郭俊杰

帶過(guò)熱平衡器的空氣源熱泵熱水器設(shè)計(jì)與性能分析

郭俊杰

（寧波方太廚具有限公司 寧波 315336）

為了解決空氣源熱泵熱水器的熱力膨脹閥在低環(huán)境溫度下出現(xiàn)的不穩(wěn)定振蕩問(wèn)題，提出了過(guò)熱平衡器的理論模型，設(shè)計(jì)了小型的過(guò)熱平衡器裝置，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果表明：當(dāng)空氣源熱泵熱水器的熱力膨脹閥在低溫環(huán)境溫度下出現(xiàn)振蕩時(shí)，接入過(guò)熱平衡器后其振蕩周期明顯延長(zhǎng)，從59s增加到148s，振蕩被抑制，系統(tǒng)COP有所改善。同時(shí)，針對(duì)過(guò)熱平衡器的壓降計(jì)算表明，優(yōu)化填充材料和絲網(wǎng)的結(jié)構(gòu)，使其壓降進(jìn)一步降低，系統(tǒng)的綜合能效和穩(wěn)定性可望得到進(jìn)一步提升。

空氣源熱泵熱水器；過(guò)熱平衡器；過(guò)熱度

0 引言

熱力膨脹閥（TXV）是空氣源熱泵熱水器常用的節(jié)流部件，在氣候溫和的地區(qū)使用可以獲得較好的調(diào)節(jié)效果，保證系統(tǒng)以較高的COP運(yùn)行，但是，在低溫天氣時(shí)，由于熱力膨脹閥本身的局限和蒸發(fā)器兩相流沸騰換熱的特點(diǎn)，蒸發(fā)器出口過(guò)熱度容易出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象，導(dǎo)致壓縮機(jī)吸氣帶液，會(huì)影響壓縮機(jī)的安全[1-4]。為了避免壓縮機(jī)吸入液態(tài)的制冷劑，通?？梢圆捎眉哟笈蛎涢y靜態(tài)過(guò)熱度的方法，但這樣做的結(jié)果一方面會(huì)降低系統(tǒng)的效率，另一方面也容易導(dǎo)致壓縮機(jī)在水溫較高時(shí)排氣溫度過(guò)高，同樣也會(huì)影響系統(tǒng)的安全。面對(duì)這一難題，在環(huán)境溫度低于10℃時(shí)，有學(xué)者采用其他的加熱方案作為替代，如電加熱，從而回避了這一問(wèn)題，但采用電加熱的方式來(lái)直接加熱水箱中的水，和熱泵相比顯然是不經(jīng)濟(jì)的[5-9]。

為了提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，拓寬熱力膨脹閥的使用范圍，解決低溫下蒸發(fā)器出口過(guò)熱度振蕩帶液的問(wèn)題，作者基于蓄能可以實(shí)現(xiàn)削峰填谷的思想，提出了一種名為過(guò)熱平衡器的裝置，旨在為提高熱力膨脹閥工作的穩(wěn)定性提供一個(gè)研究的思路。

1 設(shè)計(jì)裝置的基本原理

針對(duì)現(xiàn)有的空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)，擬作如下改造，如圖1所示。在蒸發(fā)器出口和溫包之間安裝一個(gè)部件，命名為過(guò)熱平衡器。該過(guò)熱平衡器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)為帶有微通道的蓄熱材料，例如采用網(wǎng)狀純鋁片、網(wǎng)狀純銅片或者泡沫金屬，見(jiàn)圖2，在過(guò)熱平衡器的入口采用擴(kuò)散通道設(shè)計(jì)，從蒸發(fā)器出口過(guò)來(lái)的制冷劑氣體或者液滴會(huì)沿著擴(kuò)散通道向過(guò)熱平衡器的腔體均勻擴(kuò)散，在制冷劑氣體和液滴通過(guò)帶微通道的網(wǎng)狀純鋁片的同時(shí)，也和純鋁片進(jìn)行換熱，由于過(guò)熱氣體和液滴的焓值是不同的，過(guò)熱氣體會(huì)釋放熱量給鋁片，而液滴由于溫度較低，會(huì)從鋁片上獲取熱量，從而使得液滴逐漸從鋁片表面蒸發(fā)，最后，溫度更為均勻的制冷劑氣體通過(guò)過(guò)熱平衡器的擴(kuò)散型通道后，進(jìn)入壓縮機(jī)。過(guò)熱平衡器的外殼覆蓋保溫材料，隔絕過(guò)熱平衡器與環(huán)境的換熱。

過(guò)熱平衡器的運(yùn)行過(guò)程：當(dāng)環(huán)境溫度低于一定值時(shí)，過(guò)熱度降到較低的值，比如3～5℃，系統(tǒng)一旦進(jìn)入不穩(wěn)定區(qū)[4]。此時(shí)，過(guò)熱度就開始出現(xiàn)振蕩，即交替出現(xiàn)正值和負(fù)值，并且維持一定的頻率，但振蕩的波峰和波谷基本對(duì)稱，波峰和波谷持續(xù)的時(shí)間是相等的，過(guò)熱度的等效平均值趨近于不變。當(dāng)過(guò)熱度交替出現(xiàn)正負(fù)值時(shí)，即表明蒸發(fā)器出口制冷劑的焓交替變化，過(guò)熱度為正，焓值較大；過(guò)熱度為負(fù)，焓值較小，吸氣帶液，因此，如果在溫包的上游安裝一個(gè)具有一定熱容的通道，在制冷劑通過(guò)時(shí)同時(shí)也蓄存一定的能量，一旦蒸發(fā)器出口過(guò)熱度出現(xiàn)振蕩時(shí)，蒸發(fā)器出口存在尚未蒸發(fā)的液滴，當(dāng)液滴通過(guò)過(guò)熱平衡器時(shí)，液滴被絲網(wǎng)表面吸附，和純鋁絲網(wǎng)進(jìn)行換熱，絲網(wǎng)中蓄存的能量傳遞給液滴，使得液滴及時(shí)蒸干，以保證通過(guò)溫包測(cè)量管段的制冷劑是氣態(tài)的，這個(gè)過(guò)程類似于帶吸液芯熱管的冷凝和蒸發(fā)過(guò)程；而在接著的時(shí)間內(nèi)由于膨脹閥的調(diào)節(jié)，過(guò)熱度又開始上升，但過(guò)熱平衡器的溫度相對(duì)是穩(wěn)定的，當(dāng)過(guò)熱度偏大的制冷劑通過(guò)過(guò)熱平衡器時(shí)，過(guò)熱的氣體得到冷卻，即過(guò)熱度的值變小，使得進(jìn)入壓縮機(jī)的制冷劑氣體熱力學(xué)狀態(tài)得到改善，在整個(gè)運(yùn)行的過(guò)程中，該過(guò)熱平衡器起到了類似“削峰填谷”的作用，減少了熱力膨脹閥的過(guò)調(diào)，促使過(guò)熱度的振蕩幅度減小或者延長(zhǎng)振蕩的周期，甚至消失。因此，該過(guò)熱平衡器能改善低溫下的工作性能。另外，由于該過(guò)熱平衡器的削峰填谷的作用，使得過(guò)熱度平穩(wěn)，可以把熱力膨脹閥的靜態(tài)過(guò)熱度設(shè)置更低，使得系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)總體過(guò)熱度更低，壓縮機(jī)的排氣溫度也會(huì)降低，最終使得系統(tǒng)的安全性和COP都得以提高，而在較低的靜態(tài)過(guò)熱度設(shè)置下，其他環(huán)境溫度下系統(tǒng)的熱力學(xué)性能同樣得到不同程度的改善，從而改善了系統(tǒng)的熱力學(xué)性能和安全性。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖

圖2 過(guò)熱平衡器結(jié)構(gòu)示意圖

2 實(shí)驗(yàn)裝置理論計(jì)算和案例分析

2.1 理論計(jì)算模型

從理論上來(lái)講，當(dāng)熱力膨脹閥進(jìn)入不穩(wěn)定區(qū)，振蕩發(fā)生時(shí)，過(guò)熱平衡器具有的蓄熱能力要能夠平衡蒸發(fā)器出口能量振蕩的差值。理論計(jì)算模型如下：設(shè)振蕩的周期為，設(shè)蒸發(fā)器出口溫度振蕩曲線的水平橫軸焓為零，蒸發(fā)器出口溫度在波峰一側(cè)的平均比焓為1，此時(shí)制冷劑質(zhì)量平均流量為1；波谷一側(cè)的的平均比焓為2，此時(shí)制冷劑質(zhì)量平均流量為2，如果以蒸發(fā)器出口溫度振蕩曲線的水平橫軸為界，則在一個(gè)周期內(nèi)水平軸上方積存的能量為：

在一個(gè)周期內(nèi)水平軸下方相對(duì)不足的能量為：

那么，在一個(gè)振蕩周期內(nèi)蒸發(fā)器出口能量的波動(dòng)平均值為：

2.2 案例和實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

圖3 過(guò)熱平衡器實(shí)驗(yàn)裝置圖

為了檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷目尚行?，通過(guò)對(duì)一臺(tái)額定輸入功率為950W的空氣源熱泵熱水器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)裝置如圖3，制冷劑的充注量為1.5kg，水箱容積150L。通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)沒(méi)有接入過(guò)熱平衡器，在環(huán)境溫度為5℃和15℃時(shí)，蒸發(fā)器出口過(guò)熱度在不同時(shí)段都出現(xiàn)了不同幅度的波動(dòng)和振蕩，其中，在5℃環(huán)境溫度下過(guò)熱度振蕩的周期為59s，見(jiàn)圖4、5。

圖4 環(huán)溫15℃時(shí)過(guò)熱度隨時(shí)間的變化規(guī)律

圖5 環(huán)溫5℃時(shí)過(guò)熱度隨時(shí)間的變化規(guī)律

過(guò)熱度振蕩主要集中在環(huán)境為低溫的情況，如圖5所示，空氣源熱泵熱水器在運(yùn)行的過(guò)程中幾乎有一半的時(shí)間處于帶液的情況，但是，由于氣液分離器的分離作用，壓縮機(jī)吸入制冷劑氣體的溫度顯然要比氣液相之間充分換熱得到的氣體的溫度高，因此，盡管氣液分離器能解決安全性的問(wèn)題，但并不能提高系統(tǒng)的效率。

為了設(shè)計(jì)過(guò)熱平衡器，現(xiàn)在對(duì)環(huán)境溫度5℃的工況進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，如表1所示，系統(tǒng)COP為2.51，則系統(tǒng)的平均制冷量為：

從圖5可見(jiàn)，蒸發(fā)器出口溫度存在周期為59s的振蕩，這就表明蒸發(fā)器出口的焓值存在周期為59s的振蕩，但是，振蕩的上下幅度是基本一致的，此時(shí)，要在蒸發(fā)器出口和溫包之間安裝過(guò)熱平衡器，就必須削弱或者削平這種振蕩。

表1 不同環(huán)境溫度下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

如果將蓄熱材料折算成高度為10cm的具有多孔通道的圓柱，其底面直徑約為12cm，放置在系統(tǒng)蒸發(fā)器出口端，其體積是可以接受的。

如果將蓄熱材料折算成高度為10cm的實(shí)心通道的圓柱，其底面直徑約為6cm，由于體積更小，也是可以接受的。

在本實(shí)驗(yàn)中，作者采用了鋁絲作為蓄熱材料，將其以絲網(wǎng)的形式填充在一個(gè)過(guò)濾器改裝的容器中，具體如圖3所示。鋁絲的絲徑為0.1～0.12mm，全部為手工填充，由于容器空間的限制，實(shí)際填充量為0.14kg，總填充率25%。

當(dāng)系統(tǒng)接入過(guò)熱平衡器，在環(huán)境溫度5℃時(shí)，見(jiàn)圖6，雖然振蕩的幅度沒(méi)有明顯改善，但可以發(fā)現(xiàn)振蕩的周期明顯變長(zhǎng)，這表明熱力膨脹閥所受到的擾動(dòng)得到了一定的抑制。為了比較振蕩周期的區(qū)別，如圖7，將加熱時(shí)段的5000s到6000s之間的過(guò)熱度變化進(jìn)行了對(duì)比。從圖中可見(jiàn)，振蕩周期從之前的59s延長(zhǎng)到了148s。由于熱力膨脹閥的工作狀態(tài)得到一定程度的改善，系統(tǒng)的COP略有上升，見(jiàn)表1。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，過(guò)熱平衡器在提高熱力膨脹閥調(diào)節(jié)的穩(wěn)定性方面具有一定的作用。

圖6 環(huán)溫5℃時(shí)過(guò)熱度隨時(shí)間的變化規(guī)律

圖7 環(huán)溫5℃時(shí)有/無(wú)過(guò)熱平衡器時(shí)過(guò)熱度的變化規(guī)律

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果還可以看出，當(dāng)蒸發(fā)器出口接入過(guò)熱平衡器，會(huì)增加壓降環(huán)節(jié)，在采用不同的蓄熱材料以及采用不同的多孔通道結(jié)構(gòu)將會(huì)帶來(lái)不同的壓力損失和能量調(diào)節(jié)作用，因此，有必要對(duì)過(guò)熱平衡器的壓降損失進(jìn)行進(jìn)一步分析。

2.3 過(guò)熱平衡器壓降損失計(jì)算與分析

以實(shí)驗(yàn)中的空氣源熱泵熱水器作為計(jì)算對(duì)象，在5℃的環(huán)境溫度時(shí)，制冷劑液體流量為10g/s，其中蒸發(fā)器銅管尺寸為Φ9.5×1mm，即蒸發(fā)器出口銅管內(nèi)徑為8mm，則折算為蒸發(fā)器出口的流速13m/s，假定采用鋁絲，考慮到制冷劑必須通過(guò)鋁絲構(gòu)成的多孔通道且要和鋁絲充分換熱，因此，應(yīng)盡可能增加過(guò)熱平衡器的軸向長(zhǎng)度，設(shè)過(guò)熱平衡器的實(shí)際通徑2等效于蒸發(fā)器出口銅管內(nèi)徑1的兩倍，根據(jù)流體力學(xué)局部阻力損失換算公式：

從蒸發(fā)器出口進(jìn)入過(guò)熱平衡器經(jīng)歷了一個(gè)通流截面擴(kuò)大的過(guò)程，其壓力降對(duì)應(yīng)水頭損失：

圖8 制冷劑通過(guò)過(guò)熱平衡器的示意圖

從過(guò)熱平衡器出口進(jìn)入經(jīng)歷了一個(gè)通流截面縮小的過(guò)程，其壓力降對(duì)應(yīng)水頭損失：

由公式（6）：

同理，由公式（7）：

則總壓降：

制冷劑通過(guò)過(guò)熱平衡器后的壓降在0.1bar左右，折算成蒸發(fā)器出口飽和蒸氣壓，相當(dāng)于蒸發(fā)溫度降低了1℃，其壓降的程度與制冷劑通過(guò)氣液分離器時(shí)的壓降相當(dāng)，因此，該部件造成的壓力損失處于可接受的范圍。隨著絲網(wǎng)和泡沫金屬等工藝的進(jìn)步，其壓降可望進(jìn)一步降低，則系統(tǒng)的綜合能效和穩(wěn)定性可以得到進(jìn)一步提升。

3 結(jié)論

針對(duì)空氣源熱泵熱水器熱力膨脹閥在低環(huán)境溫度下容易出現(xiàn)的不穩(wěn)定振蕩問(wèn)題，本文提出了過(guò)熱平衡器的理論模型，進(jìn)行了初步的設(shè)計(jì)，并搭建了小型的過(guò)熱平衡器裝置，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。

實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明：當(dāng)熱力膨脹閥在低溫環(huán)境溫度下出現(xiàn)振蕩時(shí)，接入過(guò)熱平衡器后其振蕩周期明顯延長(zhǎng)，振蕩被抑制，系統(tǒng)COP有所改善。同時(shí)，針對(duì)過(guò)熱平衡器的壓降計(jì)算表明，優(yōu)化填充材料和絲網(wǎng)的結(jié)構(gòu)，使其壓降進(jìn)一步降低，系統(tǒng)的綜合能效和穩(wěn)定性可望得到進(jìn)一步提升。

[1] 王文斌.小型風(fēng)冷熱泵制冷劑充注量實(shí)驗(yàn)研究[J].制冷與空調(diào),2008,22(3):114-117.

[2] 張良俊,吳靜怡,王如竹,等.熱力膨脹閥在空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)中穩(wěn)定特性的實(shí)驗(yàn)研究[J].工程熱物理學(xué)報(bào),2006,27(1):33-36.

[3] 林辯啟,羅會(huì)龍,王浩,等.熱泵輔助供熱太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)運(yùn)行模式對(duì)比分析[J].制冷與空調(diào),2015,29(6): 706-710.

[4] 田長(zhǎng)青,竇春鵬,楊新江,等.制冷系統(tǒng)的穩(wěn)定性[J].流體機(jī)械,2002,30(4):44-47.

[5] 李舒宏,張小松,杜凱,等.熱泵熱水裝置的應(yīng)用與分析[J].能源研究與利用,2005,(2):35-37.

[6] 吳國(guó)熙.調(diào)節(jié)閥使用與維修[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,1999.

[7] Ji Jie, Pei Gang, Chow Tin-tai, et al. Performance of multi-function domestic heat-pump system[J]. Applied Thermal Energy, 2005,(80):307-326.

[8] Mei V C, Domitrovic, Ronald E, et al. A frost-less heat pump[J]. ASHRAE, 2005,PART1:452-459.

[9] Hepbasli Arif, Kalinci Yildiz. A review of heat pump water heating systems[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2009,13(6,7):1211-1229.

Design and Experimental Study on the Performance of an Air-source Heat Pump Water Heater with Superheat-balanced Device

Guo Junjie

( Fotile, Ningbo, 315336 )

The theoretic model of a superheat-balanced device of heat pump water heater is proposed for solving hunting phenomenon of thermostatic expansion valve (TXV) at cold ambient temperature, and a small superheat-balanced device is built and tested. The test result shows that the hunting is constrained, the hunting cycle is extended from 59s to 148s when the superheat-balanced device is on. Compare to that without superheat-balanced device, the COP of the system is improved. Additionally, it can be also found from calculation that the pressure drop along the evaporator can be reduced if the filled material and structure is optimized. The stability and thermal performance of air-source heat pump water heater can be improved.

Air-source heat pump water heater; Superheat-balanced device; Superheat

TK523

A

1671-6612（2019）03-251-05

郭俊杰（1978-），男，博士，E-mail：yihechun@163.com

2018-06-24