PDF《相变储热预热式热泵热水器系统性能研究》

第29卷 第l0期

2 0

0 8年1O月 太阳能学报ACT A E NERG I A E S OI .

A RI S S I NI C A Vo

1 .

2 9, No.

1 0 Oc t . .

2 0

0 8 文章编号 :o

2 5

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9 6 (

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8 )

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1 2

3 0 .

0 5 相 变储 热预 热式热泵 热 水器 系统 性 能研 究 李建新 , 王永川 ,陈光明2 (

1 . 浙江大学宁波理工学 院,宁波

3 1

5 1

0 0 ;

2 . 浙江大学 , 杭州

3 1

0 0

2 7 ) 摘要:对集储热 、 预热 与放热于一体的相变储 热预热式热泵热水器系统的工作性能进行 了研究 , 并对储 、 放 热过 程中相变材料 、 制冷介质 的温度变化及压缩 机的功耗情况进行 了分析 , 该储热式热泵热水 器系统采用分段加热 , 利 用储 能材料对水 的预热作用 , 减小水与系统工作 介质之间的换热温 差,降低压缩 机的功率消耗 , 使 系统 C O P提高 , 若储热 阶段结合谷电的应用 , 系统节能效果将 更加显 著,该试 验研究为此 类热泵热水 器的理论模 拟及性能优 化奠 定了基础. 关键词 :储热材料 ;

热泵 ;

预热 中图分类号 :T K

5 1

2 .

4 文献标识码 :A

0 引言由于热泵 可高 效地将低 品位能 源(如空气、 土壤、水中的热能) 转化为高位能, 节能效果较好 , 因此 近年来热泵技术的研究及应用得到了人们的普遍关 注引. 常规热泵热水器将热量储存在水 中, 为增大储 热能力需要一个体积较大的储水罐.本文所研究的 新型相变储热预热式热泵热水器与常规热泵热水器 相比, 其创新之处主要体现在以下几方面:

1 ) 将高效 的相变材料与热泵技术相结合 , 利用 相变储热换热器的预热作用实现热水 的分段加热 , 并 采用 逆流换热 ;

2 ) 平均冷凝 压力低于常规热泵 系统 , 减小压缩 机的功率与尺寸, 提高了系统的能效比;

3 ) 与常规储 水热泵热水器相 比, 由于石蜡储热 潜力较水大 , 在相同的储热量下 , 所需换热器 的体积 较水储热时体积减小;

4 ) 在储热阶段结合谷电的使用可进一步提高热 泵热水 器 的节能效 果.1试验装置与工作原理 图1为相变储热预热式热泵热水器试验系统 , 其 中工质采用 R -

2 2 , 相变储热材料采用石蜡.与常规的 热泵/ 制冷循环一样 , 系统中压缩机

3 起压缩和输送制 冷剂及造成蒸发器 中低压 的作用 , 是整个系统 的心 脏;

节流元件 4对制冷剂起节流降压作用 , 并调节进 入蒸发 器 的制 冷剂 流量;

蒸发器 2是输出冷 量 的设 备, 制冷剂在蒸发器 中吸收被冷却物质的热量 ;

储热 换热器 6和加热换热器

1 1 ( 类似于常规热泵 的冷凝 器) 是输出热量的设备 , 从蒸发器 中吸收的热量连同 压缩机消耗的功所转化的热量在储热换热器 6中用 于相变储热材料储热或用于加热换热器 I l 中继续加 热经过预热的水.根据热力学第二定律 , 压缩机所消 耗的功起补偿作用 , 使制冷剂不断从低 温物体 中吸 热,并向高温物体放热 , 从而完成整个循环. '

1 . 风机

2 . 蒸发器

3 . 压缩机

4 . 节流元件

5 . 冷水阀

6 . 储热换热器

7 . 取热换热器

8 . 相变储 热材料

9 . 储热装置

1 0 . 保温材料

1 1 . 加热换热器

1 2 . 热水阀13.视液镜14.干燥 过 滤器 图1相变储热预热式热泵热水器实验系统示意图 Fi g.

1 S c h e ma t i c o f t h e e x p e r i me n t a l wa t e r h e a t e r 收稿 日期 :2

0 0

7 ―

0 3 .

2 1 通讯作者 :王永川(

1 9

6 8 一) , 男, 博士 、 副教授 , 主要从事余热 回收与节能方面 的研究 .w w y y c c @z j u . e d u . c n

1 0期李建新 等:相变储热预热式热 泵热 水器 系统性能研究 在相变储热预热式热泵热水器 中, 储 热换 热器 6与取热换热器

7 共同组成了储热装置

9 , 储热过程 与取热过程在 同一个储 热装置 9中完成 , 在相 变储 热材料 8中同时交错 布置有储热换热器 ( 制冷剂 冷 凝管路) 和取热换热器( 水管) , 且制冷剂管与水管呈 叉排 布置 , 即在 同一 个换热器 中实现储 热和取热两个过程 , 从设计上减小了系统结构尺寸. 该储热式热泵热水器工作 由储热阶段和放热阶 段组 成:1)储热阶段 , 压缩机 出口高温、 高压 的制冷剂在 储热换热器 内通过管壁与管外翅片将热量传递 给储 热材料 , 将热量 以潜热和少部分显热 的形式储存于 相变材料中, 在此阶段 , 自来水管路关闭 , 管 内没有 水流动 , 管 内水主要以导热方式吸收热量 , 此部分热 量最终 也是 由热水 带 出并 利用,所以对 于热水器的供热性能没有影响 ;

2 ) 放热 阶段 , 冷水通过冷水 阀 5流经取热换热 器 7首先与相变储热材料进行 热量交换 , 预热后的 水再流经加热换热器

1 1 与从压缩机出来 的高温 、 高压的制冷剂进行热量交换 , 加热到约

5 0 ℃, 由热水阀

1 2流出, 提供热水使用.

2 试验结果与讨 论2.1储热阶段 试验分别模 拟环境温度 为l

0、17℃下 , 对储 、 放热阶段相变材料及制冷剂 的温度变化和压缩机 的功率 消耗情况进行研究 , 其 中石蜡温度

1 、

2 、

3 、 4自上而下 分别代表石蜡各层中心处温度 , 结果见图

2 ~图6.1)石蜡温升过程 : 试验结果看 出, 储热过程中石 蜡的温升过程 由 3个阶段组成 .在储热开始阶段 , 石蜡吸收热量后 温度 明显升高 , 且逐渐接近相变温 度,由于这段 时间内没有相变 发生 , 石 蜡主要 为固态,其内部的换热以导热 为主;

随石蜡 温度 的升高 , 达 到相 变温度 , 温度曲线 第一个拐点处表明石蜡进入溶化阶段 , 该 阶段石蜡温度 的变化相对比较平缓 , 这是 由于石蜡由固态向液态转化过程 中需要 吸收大 量潜热 , 导致其温度随时间上升缓慢 , 熔化过程 中石 蜡处于液 、 固共存的状态 , 换热方式是导热与 自然对 流共存 , 且随着熔化过程的进行及液态石蜡的增多 , 使浮升力 的影响逐渐增大 , 熔 化前沿 自然对 流对传 热的控制有所加强 ;

当温度升高达到温度 曲线上 的 第二个拐点处 , 表明相变过程完成 , 石蜡又开始有 明 显的温升 , 即以显热换热为主 ;

2 ) 制冷剂温度变化 : 储热 阶段 系统各测点处工 质的温度变化测试结果表明, 储热过程蕾, 压缩机排 气 口工质 的温度 在整个储热过程 中不断升高 , 升温 速度逐渐缓慢 , 这区别于常规热泵工作特性 . 图 6示 意 出模 拟不同环 境温度时系统耗功情况,测试结果表 明, 在储热阶段压缩机所消耗的功率 逐渐增加 , 在整个储热过程中 , 功率的消耗始终是变 化的, 且与石蜡 的升温过程有一定 的对应关系 , 其原 因主要是 因为储热装置 内石蜡在储热阶段的换热不 能达到稳定状态 , 随石蜡温度的升高 , 工质 R 一22的 冷凝温度也不断提高 , 压缩机的功率 消耗 随之不断 增大.针对不同环境温度下储热阶段压缩机功耗情 况进行 比较 , 结果表 明, 在相 同的排气温度下 , 蒸发 器进风温度较高时 , 所消耗的功率越少 , 这是 因为环 境温度越低 , 石蜡相应 的初始温度也越低 , 加热过程 中所需要热量越高. 赠图2环境温度 为IO~C时石蜡温度变化 F i g .

2 T e mp e r at u r e c h a r a c t e r i s t i c o f O l e f '

m w h e n e n v i r o n m e n t a l t e mp e r a t ur e i s

1 0 赠048121620242832时间/min图3环境 温度为

1 7 ℃时石蜡温 度变化 F i g .

3 T e mp e r a t u r e c h a r a c t e r i s t i c o f O l e f i n wh e n e nv i r o n me nt a l t e mp e r at u r e i s

1 7~ C 太阳能学报29卷 赠-储热换热器 出口 ・ 加热换热器 出口 ・ 蒸发器入 口-压缩 机排气 出口 ・ 蒸 发器 进风温度・压缩 机吸气厶-

0 4

8 1

2 l

6 2 O

2 4

2 8

3 2 时间/ m i n 图4环境温度 为1O℃时储热过程工质温度变化 F i g.

4 Te mp e r a t ur e c h a r a c t e r is t i c o f R・

2 2 wh e n e n v i r o n me n t a l t e mp e r a t t t r e i s

1 0 ℃ 一储热换热器出口 赠~加热换热器出 口一一蒸发器人 口一'

'

,一,……… O

4 8

1 2 l

6 2 O

2 4

2 8

3 2 时间/ r ai n 图5环境温度为

1 7 ℃时储热 过程工质温度变化 F i g.

5 T e mp e r at u r e c h a r a c t e r i s t i c o f R_

2 2 wh e n e n v i r on me n t a l t e mp e r a t u r e i s

1 7 ℃ 图6不同环境温度下储热段耗功 Fi g.

6 P o we r wa s t i n g u n d e r d i f fe r e nt e n v i r on me n t a l t e mp e r a t ur e

2 .

2 放热阶段 放热阶段通过试验得到石蜡的冷凝过程也 由3个阶段组成( 图

7、图8),与储热阶段很相似 , 石蜡在 整个放热 过程 中,潜热换热持 续 的时 间较 长,这一 特 点可使系统的性能优于常规热泵热水器系统 , 从而 也证实了以石蜡作为热泵热水器的储热材料是可行 的.放热过程石蜡 的温度变化 比较平缓, 这是 因为 储热过程 中石蜡换热受浮升力引起 的自然对流影响 较多 , 而放热 阶段石蜡 的换热 主要 受导 热所 控制 , 传 热热阻相对较大, 从而产生了石蜡储、 放热过程在温 度变化 曲线上这种细小的差别L

6 j . 图7环境温度 I O ~ C, 水流量

3 0

0 Uh时石蜡温度变化 F i g.

7 Ol e f i n t e mp e r a t u r e wh e n e nv i r o n me n t a l t e mp e r at u r e i s

1 0 q C a n d w a t e r f l u x i s

3 0

0 U h 图8环境温度

1 7 ℃ , 水流量

3 0

0 I J h 时石蜡温度变化 F i g .

8 01 e f in t e mp e r at u r e wh e n e n v i r on me n t a l t e mp e r a t u r e i s

1 7 ~ C a n d w a t e r f l u x i s

3 0

0 1 / h 与储 热 阶段 相比, 放热阶段 压缩 机 的排 气 温度 随时 间增加虽 呈增 加 的趋势 ( 图9,图10),但比储 热 阶段时的增长幅度明显减弱 , 这是 由于 自来水流经 取热换热器时会带走一定热量 , 使制冷剂的冷凝温 度较储热阶段时有所降低 , 在加热换热器 内制冷剂 对水的加热只是一个补充作用 , 随着放热过程 的进 行,系统高压侧的冷凝温度有所增长 , 但增长趋势十 分缓慢 , 这主要体现 了石蜡对水 的预热作用.同样 从放热过程压缩机功率消耗情况也可得到验证 ( 图11),放热过程功率 的消耗也是减小的, 由于储热器 内 的储 热量逐 渐减小 , 对水 的预 热能力 减弱 , 而加 热∞∞如加mOm舳加 ∞ ∞ ∞ ∞ 加mOml0期李建 新等 : 相变储........