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地下水源热泵系统换热器匹配性研究点击：1890 日期：[ 2014-04-26 22:14:02 ] |
| 地下水源热泵系统换热器匹配性研究 张震 张超 周光辉 许肖飞 (中原工学院能源与环境学院 郑州450007) 摘要:建立了地下水源热泵系统实验装置,针对夏季工况和冬季工况分别研究了换热器面积的匹配对系统性能的影响。实验结果分析表明,适当增大冷凝器面积既可提高机组性能,又可避免在冬季工况时冷凝压力过高,保证机组稳定可靠的运行。 关键词:地下水源热泵;实验研究;换热器 在对系统及设备进行详细分析的基础上,搭建了地下水源热泵系统实验台。系统工作流程如图1所示,实验系统主要包括制冷系统、水系统以及测试系统。压缩机选用法国泰康公司生产的HF4524型涡旋式压缩机(输出功率为2HP),制冷剂选择R22(CHF2Cl),冷凝器和蒸发器采用番禺市新速能板式换热器有限公司生产的捷丰牌MTB020型钎焊板式换热器。 由于采用实际的井水源造价高且有占地空间要求,同时考虑到实验中井水温度的可调节性,采用两个恒温水浴来模拟两个水系统工况。考虑到单纯用恒温水浴来降低冷却水温度或提升冷冻水温度,必然需要很大功率的恒温水浴,而同时也会造成能量浪费。为了充分利用冷却水中的热量和冷冻水中的冷量,在实验中,选用番禺市新速能板式换热器有限公司生产的捷丰牌MTB020型钎焊板式换热器作为冷热量中间换热器。 为了更好地研究系统的运行特性以及井水流量、换热器面积之间在不同工况下的优化匹配关系,考虑到实验时换热器面积的可调节性,在实验中,蒸发器和冷凝器采用多组板式换热器并联的方式。蒸发器和冷凝器分别采用三组不同片数的换热器并联,第一组(A组)为设计工况下所需的最大换热器片数,30片;第二组(B组)的换热器片数为20片;第三组(C组)换热器片数为10片(图1)。 实验测量参数包括制冷剂侧的温度和压力、制冷剂流量、水侧的温度和压力、水流量以及压缩机功耗等。压力测量采用西安仪表厂生产的精度等级为0.4级的YB-150B型精密压力表,温度测量采用的是研华数据自动采集系统,配合经过标定的自制T型铜-康铜热电偶来进行测量,水侧流量的测量采用余姚自动化仪表厂生产的LZB-40和LZB-25型转子流量计,制冷剂侧流量的测量采用开封仪表厂生产的涡轮流量计,同时配有同一厂家的XSL-1A型智能流量显示仪,测量精度为0.5级,压缩机功率的测量采用哈尔滨电表厂生产的D51-W型交、直流功率表,测量精度为0.5级。 3 实验内容及结果分析 采用大温差小流量,能够以系统性能恶化很小的代价,来换取所需井水流量的大幅度降低[8]。 为了采取大温差小流量,需要对换热器重新匹配进行研究。我们对夏季和冬季工况下冷凝器和蒸发器的面积对系统性能的影响进行实验研究,从而找到大温差小流量下合理的换热器面积匹配。 3.1 夏季工况下换热器面积的匹配 3.1.1 冷凝器面积匹配研究 在夏季工况下,我们固定井水进口温度为18℃,分别对5℃温差、8℃温差、11℃温差三种情况下的换热器面积进行匹配。固定蒸发器的面积为30片,冷凝器的面积分别选取20片、30片、40片、50片,分别在不同井水进出口温差下采用以上的冷凝器面积,对系统进行测量。实验结果如图2、图3所示。 从图中可以看出,在5℃温差下选取冷凝器面积30片时,系统的EER最高,即冷凝器面积30片时,系统在标准工况下得到最佳匹配。在5℃温差下选取冷凝器面积20片时,由于冷凝器换热不充分,使得冷凝压力较高,压缩机功率增大,从而使得EER较小。选取冷凝器面积30片时系统的EER较选择20片时增大1.7%,而冷凝器面积进一步增大到40片以上之后,增加的换热面积已无法增加换热。系统其它各个性能参数基本保持不变。 由于冷凝器选择30片时,常规工况即5℃温差时,系统达到最佳匹配。因此在大温差情况下,我们以冷凝器30片作为比较基础。在8℃温差下选取冷凝器面积40片与50片时系统的EER相差不大,较冷凝器为30片时系统EER增大了4%。在11℃温差下选取冷凝器面积50片时系统的EER最大,较冷凝器为30片时系统EER增大了2.6%。同时我们发现,在大温差情况下,保持蒸发器侧的流量不变时制冷量较标准工况有明显下降,即使增大冷凝器面积这一情况也没有得到改善,那么保持蒸发器进出口温差恒定时,制冷量必然降低。那么我们就有必要研究蒸发器面积的最佳匹配。 3.1.2 蒸发器面积匹配研究 实验时我们固定井水入口温度仍为18℃,分别选择不同井水进、出口温差下系统最佳匹配时的冷凝器面积,同时改变蒸发器的面积,从而研究蒸发器面积对制冷系统的影响。在5℃温差时选择冷凝器的面积为30片,在8℃温差时选择冷凝器面积为40片,在10℃温差时选择冷凝器面积为50片,而蒸发器的面积分别选取10片、20片、30片、50片,分别在不同井水进、出口温差下,改变蒸发器面积,对系统进行测量。实验结果如图4、图5所示。 在5℃温差,即标准工况下,系统性能随蒸发面积的变化规律如上:从中可以看出,当蒸发器面积为20片时,系统的EER最高。当蒸发器面积取10片时系统EER较蒸发器面积20片时低1.3%,这是由于此时蒸发器面积不足,使得制冷量偏小造成的。而采用面积为30、40片的蒸发器时,在制冷量相差不大的情况下,蒸发器面积进一步增大之后,增加的换热面积已无法提高换热。系统其它各个性能参数基本保持不变。当蒸发器面积为50片时,这一现象就更为明显,换热器面积和制冷剂冲注量已经严重不匹配,使得整个系统的性能急剧恶化。 在8℃温差下选取蒸发器面积30片时系统的COP最高,选取蒸发器面积10片时,系统的EER比蒸发器为30片时系统EER低1.4%;选取蒸发器面积20片和40片时,系统的EER比蒸发器面积为30片时系统EER低0.08%左右;当选择蒸发器面积为50片时,则系统性能急剧下降。 在10℃温差下选取蒸发器面积30片时系统的EER最高,选取蒸发器面积10片时系统的EER比蒸发器为30片时系统COP低1.02%;选取蒸发器面积20片和40片时系统的EER比蒸发器面积为30片时系统COP低0.07%左右;当选择蒸发器面积为50片时,则系统性能急剧下降。 3.2 冬季工况下换热器面积的匹配 在冬季工况下,我们仍固定井水进口温度为18℃,分别对4℃温差、6℃温差、8℃温差三种情况下的换热器面积进行匹配。以4℃温差这一标准工况下的最佳匹配为比较基准,并以此为基础将6℃温差和8℃温差的匹配情况与4℃温差相比较,得出大温差与常规温差匹配的差异。冬季井水作为冷冻水,我们固定冷凝器一侧的冷却水流量,研究井水在不同流量下,不同蒸发器面积对系统性能的影响。固定冷凝器的面积为30片,蒸发器的面积分别选取20片、30片、40片、50片,分别在不同井水进出口温差下,改变蒸发器的面积,对系统进行测量。实验结果如图6所示。 从实验结果可以看出,在6℃温差和8℃温差时,蒸发面积从20片增大到30片,系统制热系数提高1.7%,蒸发器继续增大到40片时系统的制热系数反而下降1.3%。当选择蒸发器面积为50片时,由于在冲注量没有变化的情况下,蒸发器面积过大,大量蒸发器侧制冷剂无法充分润湿表面,最终使得系统性能急剧下降,此时系统已经严重不匹配。 4 结论通过对不同井水进出口温差下对换热面积的匹配,从夏季工况和冬季工况两个方面研究其对系统运行特性的影响,定性、定量分析了地下水源热泵系统的运行特性。得到以下几点结论:(1)通过对冷凝器的匹配可以看出:在大的井水进出口温差下,由于井水流量减小导致换热量不足,造成冷凝压力升高和温度升高,机组效率下降,故冷凝器面积应该大于按照5℃井水进出口温差选择的冷凝器面积。(2)通过对蒸发器面积的匹配可以看出:夏季工况与常规工况相同,影响不大,冬季工况时,蒸发器面积对系统影响较小,当温差不是很大时,可以仍按照5℃井水进出口温差选择蒸发器面积;当进出水温差较大时,蒸发器面积应适当增大。(3)通过实验与分析可以看出,冷凝器的匹配对系统影响大于蒸发器。适当增大冷凝器面积即可提高机组性能有可避免在冬季工况时冷凝压力过高,保证机组稳定可靠的运行,因此冷凝器合理匹配具有更重要的意义。 |
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