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        基于噴液冷卻式空氣源熱泵實驗性能分析*

        2021-10-08 00:51:16蔡志敏李建國李春來李韶峰伍懿美
        科技創(chuàng)新與應用 2021年27期
        關(guān)鍵詞:制熱量環(huán)境溫度源熱泵

        蔡志敏,李建國,李春來,李韶峰,伍懿美

        (1.河源職業(yè)技術(shù)學院,廣東 河源 517000;2.龍川紐恩泰新能源科技有限公司,廣東 河源 517300)

        近幾十年來,我國經(jīng)濟發(fā)展快速,人民的生活水平也有了很大提高,然而,大氣污染卻比較嚴重,特別是我國北方冬季燃煤采暖等,造成了很多城市出現(xiàn)大面積霧霾天氣,嚴重影響了人民的健康和生活。煤改清潔能源是國家制定的大氣污染防治計劃的重要方向,在國家提出的“26+2”城市煤改清潔能源行動方案中,空氣源熱泵由于不污染、效率高等特點,成為替代燃煤供暖等措施的重要發(fā)展方向。

        1 空氣源熱泵技術(shù)簡述

        在我國,北方大部分寒冷地區(qū),空氣源熱泵在工作過程中出現(xiàn)了較多問題:在冬季,空氣源熱泵機組室外環(huán)境溫度比較低時,機組蒸發(fā)溫度和蒸發(fā)壓力過低,從而造成空氣源熱泵機組啟動困難;隨著室外環(huán)境溫度的下降,機組制熱量嚴重不足;并且室外機的蒸發(fā)器結(jié)霜嚴重,不僅影響換熱器與室外空氣之間的熱量傳遞,而且蒸發(fā)溫度也會因此降低,制熱量嚴重衰減。

        空氣源熱泵最早起源于南方城市,比如華南、華中地區(qū)。隨著熱泵低溫技術(shù)的不斷改進,空氣源熱泵的適用范圍和地區(qū)也更加廣泛、廣闊,近年來,在我國北方很多地區(qū)也得到了快速發(fā)展。

        對空氣源熱泵在低溫環(huán)境下存在的限制和問題,國內(nèi)外許多學者展開了大量的工作和研究,冉小鵬等人設計并制作了一臺空氣源熱泵,并且測試了該熱泵在低溫環(huán)境下運行的穩(wěn)定性和可行性及增加中間補氣后對空氣源熱泵系統(tǒng)整體性能的影響。結(jié)論如下:在室外零下20℃的環(huán)境溫度下系統(tǒng)運行穩(wěn)定;并且還總結(jié)出了補氣量的最優(yōu)情況,能使系統(tǒng)的能效比保持最高,從而提高了熱泵機組的性能。趙曉丹等人針對空氣源熱泵機組在北方冬季低環(huán)境溫度下制熱量衰減的問題,利用中間補氣的方法,試驗研究了空氣源熱泵在不同室外環(huán)境溫度下的機組性能,得出如下結(jié)論:通過補氣,熱泵機組的壓縮機排氣溫度可以控制在90℃以下范圍,當室外環(huán)境溫度降至零下15℃時,中間補氣式熱泵的制熱量與普通熱泵相比提高了27.1%,能效比提高了4.8%。馬一太等人對空氣熱泵系統(tǒng)中的壓縮機進行了研究,主要對比了轉(zhuǎn)子式壓縮機和渦旋式壓縮機并分析總結(jié)得出:兩款機組都可以通過噴氣增焓的方式在室外低溫環(huán)境下增大制熱量以及能效比;而轉(zhuǎn)子式壓縮機相比更具有優(yōu)勢,適用于更低的室外環(huán)境溫度工況,通過噴氣增焓的形式可以實現(xiàn)準二級壓縮。劉娜等人設計開發(fā)了一套雙級壓縮式空氣源熱泵機組,并對該機組在不同工況下進行了性能測試研究,得出結(jié)論如下:在相同的室外低溫環(huán)境溫度下,雙級壓縮式空氣源熱泵系統(tǒng)的制熱量衰減幅度相對普通熱泵系統(tǒng)減少,在室外環(huán)境溫度為零下15℃的工況下能效比比普通熱泵提高22%左右。

        2 噴液冷卻式空氣源熱泵的工作原理

        系統(tǒng)由蒸發(fā)器、壓縮機、冷凝器、節(jié)流閥、噴射管路等組成。工作過程為:將中溫氣液混合的制冷劑噴入壓縮機的渦旋盤內(nèi),與主路被壓縮后的高溫高壓制冷劑混合,以此來降低壓縮機在高壓比時的排氣溫度??諝庠礋岜玫墓ぷ髟砣鐖D1 所示。

        由圖1 分析可知:制冷劑被冷凝器冷卻后,流出分兩路,一路為主路,一路為次路,主路經(jīng)節(jié)流閥節(jié)流(6),到蒸發(fā)器相變吸熱后由壓縮機吸入(1)。次路經(jīng)節(jié)流閥節(jié)流降壓后直接到壓縮機噴液口噴入(7),與壓縮機內(nèi)原有制冷劑進行混合后(3)經(jīng)壓縮機壓縮排出(4)。

        圖1 噴液冷卻熱泵工作原理圖

        由圖2 分析可知:如果沒有次路噴液系統(tǒng),壓縮機排氣溫度會升高。所以噴液系統(tǒng)可有效降低壓縮機排氣溫度。

        圖2 噴液冷卻系統(tǒng)壓焓圖

        因為噴射冷媒溫度較低且為氣液混合態(tài),所以有效降低壓縮機的排氣溫度,從而使熱泵在室外低環(huán)境溫度下可以得到更高的冷凝壓力和更大的運行范圍區(qū)間。由于系統(tǒng)只增加了噴液閥,不需要另外加閃發(fā)器或經(jīng)濟器,簡化了系統(tǒng)設計,降低了成本。

        3 實驗數(shù)據(jù)分析

        在低溫空氣源熱泵冷水機組性能實驗室中,試驗檢測噴液冷卻空氣源熱泵的制熱性能,包括熱泵制熱性能系數(shù)COP 和制熱量Q 隨模擬室外氣溫T 的變化情況。試驗熱泵選用某型號額定制熱量為55kW 的噴液冷卻式渦旋空氣源熱泵,試驗模擬室外氣溫T 分別為10,0,-5,-10,-15 時空氣源熱能的工作性能。具體參數(shù)如表1 所示。

        表1 噴液冷卻式熱泵在不同環(huán)境條件參數(shù)變化一覽表

        由表1、圖3 及圖4 分析可知,在室外溫度為10℃時,熱泵的COP 為3.60,和普通熱泵相比無明顯優(yōu)勢,而隨著室外溫度的降低,COP 的下降有明顯的延緩趨勢,室外溫度為-10℃時,熱泵的COP 還可以達到2.45 以上,在-15℃時COP 還可以達到2.13,比電熱或其他形式的熱源有明顯的節(jié)能效果。

        圖3 噴液冷卻式熱泵隨環(huán)境溫度變化的制熱量變化趨勢圖

        圖4 噴液冷卻式熱泵隨環(huán)境溫度變化的COP 變化對比圖

        4 結(jié)束語

        由于系統(tǒng)只增加了噴液閥,不需要另外加閃發(fā)器或經(jīng)濟器,簡化了系統(tǒng)設計,降低了成本。

        通過對一臺噴液冷卻的空氣源熱泵在不同環(huán)境溫度下的相關(guān)參數(shù)進行檢測并對數(shù)據(jù)進行對比分析,發(fā)現(xiàn)隨著外界環(huán)境溫度的下降,噴液冷卻空氣源熱泵機組COP的下降較普通熱泵有明顯的延緩趨勢,室外溫度為-10℃時,熱泵的COP 可以達到2.45 以上,在-15℃時COP 還可以達到2.13,噴液冷卻空氣源熱泵機組在低溫環(huán)境下效率較高;比電熱或其他形式的熱源有明顯的節(jié)能優(yōu)勢。

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