CO2热泵热水器（共7篇）
CO2热泵热水器 篇1
引言
大多数氯氟烃作为制冷工质对环境的破坏作用很大, 目前, 各国已开展了新型制冷剂的研究工作, 主要提出了包括R134a在内的若干HFC及其混合物来替代R12、R502、R22等, 并且已开始商业化生产[1]。但是在这些新工质中, 大部分都有较高的温室效应和某些缺陷, 这些物质都会增加温室效应, 或分解产生其他的副作用。随着《蒙特利尔议定书》的签订, 绿色环保天然工质CO2以其无毒, 对臭氧层无影响, 不产生温室效应和良好的热力学性质等优点, 再度受到了人们的重视。此外, CO2跨临界制冷循环的放热过程有较大的温度滑移, 在同样的蒸发温度下能制备出温度更高的热水, 且具有较高的COP, 这都使其在热泵热水器应用领域具有其他工质无法比拟的优势。
1 CO2特性及 CO2跨临界循环的系统流程
1. 1 CO2特性
1) CO2在常温下是一种无色、无味的气体, 无毒, 不可燃, 具有很好的安全性; 产量丰富, 价格低廉, 方便得到。
2) CO2的ODP = 0, GWP = 1, 在环境方面具有友好性。
3) 物理化学性能稳定, 与润滑油的共溶性良好。粘度较低, 导热系数较高, 具有很好的流动和传热特性, 可显著减小各部件和系统的尺寸重量。
4) 绝热指数 ( k值) 较高, 可以符合得到较高温度热水的要求。同时, 低压工作压力P0很高, 其压缩机的压缩比较低, 效率较高。
5) CO2跨临界循环的工作压力很高, 所以对各部件的耐压性有很高要求, 必须经过安全性分析。
1. 2 CO2跨临界循环系统
CO2跨临界循环T - S图如图1所示。低温低压的CO2气体在压缩机中压缩至超临界, 然后进入气体冷却器中, 被冷却介质 ( 空气或冷却水) 冷却, 离开气体冷却器中后的高压气体在回热器中被进一步冷却, 接着经过节流降压, 形成的湿蒸汽进入蒸发器中汽化后进入贮液器。贮液器出来的低压饱和蒸汽进入回热器吸热, 成为过热蒸汽进入压缩机升压, 如此周而复始完成循环。贮液器有气液分离 ( 防止压缩机液击和便于压缩机回油) , 保证在调节膨胀阀时蒸发器不会被蒸干等作用。
在CO2跨临界热泵循环系统中, 超临界压力区内并无两相区域存在, 温度和压力间彼此独立, 则高压侧压力对制冷剂焓值、制冷量、压缩机功耗和COP值也会产生影响。经试验研究分析可得, CO2跨临界循环的高压侧存在着一个最优的运行控制压力, 在该压力下, 循环的性能系数COP可达到最大。COP值与排气压力的关系图如图2所示[3]。
高压侧最优压力与气体冷却器出口温度和蒸发温度的关系式[4]:
式中: te—蒸发温度, ℃;
tc—冷却器出口温度, ℃。
2系统的设计计算
针对给定的工况对1台CO2热泵热水器进行设计, 给定工况如表1所示。
2. 1水箱的设计
2. 1. 1水箱相关参数计算
1) 水箱的形状设计成 长方体状, 取长a =0. 6m, 宽b = 0. 4m, 高h = 1m。
2) 水箱最大储水量m = 0. 24m3×1000kg / m3=240kg。
3) 水的比热容c = 4. 2×103J / ( kg·℃ ) 。
4) 整个水箱的水从15℃加热到65℃所需热量Q = mcΔt = 240kg×4. 2×103J / ( kg·℃ ) ×50℃ =50400kJ。
5) 设定加热整箱的水需要时间为1. 5h。
6) 水的流量为m = 240kg /1. 5h = 0. 0444kg / s。
2. 1. 2水箱隔热层设计计算
为了满足安全要求和减少水箱与环境的换热量要求, 水箱要有隔热保护。选择隔热材料硬质聚氨酯泡沫塑料, 其厚度δr计算如下: 设24h内水温下降5℃, 则总传热量Q = mcΔt = 240kg×4. 2×103J / ( kg·℃ ) ×5℃ = 5040k J。
单位时间传热量
单位面积传热量
忽略其他各层热阻, 有:
式中: k—总传热系数, W/ ( m2·℃) 。
设室内温度为20℃, 有:
带入式 ( 3) , 即可得到水箱隔热层厚度δr[5]:
式中: λr—硬质聚氨酯泡沫塑料的导热系数, 取λr= 0. 024W / ( m·K) ;
αω—隔热板外侧空气对流换热系数[5], 一般为8. 7 ~ 11. 7W / ( m2·℃) , 取αω= 10W / ( m2·℃) ;
αn—隔热板内侧水的换热系数, 取αn=500W / ( m2·℃) 。
则隔热层最小厚度
所以, 水箱的保温层厚度最小为43. 5mm。
2. 2压缩机的选择及热力计算
CO2制冷压缩机对整个系统的效率和可靠性影响最大, 由于跨临界CO2系统发展较晚, 同时工作压力很高, 压缩机设计中存在一定的难度, 要求其强度要高, 尽量减少磨损和泄漏, 以及解决超临界状态下的润滑问题[6]。常见的CO2压缩机有半封闭活塞式、滚动活塞式、摆动活塞式、涡旋式等不同类型, 文中将以半封闭活塞式压缩机为例, 进行选型和热力计算。
2. 2. 1压缩机热功率计算
1) 计算水的冷负荷。加热水需要的热负荷Q1= mcΔt = 0. 0444kg / s×4. 2×103J / ( kg·℃ ) × ( 65 - 15) ℃ = 9. 324kW。
2) 整个系统 的冷负荷Q = Q1×1. 1 =10. 2564kW。
其中, 1. 1为系统的安全系数。因此可选用制热功率大于10. 2564kW的压缩机。
2. 2. 2选取最优高压值
最优高压与气体冷却器的出口温度及蒸发温度有关。
取冷凝器出口温度T3= 35℃ ; 蒸发温度T4=- 3℃ ; 吸气过热度为5℃ , 则压缩机吸气温度T1=T4+ 5 = 2℃ ; 假设压缩机效率为0. 7; 循环系统内部没有回热器, 单位制热量为10k W, 热损失比为0. 1, 无效过热温度为0℃。通过使用Coolpack软件, 改变出口压力值, 可得出口压力与COP的关系如表2所示。
由表2可得: 出口压力为8. 8MPa时系统的COP值最高, 因此系统的最优高压为8. 8MPa。同时, 得到各管道参数如表3所示。
2. 2. 3压缩机的选择和确定
理论上压缩机排气量为3. 161m3/ h。
综上所述, 根据排气量选择压缩机, 采用Dorin公司生产的CO2半封闭活塞式压缩机, 型号为TCS340 /4 - D, 其主要参数如表4所示。
压缩机名义工况下的制冷量为Qos= 9. 3k W, 输入功率为Nos= 4. 4k W, 求在蒸发温度为 - 3℃ , 冷凝器出口温度为35℃的工况下的实际制冷量Qoa和实际输入功率Noa。
当压缩比不同时, CO2制冷循环的lgP - h图如图3所示。
由Coolpack软件可得到表5、表6中压缩机在名义工况及实际工况下各循环状态点的参数。
压缩比ε =8. 8/3. 199= 2. 751。
单位制冷量为:
单位容积制冷量为:
理论功率为:
压缩机理论输气系数为:
式中: λs—压缩机输气系数;
—压缩机容积系数;
—压缩机压力系数;
—压缩机温度系数;
—压缩机气密系数。
同理可得, 压缩机实际输气系数为:
式中: ηi—指示效率;
ηm—机械效率。
则在a工况下的制冷量Q0a和输入功率N0a[5]为:
制热量: Qm= 8. 6 + 4. 06 = 12. 66k W。
所以, 选择的压缩机符合设计的要求。
2. 2. 4 对所选压缩机系统进行实际热力计算
1) 单位质量制热量q0= h2- h3= - 9. 9 - (-205. 1) = 195. 2k J / m3。
2) 单位容积制热量qv= q0/ v1= 195. 2÷ ( 1 /83. 3) = 16260. 16kJ / kg。
3) 单位理论功wo= h2- h1= - 9. 9 - (-65. 7) = 55. 8k J / kg。
4) 制冷剂质量流量qm= Q0/ q0= 12. 66÷195. 2 =0. 0649kg / s。
5) 压缩机理论功率p0= qm·w0= 0. 0649×55. 8 = 3. 62142kW。
6) 压缩机指示功率pi= p0/ ηi= 3. 62142 /0. 75 =4. 82856kW。
7) 蒸发器冷负荷Q0= qm ( h1- h4) = 0. 0649×[- 65. 7 - ( - 205. 1) ]= 9. 047k W。
8) 冷凝器的热负荷Qk= Q0+ W0= 9. 047 +0. 0649×55. 8 = 12. 668kW。
3结论
无论从环保的角度还是从节能角度来看, 只要系统设计合理, CO2热泵热水器的COP可以实现与传统工质的热泵热水器系统相当[8]。同时, 将CO2热泵与储水箱组合也将是未来的发展趋势之一。因为它可以利用夜间低谷电, 提高系统经济性, 并起到“削峰填谷”的作用。但由于CO2具有穿越临界点的热力特性, 所以, 目前CO2热泵热水器所面临的问题主要在于继续提高效率和不断降低成本。因此在设计上还有许多有待突破、改进的技术:
1) 目前, 热泵热水器使用的制冷剂主要有R22、R134a、R407c等, 以55℃为冷凝温度时, 冷凝压力分别为2. 1753MPa、1. 4917MPa、2. 2153MPa。而CO2热泵热水 器放热过 程的压力 达到9 ~10MPa, 吸排气压差很大。由于其在高压状态下运行, 因此必须考虑系统承受高压性能、高压保护、压缩机的选择、润滑油的选择等一系列问题[9]。
2) 在小管径、高质量流率的CO2工质流动时, 提高热传效率的研究。例如通过管排型式, 对高效跨临界循环热交换器的设计开发等。
3) 由于冷凝出口端与蒸发端的压差大, 因此, 降低膨胀部分的损失, 是解决效率的有效途径。利用膨胀机的输出功率驱动压缩机完成压缩过程, 设计高效率的膨胀过程, 就成了另一个重要的关键, 需要突破的部分。
4) 膨胀压缩机的研制。在CO2跨临界循环中, 降低膨胀部分的损失, 是解决效率的有效途径。利用膨胀机的输出功率驱动压缩机完成压缩过程, 使膨胀机与压缩机组成一体而形成膨胀压缩机, 这种膨胀压缩机 将成CO2循环中特 有的组成 部分[10]。
5) 其他问题如对高压系统动能特性的掌控, 高压负荷运转时所产生的振动噪音的防止, 也是研究CO2压缩机所需面临的重要技术课题。总之, 随着技术的不断进步, 可以预见在不久的将来, CO2热泵热水器会在该市场领域中占据一定的市场份额, 并独领一方。
参考文献
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CO2热泵热水器 篇2
二氧化碳跨临界循环系统由压缩机、气体冷却器、节流阀和蒸发器组成,循环原理与一般的蒸汽压缩式制冷循环略有不同,其循环的T - S图如图1所示。
其中,1 ~ 3为冷却过程,换热过程依靠二氧化碳的显热来完成,制冷剂在冷却过程中处于超临界状态,无饱和状态,二氧化碳始终处于气态,并没有发生相变,整个过程二氧化碳的温度不断变化,有较大的温度滑移。因此,高压端换热器不再称为冷凝器,而称为气体冷却器。在气体冷却器内,冷却介质与二氧化碳工质逆流进行换热,这种方式接近洛伦兹循环,不可逆损失小,压缩机耗功小。工质在冷却过程中与在亚临界状态下完全不同,超临界二氧化碳在气体冷却器中被冷却介质所冷却,降温减焓,放出热量。在之前的研究中[1],已详细介绍了CO2作为制冷剂的优势及其跨临界循环的特点,并对1套给定工况的CO2热泵热水器的水箱及压缩机进行了选型和计算,通过热力计算得到二者的工作参数。CO2热泵热水器给定工况具体如表1所示。
1水箱的设计参数( 见表2)
mm
2压缩机的设计参数
根据给定工况,压缩机的制热量应大于10. 2564 k W,由Coolpack软件计算可得,系统最优高压为8. 8MPa,系统COP值最大为3. 239,高压排气流量为3. 161m3/ h。根据排气量选择Dor- in公司生产的CO2半封闭活塞式压缩机,型号为TCS340 /4 - D,如表3所示。经计算,在蒸发温度为- 3℃ ,冷凝器出口温度为35℃ 的工况下,实际制冷量Qoa= 8. 6k W,输入功率Noa= 4. 06k W,制热量Qm= 8. 6k W + 4. 06k W = 12. 66 k W > 10. 2564k W,所以所选的压缩机符合设计要求。对所选压缩机进行实际热力计算,可得到气体冷却器热负荷Qk= 12. 668k W。
3气体冷却器设计计算
由于热水出口温度高,而壳管式换热器水侧流速低,且换热流程短,不易提高水温,故采用套管式换热器[2]。外套管使用无缝钢管,内管使用滚轧低翅紫铜管,采用内走水外走制冷剂的逆流形式, 以增强冷凝器的换热能力。
3.1 有关参数的选择计算[3]
1)平均对数温差[4]。
气体冷却器水进口温度Ting,a=15℃,水出口温度Toutg,a=65℃;CO2进口温度Ting,r=88.4℃,CO2出口温度Toutg,r=35℃,平均对数温差为:
2) 选择管内水流速度W = 0. 8m / s; 管内冷却水的污垢系数ri= 0. 1 × 10- 3( m2·K) /W。
3) 选用 ￠ 16mm × 1. 5mm的紫铜管轧制的低翅片管为内管,其结构参数如下:
翅节距Sf= 1. 25mm,翅厚 δt= 0. 223mm,翅高h = 1. 5mm,管内径di= 11mm,翅根管面外径db= 12. 86mm,翅顶直径dt= 15. 86mm。
4)单位管长各换热面积。
每米管长管内面面积ai:
每米管长翅间管面面积ab:
每米管长翅顶面积ad:
每米管长翅侧面积af:
每米管长管外总面积aof:
5)tk=88.4℃,t0=-3℃时,冷凝负荷系数C0=1.37[3]。
则冷凝热负荷Qk为:
6)确定内管根数:
在平均温度时,密度为:
则冷却水的体积流量为:
因为水流速度W=0.8m/s,管内径di=11mm,则所需内管根数为:
3. 2传热计算
1)计算水侧的传热系数:水在时,运动黏度v=0.65910-6m2/s,因为
故水管内水的流动状态是湍流。将套管盘成曲率半径R = 125mm的螺旋盘管,修正系数:
则水侧的换热系数:
由于二氧化碳侧换热很强,故可忽略此处热阻。
由公式(忽略αi)。
取紫铜管的导热系数为 λ = 393W/( m· K) ,有:
冷凝器总换热面积Ф:
管道长度l:
2) 确定外管内径Di,这里采用无缝钢管作为外管。由于需要内管2根,采用1根套管内穿2根低翅片管的结构方式。通过几何计算可以得出Di≥32mm即可满足要求。这里取Di= 32mm。由于承受的是高温高压的CO2气体,所以需要对管壁厚度进行校核。钢管管壁厚度校核: 型号为奥氏体不锈钢无缝钢管Ф37 × 32 × 2. 5[5],许用应力为[σ]= 125MPa。
3)求横截面的间隙面积S。
2根管的横截面积为:
套管的内截面面积S2:
所以:
4) 求制冷剂在冷凝器中的流速 ω,由Coolpack软件可得制冷剂的冷凝器进口体积流为VD= 3. 161m3/ h。
所以,有:
4气体冷却器参数
经计算,可确定气体冷却器结构参数,如表4所示。
以上就是通过对气体冷却器进行选型与计算, 设计出的与给定工况匹配的气体冷却器。针对气体冷却器,还可以进行一系列的优化设计,使其传热性能达到最佳。
参考文献
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[2]张仙平,王凤坤,范晓伟,等.CO2跨临界循环热泵热水器用气冷器的优化设计[J].流体机械,2008,36(3):82.
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[4]丁国良,黄冬平.二氧化碳制冷技术[M].北京:化学工业出版社,2007.
浅谈热泵热水器 篇3
关键词：热泵热水器,热水,系统,水路
1 热泵
日常生活中泵的应用很多。泵是一种提高性能的装置, 根据用途不同有水泵、气泵、油泵等。水泵主要是提高水位或增加水压;气泵主要是增加气压;油泵主要是用于供油系统和油压设备。
“热”不是物质, 而是“能”;广泛地存在于自然界中的各类质的物质中, 这些物质, 我们认为是“热”的载体。“热”的传导方式有对流、传导和辐射。“热”必须通进载体携带传导, 不同载体主要传导方式也不同。热泵顾名思义就是泵热的装置。
按照新的国际制冷辞典的定义, 热泵是以冷凝器放出热量来供热的制冷系统。热泵按工作原理可以分为蒸气压缩式、气体压缩式、蒸汽喷射式、吸收式、电热式、半导体式和电化学式多种。而目前应用最普遍的应当是蒸汽压缩式热泵。它的工作主要是热泵工质通常由压缩机、热交换器、节流装置等部件组成的系统中进行循环, 并通过工质状态和相变, 将低品位热能转化为高品位热能。低端吸热制冷, 高端放热制热, 周而复始的循环得到的是制冷又制热的双重效应, 目前较多的应用于冷暖空调。
2 热泵工作原理
热泵系统的工作原理为蒸发器吸收热后, 其工质蒸发生成的高温低压过热气体在压缩机中经绝热压缩变为高温高压的气体, 并经冷凝器定压冷为低温高压液体 (放出汽化热而制热) 。液态工质经降压绝热节流为低温压液体, 再进入蒸发器定压吸收热源热量, 并蒸发变成热蒸汽重复下一个循环。
利用少量高品位的电能作为驱动能源, 从低温热源高效吸收低品位热能并传输给高温热源, 达到了“泵热”的目的。热泵技术也是一种提高能量品位的技术, 它不是能量转换的过程, 不受能量转换效率极限100%的制约, 而是受逆卡诺循环效率的制约。
3 热泵热水器 (热水系统)
热泵热水器 (热水系统) 是利用热泵的工作原理制作为产热水的设备, 具有占地少、易安装、全天候、全自动和较好的节能效果, 水电分离极端安全的结构特点, 无任何排放的环保健康的特性是其他任何一种热水器所无法替代的。
目前市场上较多的是空气源热泵热水器, 主要有家用机和工程机两大类, 家用机又有分体机和一体机2种类型, 但多为容积式换热器, 热泵机组的冷凝器直接置于承压箱中达到制取热水的目的, 其主要特点是系统简单、换热效率高、工作成本低、制造价格相对较低、分体机安装方便、对环境影响小, 但安装人员需具备安装分体空调的技术。主机相当于分体空调室外机, 水箱相当于分体空调的室内机。小容量机型可以壁挂, 大容量机型可落地安装, 自由组合摆放。一体机体积较大, 安装于室内, 噪声及环境温度影响较大, 只能落地安装。其主要优点是不需要安装技术, 通电通水就即可工作。
工程机主要有侧吹和顶吹风两大类。侧吹型多数为小型机组, 可以挂壁式安装, 但受当地风向的影响, 要注意避开对面风的方向;顶吹式可以不考虑风向, 但只有落地安装一种形式。它的蒸发器多数是串片式, 但铝片有亲水铝片和普通型铝片之分。铜管有光管和内螺纹管之分。形状有平板型、L型、U型之分;同时也有单层、多层之分。冷凝器种类较多, 主要有板式、套管式、壳管式和容积式。板式有组装型、钎焊型2种, 材料为不锈钢冷凝器, 换热效率高成本也比较高。
由于它的狭缝和迷宫式的流道, 因此对水质的要求较高, 水质较差地区不易采用, 即使采用也要对水进行前处理, 以防止冷凝器流道的堵塞。其余3种型式对水质要求为只要是洁净无瑕的粒物就可以, 但最好装过滤器作防垢处理, 加装电子除垢器或其他防垢器件。容积式要有水箱, 一般做成承压式, 体积较大。但其由于技术含量低, 有些厂家还在采用。
目前, 应用较多的为套管式换热器, 有同轴式和多管式2种, 多为蛇形管结构, 一是体积较小, 二是提高换热效率。套管式换热器最新技术为多头螺纹管式。根据热交换形式的不同又有内走水和外走水之分。根据用途不同有铜管、不锈钢管、钛管不同材质的产品。
平板式的蒸发器为了达到足够的换热面积, 又有缩小整体体积, 多做成多层, 层多风阻增大, 因此要加大风机的风速、风量, 致使噪声相应增大。其特点是机体小、成本低, 可以在层夹间隐蔽电加热器, 这种蒸发器多数采用大功率电加热除霜。L型蒸发器多数为单层和多层, 充分利用三维空间体, 效率较高多为侧吹机型造用。U型蒸发器一般为单层, 顶吹风式采用三面进风效率较高, 但体积大、价格较高, 多数为20 P以下小功率选用。V型蒸发器多层结构, 顶吹式大功率选用较多。
工程型热泵热水器机组必须由主机和水箱、循环泵组成, 通过循环把主机产热带入水箱, 对水箱的水逐渐升温加热, 传热介质就是水本身, 因此, 水系统的工作情况直接影响到整体效果, 所以我们称之谓热泵热水系统。该系统有直接大循环式和定温放水式2种不同形式。直接大循环和不间断使用补水2种形式。定温放水由加热水箱和储热水箱组成, 加热水箱有不承压定温放水和承压不间断自动放水式2种。这些系统各有优缺点, 要合理选用。
直接大循环系统特点是:系统特别简单只需热泵机组循环水泵, 保温水箱经管道连接, 直接对大水箱的水进行加热循环, 达到设定的温度主机自动停机, 用完热水后, 再进冷机长期工作, 在较高温区热泵机组节能效果明显下降。
定温放水系统特点是:对保证连续用水效果明显。用承压水箱作为加热水箱系统简单省去了一个定温放水电磁阀和加热水箱的水位控制部分。
热泵热水器是用电设备与空调有很多相似之处, 主要由供电和控制2大部分组成, 供电要有符合机组要求的电源、配电箱, 包括空气开关、工作指示灯及必要的保护电器。控制器有电脑程控器, 执行放大器和用电器3大部分组成。
4 水路系统知识
前面提到热泵热水系统的水路是根据不同的制水方式而有所不同, 但主要由热泵主机、闸阀热水循环泵、冷水给水 (泵、阀、箱) 加热水箱、储热水箱、管道增压泵、水流继电器、水位控制器、水温控制器及电控箱组成, 水路系统工作的好坏, 直接影响到主机的正常运行。冷凝器中无水或缺水都会使压缩机过热超压而保护性停机, 不及时排除就会多次反复而造成烧毁压缩机的恶性事故, 所以在系统中应该加装水流保护开关, 当水断流时自动切断电源, 保护主机。
水断流的原因有3个: (1) 水箱中无水; (2) 循环水泵工作不正常; (3) 管路气阻严重。水位控制器保护停机要检查水箱水位及时补水, 断流保护也可能是水泵不工作或没有很好排气。要对水泵排气, 并且水泵要按说明书正确安装;在管路上加装排气闸阀放水闸阀确定管路水流情况排气放水。
另外, 水路的流程和流向也是应当引起注意的地方:
(1) 在会造成返水的管路上加装单向止回阀。
(2) 为方便维修在主机进出口水箱的进出口处加装闸阀和活接。
(3) 在有不能停水的系统中要采用双电磁阀, 双水泵备用系统, 一旦一只阀或一个泵出现故障时, 另一个可替代投入进行。
(4) 电磁阀要加装旁路阀, 以防止电磁阀损坏停滞。
(5) 热泵主机进出水不能反接, 必须是下进上出。
(6) 水箱加热循环内必须下出上进。
(7) 电磁阀水泵、止回阀需注意进出水方向。
(8) 配管是另一个应当引起注意的地方, 主管载面积应大于支管载面积总和。
(9) 多机组模块组合并联加热时各机组与加热水箱间配管及系统一定要同程。不易配管同程的, 可采用分水器和集水器方式连接。
5 结语
家用热泵热水器的应用分析 篇4
1. 1家用热泵热水器的工作原理分析
热泵热水器的核心技术就是热泵技术, 这一产品的工作原理与热泵型空调器工作原理是类似的, 不同之处就是热泵空调器是将外部热量抽取出来供室内进行采暖, 热泵热水器是将室外环境中的热量抽取出来作为生活热水加热。
如图1所示, 包括主机、蓄水箱两个部分组成, 其中主机中有节流阀、压缩机、温度控制装置、蒸发器等, 在压缩机的影响下, 制冷剂会不断地循环工作, 在蒸发器之中, 制冷剂会吸收热量, 再利用压缩机将其转化为制冷剂蒸汽, 将热量释放出来, 对水进行加热处理, 在温度上升到一定的程度后, 压缩机会立即停止工作, 在热水温度降低到下限后, 压缩机就会重新进行工作, 将热水温度控制在特定的范围中。
1. 2家用热泵热水器优势分析
与传统热水器相比而言, 家用热泵热水器的优势表现在几个方面。
1) 节能性。热泵热水器消耗的电能不多, 只要很少的电能就可以在空气中吸收热量, 热效率也非常高, 可以达到3. 0以上, 可以达到燃气热水器的4倍以上, 电热水器的3倍以上, 推广该种热水器能够更好地享受分时电价, 费用十分低廉。
2) 环保性。热泵热水器工作过程中不会产生废渣、废水、 废气、废热, 不会对大气环境产生影响, 其中采用的环保工质也不会破坏大气臭氧层, 不会出现温室效应。
3) 使用非常便捷。与传统的太阳能热水器相比, 热泵热水器的安装和使用不会受到外在因素和天气因素的限制, 可以安装在室内、屋顶、外墙、走道、阳台中, 不需要直接面对阳光, 也不会受到恶劣天气的影响, 可以全天候供应热水。
4) 安全性。与传统的燃气热水器相比, 家用热泵热水器不会产生任何的有害气体, 更没有爆炸和中毒的危险; 与电热水器相比而言, 家用热泵热水器水电完全分离, 不会出现触电与漏电的风险。
2家用热泵热水器的应用现状
作为一项节能、环保的产品, 热泵热水器在国外发达国家已经有20余年的应用历史, 在部分国家, 其使用比例已经超过了70% , 如美国佛罗里达州、夏威夷等地区, 这些地区地理环境非常的优越, 超过80% 的家庭都采用热泵式热水器来供热, 在新加坡、日本、马来西亚, 家用热泵热水器的应用也非常普遍。 这些国家政府对于热泵热水器的推广予以了极大的支持, 设置了专门的资金补贴, 让热泵热水器得到了普及性的发展。
在我国, 家用热泵热水器发展的时间还不长, 还处在市场培育阶段, 虽然在广州、武汉等城市已经出现了大量的热泵热水器, 但是从整个市场来讲, 热泵热水器占据的市场份额依然很小, 要成为成熟的产品, 还需要较长的时间。虽然热泵热水器还处在初级发展阶段, 但是有着非常大的发展潜力, 预测显示, 在未来的5年之中, 城市热水器的需求约为5 700万台, 如果热泵热水器占比可以有10% , 那么也是一个巨大的市场。与传统热水器相比, 家用热泵热水器有着良好的市场前景和节能效果, 吸引着越来越多大企业的研究。
虽然热泵热水器节能效果显著、市场潜力巨大, 但是热泵热水器在推广应用的过程中还存在一些亟待解决的问题, 要实现普及应用还有很长的路要走。综合分析, 影响家用热泵热水器市场推广应用的因素主要有以下几点。
2. 1环境适用性
家用热泵热水器的热效率受环境气候的影响, 季节运行性能波动很大。当环境温度降低时, 热泵的工作效率也随之降低, 并且温度过低时热泵无法工作。对全年平均气温在10℃ 左右, 而且冬季气温一般在- 10℃ 的长江以北地区, 空气源热泵热水器很难达到应有的节能效果。如果气温在- 20℃ , 机组不能启动, 这大大限制了空气源热泵热水器的市场空间。
2. 2市场不规范
虽然目前能够生产热泵热水器的企业已经超过200家, 但是因为技术、资金等各种因素, 导致产品良莠不齐, 可靠而专业的热泵热水器为数不多。这对于家用热泵热水器的发展造成了一定的负面影响。为了规范市场, 家用热泵热水器国家标准的起草工作也已经展开, 有望近期出台, 这对于热泵热水器市场的健康发展将起到一定的促进作用。
参考文献
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热泵热水器的水垢处理浅析 篇5
热泵热水器的冷凝器铜管表面在长时间使用后存在结垢问题, 影响工作性能。对水垢的处理将直接影响热水器工作的可靠性。
1 水垢形成原理
在普通水中含有多种杂质, 在换热面表面传热时, 在靠近管体处的流体作层流运动, 其流动速度接近于0, 通常叫滞流层。滞流层的温度相比较于主流体的部分更接近于换热面的温度, 所以在换热面表面的溶液升温蒸发浓缩, 导致换热面杂质的浓度大于主流体的浓度, 一般生活用水中的所含无机盐温度越高, 其溶解度越低 (见表1) , 因此, 由于温度和滞流的作用下, 换热面总是首先形成盐类的沉积, 即水垢。[1]
2 水垢危害
水垢的导热性能太差, 远低于钢材 (见表2) 。水垢导热率因其化学成分不同而有很大差别, 对换热表面最为直接的影响就是降低换热效率, 延长工作加热时间。在运行中, 水从垢层间隙中渗入后快速蒸干浓缩, 水中有大量游离OH-使PH>13时发生碱性腐蚀;水中存在氯化物时发生酸性腐蚀。当发生下酸性腐蚀时, 金属换热面产生腐蚀坑陷, 同时金相组织发生了变化, 使金属变脆。严重时会造成金属裂纹、穿孔、爆管。
3 水垢处理方法
目前的水垢处理方法主要分为化学和物理处理方法两大类。
(1) 化学方法
化学方法主要分酸洗法和碱洗法。碱洗法就是根据实际情况, 加入调配好的碱液, 然后在进行加热除垢。碱洗法简单、费用低, 但需要足够的化学反应时间才能见效。酸洗法主要是用盐酸与水垢主要成分发生反应, 生成易溶于水的盐和挥发物, 在溶解的同时能去除金属氧化物。酸洗除垢同时对金属也有腐蚀性, 所以在酸洗过程中需加入缓蚀剂以阻止或减缓对金属的腐蚀。常见的缓蚀剂有乌洛托、若定等[2]。目前已经有成熟的产品在太阳能领域开始推广。另一种化学方法就是利用离子交换除去成垢离子, 是治标又治本的方法。此方法不适用于热水器领域, 大幅提高成本同时又增加了维护负担。
如果使用除垢剂一般是非环保产品, 而且定期更换提升维护成本, 同时作为家用热水器是封闭式储水箱, 更换麻烦, 不适宜作为日常维护使用, 作为长时间使用后需要打开水箱检修时进行除垢的方法较为合适。
(2) 物理方法
物理方法主要有机械处理和电子处理两种。机械法除垢即利用各种铲、削工具或专门的工具从管壁上清除水垢。机械法除垢操作简单但劳动强度大, 清除不彻底, 增加传热面的粗糙度, 不适用于家用热水器。
机械处理也可采用涂层防垢, 但涂层防垢对于涂层技术有一定要求, 一些复杂的管道可能较难涂层, 裸露部分依旧会结垢严重。类似于搪瓷一类的材料导热系数较低, 不利于铜管表面的换热。
电子处理目前主要方法是电磁防垢。电磁防垢一般是用100-200k Hz的电磁波, 使水中成垢离子发生碰撞, 产生可悬浮于水中的垢粒子随水流流走, 或者形成非常薄的絮状软垢。[3]高频电磁脉冲阻垢系统如图1所示。高频脉冲发生装置产生的高频方波信号施加在处理腔内的电极上, 从而在水中产生高频电磁场。高频处理腔为不锈钢同轴式结构, 作为管道的一部分接入系统中。[4]高频电磁波防垢器通过缠绕在水管外的线圈对水流施加电子信号, 与水隔绝, 提高了安全性。但目前高频电磁防垢技术还不成熟, 不同工况下水的物理化学性质有所区别, 对于磁化后的溶液的性质较难测定, 导致此类产品的除垢效果差别很大。[5]
液电效应是另一种电子处理方法, 其原理如图2所示。由调压ZOB、变压器SYB、高压硅整流器GZ、限流电阻RZ、高压脉冲电容器C组成充电回路;由高压脉冲电容器C、放电开关KK、放电传输电缆及放电电极D J组成放电回路;放电电极浸放在水箱SH中。在电容器组上充直流高电压, 经传输装置使放置在水中的电极瞬间放电, 形成放电电弧通道。由于在极短的时间内输入较大的电能, 导致放电通道急剧膨胀, 水可认为不可压缩, 从而形成超声速冲击波向外传播, 对周围物体产生强大的力学效应。
放电间隙小时, 在水中产生的冲击波可视为点振源产生沿半径方向传播的球面纵波。当放电能量较大时, 对应的波前时问和脉冲能量的持续时间就短, 获得的冲击压力就大。在液体中一次放电能产生两次冲击波。第一次冲击波是瞬间放电直接产生的, 放电产生的气体形成很大的空穴;闭拢后又一次向外扩张形成二次冲击波, 第二次冲击波往往比第一次强度更大。[6]
附在金属管壁上的水垢主要是由无机盐沉淀物组成。在水的冲击波作用下, 金属壁和水垢都受到拉伸, 但金属的抗拉强度远大于水垢, 在一定放电参数下, 金属只发生弹性变形, 水垢层将从外层开始层层剥离。
在相同的放电能量条件下, 钢管与放电通道的距离越近, 放电能量越大, 除垢效果越好。但放电能量较大时, 离管太近会产生变形 (见表3) 。[8]该方法靠水介质传播能量, 不受金属结构和形状的影响, 对异型管件去垢非常有效 (见图3) 。此方法适用于家用热水器之类中小型换热设备。设计时需要对电极进行合理布局, 调整输出功率, 防止对铜管产生破坏。电极直接接触水, 需要做好联动开关之类的安全防护装置。
注:其中电容量为4μF;每组放电次数为20次
4 结语
对于现在家用热泵型热水器, 考虑到封闭式水箱以及平时极少打开以及环保的情况, 化学方法不适宜使用。涂层防垢可靠性较好, 对涂层技术要求较高, 也要兼顾材质导热性能。高频电磁处理安全性好, 但需要对水中杂质进行确认方能取得较好的效果。液电效应处理操作方便, 对异型管除垢效果好, 装置布置及参数设置需要仔细调整, 安全装置也需做好。因此, 在未来家用热泵型热水器水垢处理中, 电子处理将是最为行之有效的方法。
摘要：从水垢的机理出发, 考虑当前使用的水垢处理方法的利弊, 结合家用热泵型热水器的特点, 综合成本、可靠性、方便性、安全性等多方面考虑, 认为电子处理水垢方法是目前较为可行的方法。
关键词：热泵热水器,水垢,处理
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CO2热泵干燥的运行工况分析 篇6
关键词：CO2,热泵,干燥,蒸发温度,排气压力
引言
由于臭氧层破坏和温室效应的不利影响,用自然工质替代合成工质越来越受到国内外制冷界的重视[1]。在几种常用的自然工质中,除水和空气以外,CO2是与环境最为友善的制冷工质之一。CO2使用安全、无毒;物理化学稳定性好;单位容积制冷量大,有利于减少装置体积;在超临界条件下,流动传热性能好;此外,CO2容易获取,价格低廉,不需要回收。因此,CO2作为CFCs与HCFCs类物质的长期替代物具有非常光明的前景[2,3,4]。
目前,关于CO2作为制冷工质的研究主要集中于汽车空调和热泵热水器方面,关于热泵干燥方面的较少。德国 Essen大学的E.L.Schmidt和K.Klocker等分析和讨论了CO2在热泵干燥方面应用的可行性,并与 R134a热泵干燥进行理论分析比较,同时对其应用于洗衣房干燥衣物进行了节能方面的比较,得到了很好的应用效果[5]。Honma等在2008年对CO2热泵用于容量为4.5kg的干衣机进行了实验研究,Valero等对CO2热泵干燥机的原型进行测试,测试结果表明使用CO2的热泵干燥机比使用R134a热泵干燥机能量消耗降低7%[6]。西安交通大学和天津大学热能研究所对CO2热泵干燥进行了一些相关的理论研究(见参考文献[7,8])得到了一些有益的结论。
本文从热力学角度出发,利用EES(Engineering Equation Solver)软件对CO2压缩热泵循环冷却进行模拟分析,研究在标准工况下蒸发温度和压缩机的排气压力对CO2热泵干燥系统性能和工作状况的影响。
1 CO2热泵干燥循环的理论分析
由于CO2的临界温度只有31.1℃,低于典型的夏季工况温度(35℃),宜采用跨临界循环方式,即其冷却放热过程一般工作在临界温度以上。在超临界压力下,CO2的温度和压力彼此相互独立,具有比热容大、导热系数高、动力粘度小的特点。上述特点对于CO2的流动和换热均十分有利,有利于减少管道和换热器的尺寸,减少压缩机的工作容积,使整个系统的结构更加紧凑[9]。
1.1 CO2热泵干燥系统简介
热泵干燥系统的形式有开路式、半开式和闭路式三种,工程应用最多的为封闭式热泵干燥系统[9]。CO2热泵干燥系统由热泵循环和空气循环两个循环组成,如图1所示。其中热泵循环由压缩机、气体冷却器、节流阀、蒸发器等组成;空气循环由风机、干燥室、辅助冷却器等组成。在热泵循环中,气体经压缩机压缩后在气体冷却器中冷凝放热,经膨胀阀节流变成液态,温度降低,然后在蒸发器吸热蒸发,进入气液分离器分离后气体被吸入压缩机完成制冷循环。在空气循环中,进入蒸发器的高湿热空气被冷凝去湿,变成低湿空气进入气体冷却器被加热成干热空气,由风机吹入干燥室,带走被干燥物料的水分后成为湿热空气进入蒸发器,完成空气循环。
图2所示为CO2跨临界循环的T-S图。从图中可以看出系统工质在冷凝过程中温度有较大的滑移,能够与空气的升温过程有很好的温度匹配,也有利于满足热泵干燥中的梯级放热的要求。
图3所示为干燥过程中湿空气循环的t-d图。其中5-6为干空气在气体冷却器中等湿加热过程,6-7为干空气在干燥室里等含吸湿过程,7-8-5为热湿空气在辅助冷却器和蒸发器中的冷凝除湿过程。
1.2 CO2热泵干燥系统的评价指标
热泵干燥系统的评价指标通常为COP和SMER。COP为热泵的性能系数,SMER为单位除湿率,是用于整个干燥系统的能量利用率的评价指标。两者的不同之处在于,COP反映了热泵系统的性能,SMER反映了整个干燥系统的能量利用情况(包括压缩机和风机消耗的电能)。两者用公式表示如下:
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对于本文中的热泵干燥系统,有:
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式中:hi—工质的焓值,kJ/kg。
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式中:ηe——电能的转换效率;di—含湿量,kg/kg;hi—工质的焓值,kJ/kg;ma—空气的质量流量,kg/s;mc—制冷剂的质量流量,kg/s;PF—风机的功率,kW;PC—压缩机的功率,kW。
由气体冷却器的能量守恒得:
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2 CO2热泵干燥系统的状态参数的确定
2.1 系统的模型假设
为了分析方便,在以下条件下进行循环分析:1)系统循环处于稳态;2)压缩机的指示效率为0.8;3)蒸发器出口过热度为5℃;4)系统各管路压力总损失忽略不计。
2.2 CO2热泵循环参数的确定
假定蒸发器温度为11℃,气体冷却器出口温度为26℃,环境温度为20℃,气体冷却器压力为9.9MPa,压缩机入口过热度为5℃,风机与压缩机功率之比PF/PC=0.2,电能转化效率为0.9。
2.3 空气循环参数的确定
对于热泵干燥系统,由于可在蒸发器中除湿,故可采用低温低湿的空气进行干燥,特别适合于种子等不宜用高温干燥的情况,提高种子的活性。通常农作物的干燥温度不宜超过55℃,考虑其平衡含水率,干燥环境的相对湿度取为11%,以该条件为基本参数,并假设干燥室出口空气湿度为 55%[9],空气的各点热力参数如表1所示。
基于以上初始假设条件,本文对CO2热泵干燥系统进行了数值仿真计算,其中CO2的热物性参数通过调用EES软件获得。
3 CO2热泵干燥系统的仿真计算及结果分析
3.1 蒸发温度对CO2热泵干燥系统的影响
在标准工况下,当其他参数不变时,CO2热泵干燥系统中在压缩机排气压力分别为8.5MPa、8.8MPa、9.1MPa和9.4MPa四种不同情况下蒸发温度对热泵干燥系统的性能和压缩机排气温度的影响如图4～图6所示。
由图中可以看出,在压缩机不同的排气压力下,随着蒸发温度的上升,系统的COP和SMER均逐渐增加,并且曲线的斜率逐渐增大;压缩机排气压力越大,曲线的斜率变化的越小;在同一蒸发温度下,压缩机排气压力越大,系统的COP和SMER越低。提高蒸发温度,压缩机的排气温度将会降低,而且变化规律基本呈线性;压缩机排气压力越高,排气温度越高。出现上述情况是由于在压缩机排气压力不变的情况下,随着蒸发温度的上升,蒸发压力不断上升,从而使压缩机的压比不断减小引起的。
由于热泵干燥系统中加热湿空气的热量是从气体冷却器中获得的,进入干燥室的空气温度与压缩机的排气温度有直接的关系。而且CO2热泵干燥系统不可能同时达到较高的系统性能和较高的压缩机的排气温度。因此为了使CO2热泵干燥系统能够正常的工作,必须保证压缩机的排气温度不能过低。这就要求该系统有一个最高的蒸发温度,当蒸发温度超过该最高蒸发温度时,压缩机排气温度将低于系统运行的正常排气温度,使得热泵干燥系统中空气循环中的空气温度较低,延长干燥时间。
3.2 压缩机排气压力对CO2热泵干燥系统的影响
图7～图9所示为在标准工况下,当其他参数不变时,CO2热泵干燥系统在蒸发温度分别为5℃、8℃、11℃和14℃时压缩机排气压力对热泵干燥系统的性能和压缩机排气温度的影响。
从图中可以看出,随着压缩机排气压力的上升,系统的COP和SMER均下降且曲线的斜率不断变小,而且在不同蒸发温度下,曲线的斜率也不一样,蒸发温度越高,曲线的变化率越大。提高压缩机的排气压力,压缩机的排气温度也会逐渐上升,而且变化规律基本呈线性;在相同排气压力下,蒸发温度越高,压缩机的排气温度越低。这是因为,在蒸发温度不变的情况下,蒸发压力保持不变,而压缩机排气压力不断上升,使得压缩机的压比不断上升引起的一系列变化。
目前CO2热泵干燥系统多用于低温干燥,空气循环过程中并不需要提供温度很高的空气。
4 结论
1)在CO2热泵干燥系统中,随着蒸发温度的上升,系统的COP和SMER不断上升,但其压缩机的排气温度不断下降。因此,蒸发温度存在一个上限。在实际运行中,为了保证热泵干燥系统正常工作,蒸发温度应低于该上限值,使得压缩机排气温度不低于系统运行的正常排气温度。
2)提高压缩机的排气温度,CO2热泵干燥系统的COP和SMER不断下降,压缩机的排气温度不断上升。因此在该干燥系统中,为了保证系统具有较好的工作性能,应当在满足干燥过程正常运行所需要的压缩机排气温度前提下,尽量降低压缩机的排气压力。
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方兴未艾的空气源热泵热水器 篇7
2012年6月, 国家发展改革委、财务部和工信部公布了《节能产品惠民工程高效节能空气源热泵热水器 (机) 推广目录》, 首次将空气源热泵热水器纳入补贴范围。这好像一针“强心剂”, 给空气源热泵热水器行业注入新的活力, 迎来行业繁荣发展的黄金时期。
高效节能傲视群雄
目前国内热水器市场上占主导地位的产品主要有四种, 它们是燃气热水器、电热水器、太阳能热水器和空气能热水器。大多数消费者对前三种热水器都早已熟知, 而对空气源热泵热水器却不十分了解。空气源热泵热水器的是一种高效、节能、低碳的热水器, 其基本原理是利用热泵技术, 把空气中的低温热能吸收进来, 经过压缩机压缩后转化为高温热能后用于加热水温, 制取生活用水。
与燃气热水器、太阳能热水器和电热水器相比, 空气源热泵热水器在节能、减排方面具有明显优势。据测算, 空气源热泵热水器的耗电量仅为同等容量电热水器的四分之一, 是燃气热水器的三分之一。同时, 空气源热泵热水器克服了太阳能热水器所受气候条件和安装的限制, 也解决了燃气热水器的污染排放问题, 符合国家倡导的绿色低碳的理念。
虽然空气源热泵热水器的初期投资比煤气、天然气、电热水器的高, 但其日常运行成本则低的多。
市场推广步履维艰
空气源热泵热水器虽然在节能、低碳方面具有明显的优势, 但在“三足鼎立”的热水器市场上还无法与燃气、太阳能和电热水器相提并论。据有关部门统计, 我国2011年空气源热泵热水器销量在60~80万台, 仅占国内热水器市场份额的5%。空气源热泵热水器市场推广不利的因素有很多, 最主要的因素主要集中在政策、价格、宣传和市场方面。
在政策方面, 从许多先进国家的经验可以看出, 对节能减排产品、技术的推广很大程度上取决于国家政策的推力, 对空气源热泵热水器而言也是如此。政府优惠政策的进一步完善和财政补贴的制订, 能够为空气源热泵热水器打开更广阔的市场空间。
在价格方面, 空气源热泵热水器与电、天然气热水器相比具有十分惊人的节能效果, 但前期投资远远大于其它类型的热水器, 动辄数千甚至上万元, 让普通消费者敬而远之。
在宣传方面, 由于对空气源热泵热水器的宣传推广的力度不够, 许多消费者甚至从未听说过“空气源热泵热水器”一词, 即使在北京、上海等大城市, 人们对空气源热泵热水器的认知度也不高, 阻碍了市场发展。
在市场方面, 空气源热泵热水器行业内部企业水平良莠不齐, 虽然其中不乏美的、天舒等知名品牌, 但也有一些小企业靠产品组装和贴牌赚取利润, 挫伤了消费者对空气源热泵热水器质量的信任度, 干扰了市场的正常秩序。
政策推动前景广阔
空气源热泵热水器因其具有高效、节能、低碳的优势, 产品一经问世就受到业内关注和好评, 许多国家的政府部门在政策方面给予扶持, 在资金方面给予补贴。如澳大利亚政府规定, 居民购买新热水器时只能从太阳能、空气能和燃气热水器中选择, 不得购买电热水器。在日本, 普通家庭购买1台空气源热泵热水器最高可获得政府相当于3000元人民币的补贴。政府出台的优惠政策加快了空气源热泵热水器的推广步伐, 在欧美地区和日本空气源热泵热水器的普及率高达80%左右。
近几年来, 我国政府及相关部门也一直积极研究制定空气源热泵热水器的推广政策。特别是2012年6年国家发展和改革委、财政部和工信部公布的《节能产品惠民工程高效节能空气源热泵热水器 (机) 推广目录》, 首次将空气源热泵热水器列入惠民工程, 无疑为该行业注入一针“强心剂”。
此次节能产品惠民工程共有31家企业共480余款产品入选, 每台空气源热泵热水器最高可享受600元补贴。如此高额的补贴, 一方面说明空气源热泵热水器的高效节能被认可, 另一方面也预示着该行业终于“守得云开见月明”, 迎来属于自己的“春天”。
惠民工程自公布至今已近半年的时间, 空气源热泵热水器市场热销的趋势已初见端倪。以美的、天舒、纽恩泰、欧特斯等入选品牌的企业短期内的销售额均有大幅提高。据纽恩泰提供的资料显示, 该企业从今年6月份开始每月节能惠民月报都在千台以上, 8月份销量比去年同期增长95.7%。纽恩泰有关负责人透露2012年预计将完成1.8亿元的销售额, 而且有信心于明年达到3亿元的销售目标。