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平行流换热器在江水源热泵中的应用研究点击：2075 日期：[ 2014-04-26 21:58:01 ] |
| 平行流换热器在江水源热泵中的应用研究 王超生1) 童明伟1) 蔡利华2) 项勇2) 秦增虎1) 袁剩勇1) 1)(重庆大学) 2)(重庆嘉陵制冷空调设备有限公司) 摘要：基于已在汽车空调中广泛使用的平行流换热器,对其采用水冷方式以应用于长江上游地区热泵系统。结果表明,水冷对平行流换热器的传热特性影响很大,水冷比空冷的冷凝器出口过冷度提高了33℃,传热系数可达到1.9kW/(m2·K),使得整个空调系统的COP提高了18.4%,从而减少制冷剂充注量60%,换热器体积减小85%,在维护和安装方面具有很大优势。本试验研究是长江上游地区地表水水源热泵系列研究之一,可供平行流换热器在水冷式热泵空调上的进一步研究、设计和制造及应用作参考。 关键词：平行流换热器;水源热泵;水冷;空冷 铝质平行流换热器由集流管、数支平行排列的多孔扁管、波纹翅片和分隔板组成。制冷剂在多孔扁管中流动,空气垂直流过波纹翅片进行换热。由于平行排列的多孔扁管中的各个波纹翅片上往往还有各种形式的百叶窗隙缝,每段波纹百叶翅片均从中心向两侧相向开缝,利用场协同原理,既减小速度场与温度场的夹角,又可有效强化空气侧传热。平行流换热器具有较高的比表面积和换热效率,作为紧凑型换热器在汽车空调中得到广泛使用。同时,与其他换热器相比,其制冷系统所需的制冷剂充注量大大减少,空气侧压降也降低不少。目前国内外对平行流换热器的微管内部的单相流动、两相流动、压降、传热系数进行了大量的研究[1-10],也有不少学者对平行流换热器空气侧的翅片结构进行分析和优化设计[11-14]。空冷平行流换热器的换热性能已得到充分提高,要想在现有的基础上再提高换热性能将花费巨大的技术投资,增加产品成本。 汽车空调运行工况、环境都比集中空调恶劣得多,若是在长江上游地区地表水水源热泵的两器上使用水冷却平行流换热器,无疑将给以铝代铜、降低热泵成本带来极大的效益。可再生能源中,由于太阳能的强度低,受天气和季节的影响太大,很难大量直接开发利用。浅层低温地热主要来自太阳的热辐射,由于土壤的蓄能效应(每年地表吸收的太阳能大约相当于17万亿吨标准煤的能量,而地热资源的远景储量为1 353.5亿吨标准煤,探明储量为31.6亿吨标准煤),使得浅层土壤中的热量供应十分稳定可靠,46%的太阳能被地球吸收。而水源热泵是一种利用地球表面或浅层水源(如地下水、河流和湖泊),或者人工再生水源(工业废水、废气等)的既可供热又可制冷的高效节能空调系统。该系统利用热泵机组实现低位热能向高位热能转移,将水体和地层蓄能分别在冬、夏季作为供暖的热源和空调的冷源,即在冬季,将水体和地层中的热量“取”出来,提高温度后,供给室内采暖;夏季,将室内的热量取出来,释放到水体和地层中去。同一系统可实现三大功能:冬季供暖、夏季制冷和提供日常生活用热水。对此笔者计划进行一系列研究,而本文将讨论空冷和水冷分别对制冷系统的性能和效率的影响,以期为长江上游地区地表水水源热泵进一步的研究、应用、开发、设计和制造提供参考。 1 试验材料和方法 1.1 冷凝器样件参数 本试验所使用平行流换热器,包括冷凝器和蒸发器,均由重庆南方英特空调有限公司提供(见图1和表1)。 1.2 测试仪器 所用测试仪器包括:频闪仪(精确度±0.05%),台湾路昌AM-4206风速/风量/温度计(风速精度±2%,温度精度±0.8℃),流量计采用校正过的金属浮子流量计(精确度1.5级),温度计采用校正过的T型热电偶(精确度:0.1%rdg+0.7℃),压力表(0.1精度)。 1.3 风冷及水冷试验 本试验采用重庆南方英特空调有限公司的耐久性能测试试验台(见图2),由压缩机、冷凝器、蒸发器、贮液干燥器、热力膨胀阀等组成,制冷剂采用R134a,压缩机使用滑片式压缩机,由带有变频器的电动机驱动,可以调节压缩机转速以改变系统制冷剂流量。风速试验中,风速通过调节风机的电压来改变。 1.4 风冷与水冷试验测试条件 风冷测试条件:蒸发器在恒温箱内,保持干球温度在35℃,湿球温度在26℃,改变压缩机转速并改变风速,保证冷凝器出口有5℃的过冷度,分别测得转速在700,1 410,1 900,2 825r/min,风速为1,2,3,4m/s时相关数据。 水冷测试条件:对冷凝器采用水冷时,使用同一个试验台,其他部件皆不改变,制冷剂充注量相同。只是将平行流换热器放置于水槽中进行试验,水槽水温是14.5℃,如图3所示。调整换热器在水中的深度使得换热器出口的过冷度达到5℃,然后对与获得相同过冷度的风冷时所使用的换热器体积和制冷剂充注量进行对比。 2 试验结果与讨论 压缩机转速为1 410r/min时不同风速下冷凝器换热量随着风速变化的趋势如图4所示。表明,随着风速的增加,风侧换热量不断增加,但是增加的幅度越来越小。这是由于空气的比热容比较小,单纯地增加风速不能大幅提高换热量。由此可见,风冷式换热器的发展空间有限。 水速为0.02m/s,变压缩机转速条件下的冷凝器水侧的换热量和过冷度变化如图5~6所示。表明,随着压缩机转速的增加,冷凝器水侧的换热量相应增加,冷凝器出口过冷度相应降减小。但是随着压缩机转速的进一步增加,水侧换热量增加幅度也变小。这是由于水速太低,限制了冷凝器换热。 从图7可以看出,在同等压缩机转速的情况下,水速为0.02m/s水冷使在冷凝器出口处的过冷度比风速为2m/s风冷方式多提高33℃,同时COP值提高了18.4%,其制冷效率的提高效果非常明显。 平行流换热器的布置方式:在钢板焊成内空为矩形的流道中,将铝质平行流换热器按并联方式在流道中布置,如图8所示。这种方式相比壳管式换热器在安装及维护方面相对方便。 采用铝质平行流换热器的江水源热泵系统如图9所示。江水从置于江心的江水取水口1被抽水泵2吸入,并送入连续自动刮刷反冲洗器3内,经两层滤网过滤后的清水由热泵提水泵4送往铝质冷凝器5和铝质蒸发器6中。江水在冷凝器5中被加热至50℃以上后送到制热板换中将生活热水加热到45℃,而流入蒸发器的江水被降温到0℃左右进入制冷板换,将制冷用水降温到5℃。从制热板换和制冷板换流出的江水混合后流进连续自动刮刷反冲洗器的反冲洗管接口对各滤网进行清洗后排至江中。 3 结论 通过以上试验可得出如下结论: 1)随着空气侧的迎面风速的增加,系统换热量也增加。但是对于本试验所用的冷凝器,有一个临界风速(2m/s)使得整体性能最佳。因此不能无限制地提高风速,这样反而会使能源利用率下降。 2)水冷比风冷有诸多优点。冷凝器通过水冷换热,缩小冷凝器体积85%,减少制冷剂充注量60%。如果进一步提高水流速度,可进一步增加冷凝器出口处的过冷度,提高换热效率,并提高制冷系统的COP值,从而节约成本,加强环保,可望在长江上游地区地表水水源热泵中使用。 参考文献：略 |
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