口水溫升高明顯下降。當(dāng)環(huán)境溫度為29 ℃，冷凝器進(jìn)水體積流量為0.6 m3/h，冷凝器入口水溫由25 ℃升至55 ℃時(shí)，熱泵熱水器制熱量由10.13 kW降至4.22 kW，COP由6.6降至3.2。實(shí)驗(yàn)工況范圍內(nèi)，環(huán)境溫度15 ℃時(shí)的制熱量低于環(huán)境溫度29 ℃時(shí)16%～29.2%，環(huán)境溫度為15 ℃時(shí)熱泵熱水器的COP比環(huán)境溫度為29 ℃時(shí)低15.4%～48.5%。

4)冷凝器入口水溫一定時(shí)，冷凝器總換熱量、總傳熱系數(shù)隨進(jìn)水體積流量增加而增大。當(dāng)環(huán)境溫度為29 ℃，冷凝器入口水溫為20 ℃時(shí)，冷凝器進(jìn)水體積流量由0.6 m3/h升至1.0 m3/h，總換熱量由5 737.6 W增至7 129.3 W，總傳熱系數(shù)由2 508.4 W/(m2·K)增至3 537.8 W/(m2·K)。

5)當(dāng)冷凝器入口水溫一定時(shí)，壓縮機(jī)排氣壓力、輸入功率隨冷凝器進(jìn)水體積流量的增加而減小。當(dāng)環(huán)境溫度為29 ℃，冷凝器入口水溫為20 ℃時(shí)，冷凝器進(jìn)水體積流量由0.6 m3/h增至1.0 m3/h時(shí)，壓縮機(jī)排氣壓力由1.46 MPa降至1.30 MPa，壓縮機(jī)輸入功率由1.48 kW降至1.32 kW。當(dāng)冷凝器進(jìn)水體積流量相同時(shí)，入口水溫升高，壓縮機(jī)輸入功率增大。

6)當(dāng)冷凝器入口水溫一定時(shí)，熱泵熱水器制熱量、COP隨進(jìn)水體積流量的增加而增大，且環(huán)境溫度越高熱泵制熱量、COP越大。冷凝器入口水溫為20 ℃時(shí)，冷凝器進(jìn)水體積流量由0.6 m3/h升至1.0 m3/h，當(dāng)環(huán)境溫度為29 ℃時(shí)，熱泵熱水器制熱量由10.13 kW增至11.29 kW，COP由6.52增至7.32。環(huán)境溫度為15 ℃時(shí)，熱泵熱水器制熱量由8.25 kW增至9.52 kW，COP由5.28增至6.36。