不同环境温度和水温下复叠式空气源热泵热水机组运行特性研究.pdf
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1、2023 年 7 月/Jul.2023 11热点追踪/摘要:空气源热泵热水机在低环温高水温运行条件下会出现压缩比高、排气温度高的问题。研究了复叠式空气源热泵在不同运行工况下的经济性和可靠性。通过实验测得样机在低温热泵国标 GB/T 25127-2020 名义制热环境温度、80 出水工况下,系统 COP 达到了 1.7;国标 GB/T 25127-2020 低温制热环境温度、80 出水工况下,系统 COP 也达到 1.32。实验结果表明:高温级压缩机的排气温度随环温的升高变化相对较小且是呈降低趋势,低温级压缩机的排气温度随环温变化相对较大且呈上升趋势;同水温条件下,随着环温的下降,单级运行和双级
2、运行的制热量都是下降的,但双级运行的制热量高于单级运行的制热量,且随着环温降低制热量优势愈明显;另外,通过实验数据也验证了系统的可行性。关键词:空气源热泵;复叠式热泵;高温热水;环境温度;运行特性Abstract:Air source heat pump water heater will have the problem of high compression ratio and high exhaust temperature under the operating conditions of low ring temperature and high water temperature.
3、The economy and reliability of cascade air source heat pump under different operating conditions were studied.Through experiments,the prototype reached 1.7 under the nominal heating ambient temperature and 80 effluent conditions of the national standard GB/T 25127-2020 low-temperature heat pump,and
4、the system COP also reached 1.32 under the national standard GB/T 25127-2020 low-temperature heating ambient temperature and 80 effluent conditions.Theexperimental results show that the exhaust temperature of the high-temperature compressor changes relatively little with the increase of the ring tem
5、perature and shows a decreasing trend,while the exhaust temperature of the low-temperature compressor changes relatively large with the ambient temperature and shows an increasing trend.Under the same water temperature conditions,with the decrease of the ambient temperature,the heat of single-stage
6、operation and double-stage operation decreases,but the heating capacity of double-stage operation is higher than that of single-stage operation,and the advantage of heating production becomes more obvious as the ambient temperature decreases;In addition,the feasibility of the system is verified by e
7、xperimental data.Key words:air source heat pump;cascade heat pump;high temperature hot water;ambient temperature;operating characteristics引言空气源热泵热水系统是根据逆卡诺循环原理,利用系统的冷凝侧放热将低温水加热到高温水。在供热工况下,空气源热泵制热性能随水温升高而降低、随环温降不同环境温度和水温下复叠式空气源热泵热水机组运行特性研究邓志扬1 秦海燕1 陈 连1 秦海彬2(1.珠海格力电器股份有限公司 珠海 519070;2.格力电器(郑州)有限公司 郑州
8、 450000)Study on the Operation Characteristics of Cascading Air Source Heat Pump Hot Water Under Different Ambient and Water Temperatures12日用电器/Electrical Appliances热点追踪/Hot track低而降低,因此当环温低、水温高时会引起以下后果1:压缩机吸气压力低,制冷剂体积大、质量小,冷媒循环量少,制热量低,供热不足。压比增大,等熵效率降低,排气过热严重,润滑油粘度下降,延展性变强,油膜厚度变小,不利于润滑和密封。当压缩比大于 16
9、时,热泵系统运行能效约为 1,且排气温度接近润滑油的碳化温度,阻碍了热泵在寒冷地区的推广2。若要在低温环境下制取 80 热水,普通冷媒已无法满足要求,而特殊工质热泵的初投资和维护成本又比较昂贵,因此可通过复叠式热泵来解决这个问题3。目前,高温复叠热泵的产品化研究还很少,一般情况下,主要是对复叠式热泵系统进行理论研究。文献 4 研究了不同环温下高出水温度的运行特性。本文对不同环境温度和不同出水温度下特别是低环温下复叠式空气源热泵热水系统的产品化的经济性和可靠性研究。1 复叠式系统的工作原理图 1 所示为复叠式热泵原理及测点布置图。1.1 空气源复叠式热水机的工作原理1)复叠运行工作原理低温级:低
10、温级工质在蒸发器中吸收空气的热量,工质蒸发换热后进入低温级压缩机,压缩后形成高温高压气体,从四通阀 1 的 D 管流向 C 管,再流向四通阀 2的 C 管,进入冷凝蒸发器(板式换热器),把热量传递给高温级工质后,转化成高压过冷液态工质,由电子膨胀阀节流降压后回到蒸发器中,如此完成循环。高温级:高温级工质在板式换热器中吸收低温级工质传递的热量,形成气态工质后,进入高温级压缩机,压缩后形成高温高压气体,在套管换热器内将水加热,转化成高压过冷液态工质,由电子膨胀阀节流降压后回到蒸发冷凝器中,如此完成循环。2)低温级单级运行工作原理控制四通阀 2 的 D 管与 E 管接通,将低温级压缩机出来的高温高压
11、冷媒传输到低温级套管换热器,把热量传递给水介质,冷凝后的液态冷媒经过电子膨胀阀 1 节流降压后,进入到蒸发器吸收热量,再回到低温级压缩机,如此完成循环。该复叠式热泵热水系统设计重点主要是高低温级的选型设计、蒸发冷凝器选型设计、高低温级冷媒工质的确定、单级制热与复叠制热及其冬季除霜的系统设计。图 1 复叠式热泵原理及测点布置图2023 年 7 月/Jul.2023 13热点追踪/类型干式铜管翅片式排数2 排半U 管数量96换热器材料7.94-开窗片换热面积64.08 m换热器管径 壁厚7.940.250.18 mm换热器管心距 行距2219.05 mm翅片类型开窗片换热器循环路数12规格(长 宽
12、 高 mm)7272741 4082 复叠式热泵热水系统的选型设计2.1 整体方案设计如图 1 所示,复叠式空气源热泵热水系统的主要部件包括:一级压缩机(低温级)、二级压缩机(高温级)、套管式换热器(R410A)、套管换热器(R134A)、翅片蒸发器、蒸发冷凝器(板式)、风机、电磁阀、汽液分离器、电子膨胀阀、四通阀、储液罐等。2.2 系统关键部件的选型1)压缩机的选型通常情况下压缩机的选型是根据机组的设计工况和目标制热量,由蒸发温度、冷凝温度初版计算出压缩机排量,然后通过排量选择压缩机的大小,再通过厂家提供的压缩机规格书进行校核,本次设计目标制热量为20 kW。低温级压缩机使用 R410A 冷
13、媒,设计蒸发温度 7,冷凝温度 35,查压缩机的性能曲线,可以找到:凌达转子式 5HP 变频压缩机在蒸发温度 7,冷凝温度35 的性能参数为:制冷量:16.5 kW;输入功率:2.8 kW。由此可以得到低温级制热量为 19.3 kW。高温级压缩机使用R134A冷媒,设计蒸发温度30,冷凝温度 90。查压缩机的性能曲线,可以找到:谷轮5HP 压缩机,在蒸发温度 30,冷凝温度 90 的性能参数为:制热量 24 kW。高温级的压缩机制热量稍大于目标制热量,考虑到压缩机的效率修正,制热量也在偏差范围内。2)蒸发器的选型如表 1、表 2 所示,对比机型 5HP/T 在名义工况下型号5 HP/T复叠热泵
14、翅片换热面积 m44.3164.0820 制热量 kW19=64.08/44.31*19=27.487 制热量 kW/=27.48*80%=21.98的能力为 19 kW,根据蒸发器换热面积等效换算得到,名义工况下的制热量能到 27 kW,因此蒸发器的换热面积是满足要求的。3)蒸发冷凝器的选型蒸发冷凝器采用板式换热器,选用阿法拉伐厂家提供 20 kw 换热量的换热器。4)套管换热器的选型名义工况下的制热量为 20 kW。5)电子膨胀阀的选型电子膨胀阀选用三花 3.2 mm 口径阀体,适用于R410A 和 R134A 冷媒。6)其他系统部件的选型考虑到低温级系统在低温工况下要进行化霜,因此需要增
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