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    太阳能热水工程-空气源热泵热水器系统的优化和实验研究

本文论述空气源热泵热水器(ASHPWH),包括计算和系统的测试和优化。ASHPWH系统由热泵,水箱和连接管组成。在蒸发器中吸收空中气的能量经储水罐完成朗肯循环。在水外侧盘管/冷凝器中的制冷剂释放冷凝热。一个旋转式压缩机式ASHPWH从初始温度[设定为(55℃)]加热水。毛细管长度,填充制冷剂的数量,冷凝器盘管的长度和系统匹配相应的讨论。从测试的结果,可以看出,该系统可以明显改善系统性能COP。 关键词:热泵热水器,冷凝盘管,灌装量,系统匹配优化。 前言 不仅仅和单槽法系统具有相同的体积[2]。黄先生和林先生还研究了HPW流行的产品在国内市场的热水器是燃气热水器(度),电热水器(EWH)和太阳能热水器(SWH),而热泵热水器(HPWH),第四种热水器,近出现在市场上。相比于三种热水器,HPWH有许多优点,比如节能、低运行费用和使用安全,这使它在国内具有广阔的发展前景。空气源热泵热水器(ASHPWH),朗肯循环原理的基础上,可以在较低温度下从空气中吸收热量,通过热工作发动机,吸收的热量和消耗的工作被转移到水箱-温度较高的热源。系统从环境获取能源,这是可能会消耗3-4倍的电能。但是,它能贡献出4-5倍的电能。所以,ASHPWH由于其高效节能的优点而被用户们喜爱。 自1950年代以来,做了许多关于HPWH的研究,包括结构、热力学、工作流体、操作控制、数值模拟和经济分析。 冷凝器的设计经历了两个阶段,环状流电子阶段型和U型管型。梅等人在一个水箱8的冷凝器上进行性能测试。考虑COP为函数的平均水温,他们发现性能U型管型系统的普遍优于电子冷凝器系统。系统COP和速率的增加和循环加热量都比后者有所增加。 希勒领导的一个小组从1991年开始研究dual-tank水采暖系统。初步研究显示,超过60种dual-tanks有潜在的研究价值。不同的管道连接和控制策略可以实现一些目标如优化控制的热水供应和功率控制。连续的测试表明,有38种dual-tank热水系统HPWH的效率高于其他结构。 当然,热损失的dual-tank水采暖系统Hdual-tank。水箱成交量100.结果表明加热水42C-52C需要10-20分钟,全年COP达到2.0-3.0。比起电子水、节能分数是50-70%,热水流量的效率是0.912。 长谷川等人提出了一个双级压缩和级联热泵热水供应系统。用R12,它可以直接加热水从10摄氏度到60摄氏度.进口和出口处水的温度分别12C和7C,系统COP是3.73。结合HPWH和常规空调,并实现一个多功能国内热泵(MDHP)。这设备可以实现多种功能在气候温和的地区长时间高效运行。当制冷和加热同时运行,平均的管线和能效比可能达到3.5。 R12,R22是HPWH常使用的工质液体。根据臭氧层保护的协议,R22成为唯一仍然被使用传统流体。发展中国家如中国,后使用R22的时间是2040。直到现在,它仍然被广泛使用。所以改进R22研究系统性能还是有意义的,这也是一种能源的节省。斯隆等人在中间的水箱使用肋扰乱管道,在环境温度为24度,水温27度时COP是2.4。梅等人也使用R22作为制冷剂,结果当水温是27度,一个环境温度是20C和27度,COP可以分别达到4.0和4.5。从文献也可以看到,使用传统的工质流体,当环境温度适中和冷凝温度不高时,R22能取得良好的热力性能和效率。然而,当系统运行在高温区域,例如,高于50C,排气温度和压力的压缩机都是非常高的,特别是在寒冷的冬天。压缩机的工作条件比普通空调热泵恶劣的多,严重影响系统的安全性和可靠性。所以当务之急是找到更好的性能的新的流体。 莫里森等人做了大量致力于使ASHPWH有效运行的相关研究演示了一种方法ASHPWH年度负载周期的评级。金姆等人提出了一个动态模型热水器驱动热泵系统。丁等人和姚等人做了很多改善冬天ASHPWH运行的除霜问题的系统研究。樊等人使用了7500WHPWH来研究其节能特点。考虑到风扇和水泵在电力的消耗,系统COP是3.3。如果只考虑压缩机,则COP为4.18。 然而,对于ASHPWH,制造商并未统一热水泵和水箱匹配的参数,主要是由于不同的工作条件包括地区,和生活习惯,全年运行。热泵热水器系统包括户外热泵,水箱和连接管道等。一些生产商直接使用空调热泵(户外机),并通过添加一个水箱完成系统。显然,这些ASHPWH空调的工作条件不同。ASHPWH的热面温度逐渐提高,但其冷端是根据联合国一年到头的气候变化确定的。因此,有必要规范ASHPWH的产品。 为了提高系统的性能(COP),降低产品成本和优化运行工况,系统组件应该重视检查。除了压缩机、冷凝器、蒸发器和热阀或毛细管,制冷剂的填充量,匹配水箱和热泵机组的系统来说同样也很重要。本文论述了系统优化的空气源热泵热水器(ASHPWH),包括计算和测试。毛细管长度、制冷剂的填充量,冷凝器管长度和相应系统匹配进行了讨论。从测试的结果可以看到,系统优化可以明显改善系统的性能COP。相信这对ASHPWH未来的发展有一定的意义。 2.ASHPWH实验系统 测试系统的ASHPWH如图1所示。它是由一个温度和湿度控制房间、热泵、水箱、控制系统和测试系统。一个数据记录器(吉时利2700)和一台用来记录水箱水温的个人电脑。同时,温度在进口和出口处水管、环境温度,饱和蒸发温度、输入功率和瞬态电流都自动以文件形式存储在个人电脑里。 在ASHPWH系统运行时,工质流体从空气中吸收热量,在蒸发器蒸发,然后被压缩成高压高温蒸汽,然后在线圈冷凝器中凝结成液体释放热量给热水箱中的水。液体经过毛细管或热膨胀阀门变成温度和压力较低的气液混合物。低温液体蒸发完毕后在蒸发器吸收空气中的热量。在实验中,控制器设置起始/终止温度点和运行模式。当水的温度上升到终点,系统自动停止。如果低于于某个温度,系统将会重启以补偿加热水。我们只讨论一个加热过程中参数的变化,预设水箱中混合水的初始和终温度均一。COP就是在热量和电力消耗的基础上计算得到的。 3.ASHPWH制冷剂的填充量 热泵系统应保证后期的泄漏检查、真空度的保证和制冷剂的补充。本实验系统采用R22作工作质液体。显然,制冷剂的填充量关系的到蒸发器、冷凝器和压缩机的正常运行。如果制冷剂的填充量太多,负载的压缩机就会加重,以及多余的制冷剂将占用一部分面积,使冷凝器加热效率下降。另一方面,如果制冷剂不够,吸排气压力将部分低,热量的流动将会太减弱,无法满足其额定功率。这两个条件可以使热泵达到了理想的工作状态。此外,在冬季和夏季,环境温度相差很大(10摄氏度到35C以上海为例),因此是制冷剂流量相对于夏天的工况冬季可能需要更多的制冷剂液体。所有这些都是影响制冷剂流量的因素。我们的目标是发现这大量的可利用的储蓄能量。4.冷凝器的ASHPWH管长度 冷凝器管的长度应该匹配压缩机类型、系统负载和蒸发器面积。如果管道是短暂的,压缩机吸气/排气温度可能有点高于评级。另一方面,如果管道太长,就会有一些长度未使用的。因此,计算一个合适的冷凝器长度是重要的。(1)系统运行参数 加热负荷的ASHPWH是3375W,以春天/秋天例如、冷凝温度是60摄氏度,蒸发温度是15C,过冷度是5度,铜管使用B9.9•0.75毫米。 (2)换热面积 由于制冷剂相变在冷凝器,换热面积分为气体、液体和两阶段部分。因此,每个部分计算另外。物理模型温度部分分部的水油轮是图3所示。 忽略了厚度和热阻的铜管,地球的平均温度过热部分是一样的热水温度,在加热热水温度结束的Ts=55c.设置制冷剂进口/出口温度和上/下水箱温度Tr,在=80C,Tr,out=50度,太瓦,顶级=60摄氏度,Tw,底部=50度。通过计算,得到了各管长度部分,加起来总长度LTotal=47.64米,如表2所示。 表2各部分的管道长度 同 样,在组200L水容器和一个1125W热泵,计算管长度为69.9米。这些数据接近那些在测试中所示图4。 5系统匹配 通过测试,发现不同的毛细血管使性能的热泵不同的是在不同的环境中。当环境温度高,一个粗毛细血管性能更好;当它是在低温,细长的一个是更好的。例如,在35度,能力的系统用较短的毛细管高出21%,比长毛细管;在15度,后者比前者高3%。 小型家用ASHPWH使用double-capillaries是一种简单、有效和廉价的选择。在一个方面,开关及电磁阀的工作决定了毛细管,适应不断变化的工作条件;同时,总成本将不会受到太大影响的毛细血管低廉的价格。 然而,double-capillaries不能满足更高的要求,因为特定的直径和长度确定一个特定的压力差的毛细血管。所以它的能力几乎是常数虽然水温度变化很大,需要增加制冷剂流量。在此基础上,我们认为用热膨胀阀,它利用在蒸发器的出口过热调整制冷剂流动,而不是在ASHPWHdouble-capillary系统。 5.1。填充量之间的关系和热制冷剂(TXV)膨胀阀开度 一个750W在空气源热泵的25度被测试与150L水箱和60米冷凝盘管式。初始的和终的温度的水是15C和55度,分别。图5显示了,在一些填充量、系统的COP以开放的程度不同,其中存在一个佳的开放程度的警察。即,说,在相同的充填条件下,开放程度影响系统的TXV警察很多,应该优化实验研究。 我们发现有一些耦合剂填充量和热力膨胀阀开度。理论相关没有被找到,但是我们可以获得一些定性的结论如下: (1)在某些填充量,如果TXV是开放太多,压差会很小,但它可能导致制冷剂积聚在铁路的部分冷凝器管。如果TXV不是足够开放出口温度的冷凝器会很高,这意味着传热是不够的。 (2)在一些开放程度的TXV,如果填充量太多,制冷剂将积累的底部,冷凝器,不会在功能充分发挥。和压缩机可能运行低于额定载荷如果填充量是不够的。 5.2。系统稳定性 在正在运行的进程的热泵,发现入口温度的冷凝器会稍有上升,但出口将出现一些波动与水的温度上升。这种不稳定性表明吸入的不稳定性和波动性的TXV瞬态压缩机输出功率,这表明系统的不稳定性运行。 为了解决这个问题,系统第一次被调整到合适的填充量,从而我们可以看到swing减弱,警察动荡大大增加。然后TXV开放程度是改变使COP对整个系统达到大价值。但是当TXV调整,上下是不可避免的水受热时高温步骤。它显示更多的制冷剂中需要高温步骤比中产和低温的步骤。一个可能的方法是添加一个接收器,以确保有足够的供应压缩机。 从曲线是见过在图6,经过接收器是补充说,汇率的波动对凝汽器放电基本消除。稳定的温度将使压缩机吸输出功率稳定。在测试中,接收方定居系统,很明显。 5.3。水箱之间的关系维度和热泵机功能 水箱的大小应该匹配与热泵系统。如果一个1500W机结合一个60L水箱,水的温度会迅速上升,达到限量(停止温度)很快,但成本就会增加。如果一个小热泵结合一个大的水箱、热流密度将过小;加热速率将会过于缓慢和不方便的家庭使用。从数据可用的类型的ASHPWH在市场我们测试了750W,900W,1125W热泵和60升,100磅,150磅,200L水箱,750W匹配和150升到1125W200L更适合住宅使用 6结论和讨论 提出了优化计算空气源热泵热水器(ASHPWH),运用相应的测试。对现有的系统(150升,1125W)、改善明显出现在表3。 表3ASHPWH的COP的典型工况 (1)制冷剂填充量中扮演了重要的角色热泵系统的运行。它不仅关系到气候条件,但也TXV耦合的开放程度。没有直接的计算结果从一方面来说,我们有一些实证结论。未来的研究可以考虑一些数学方法,通过仿真系统标识得到填充量的关系和其他参数。 (2)长度的冷凝盘管式的合理性与热泵系统的设计。测试结果的基础上,它可以优化的理论计算。 (3)波动压缩机的力量表明不稳的系统中运行。在一个接收器是补充说,出口温度曲线波动减弱,冷凝器的稳定是很大的改进。 (4)在住宅ASHPWH系统,合适的匹配的热泵容量和水箱大小应该正确匹配。

 
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