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      平行流換熱器在江水源熱泵中的應用研究

      點擊:1844 日期:[ 2014-04-26 21:58:01 ]
                              平行流換熱器在江水源熱泵中的應用研究            王超生1) 童明偉1) 蔡利華2) 項勇2) 秦增虎1) 袁剩勇1)                     1)(重慶大學) 2)(重慶嘉陵制冷空調設備有限公司)     摘要:基于已在汽車空調中廣泛使用的平行流換熱器,對其采用水冷方式以應用于長江上游地區熱泵系統。結果表明,水冷對平行流換熱器的傳熱特性影響很大,水冷比空冷的冷凝器出口過冷度提高了33℃,傳熱系數可達到1.9kW/(m2·K),使得整個空調系統的COP提高了18.4%,從而減少制冷劑充注量60%,換熱器體積減小85%,在維護和安裝方面具有很大優勢。本試驗研究是長江上游地區地表水水源熱泵系列研究之一,可供平行流換熱器在水冷式熱泵空調上的進一步研究、設計和制造及應用作參考。     關鍵詞:平行流換熱器;水源熱泵;水冷;空冷     鋁質平行流換熱器由集流管、數支平行排列的多孔扁管、波紋翅片和分隔板組成。制冷劑在多孔扁管中流動,空氣垂直流過波紋翅片進行換熱。由于平行排列的多孔扁管中的各個波紋翅片上往往還有各種形式的百葉窗隙縫,每段波紋百葉翅片均從中心向兩側相向開縫,利用場協同原理,既減小速度場與溫度場的夾角,又可有效強化空氣側傳熱。平行流換熱器具有較高的比表面積和換熱效率,作為緊湊型換熱器在汽車空調中得到廣泛使用。同時,與其他換熱器相比,其制冷系統所需的制冷劑充注量大大減少,空氣側壓降也降低不少。目前國內外對平行流換熱器的微管內部的單相流動、兩相流動、壓降、傳熱系數進行了大量的研究[1-10],也有不少學者對平行流換熱器空氣側的翅片結構進行分析和優化設計[11-14]??绽淦叫辛鲹Q熱器的換熱性能已得到充分提高,要想在現有的基礎上再提高換熱性能將花費巨大的技術投資,增加產品成本。     汽車空調運行工況、環境都比集中空調惡劣得多,若是在長江上游地區地表水水源熱泵的兩器上使用水冷卻平行流換熱器,無疑將給以鋁代銅、降低熱泵成本帶來極大的效益??稍偕茉粗?由于太陽能的強度低,受天氣和季節的影響太大,很難大量直接開發利用。淺層低溫地熱主要來自太陽的熱輻射,由于土壤的蓄能效應(每年地表吸收的太陽能大約相當于17萬億噸標準煤的能量,而地熱資源的遠景儲量為1 353.5億噸標準煤,探明儲量為31.6億噸標準煤),使得淺層土壤中的熱量供應十分穩定可靠,46%的太陽能被地球吸收。而水源熱泵是一種利用地球表面或淺層水源(如地下水、河流和湖泊),或者人工再生水源(工業廢水、廢氣等)的既可供熱又可制冷的高效節能空調系統。該系統利用熱泵機組實現低位熱能向高位熱能轉移,將水體和地層蓄能分別在冬、夏季作為供暖的熱源和空調的冷源,即在冬季,將水體和地層中的熱量“取”出來,提高溫度后,供給室內采暖;夏季,將室內的熱量取出來,釋放到水體和地層中去。同一系統可實現三大功能:冬季供暖、夏季制冷和提供日常生活用熱水。對此筆者計劃進行一系列研究,而本文將討論空冷和水冷分別對制冷系統的性能和效率的影響,以期為長江上游地區地表水水源熱泵進一步的研究、應用、開發、設計和制造提供參考。     1 試驗材料和方法     1.1 冷凝器樣件參數     本試驗所使用平行流換熱器,包括冷凝器和蒸發器,均由重慶南方英特空調有限公司提供(見圖1和表1)。                        1.2 測試儀器     所用測試儀器包括:頻閃儀(精確度±0.05%),臺灣路昌AM-4206風速/風量/溫度計(風速精度±2%,溫度精度±0.8℃),流量計采用校正過的金屬浮子流量計(精確度1.5級),溫度計采用校正過的T型熱電偶(精確度:0.1%rdg+0.7℃),壓力表(0.1精度)。                       1.3 風冷及水冷試驗     本試驗采用重慶南方英特空調有限公司的耐久性能測試試驗臺(見圖2),由壓縮機、冷凝器、蒸發器、貯液干燥器、熱力膨脹閥等組成,制冷劑采用R134a,壓縮機使用滑片式壓縮機,由帶有變頻器的電動機驅動,可以調節壓縮機轉速以改變系統制冷劑流量。風速試驗中,風速通過調節風機的電壓來改變。                       1.4 風冷與水冷試驗測試條件     風冷測試條件:蒸發器在恒溫箱內,保持干球溫度在35℃,濕球溫度在26℃,改變壓縮機轉速并改變風速,保證冷凝器出口有5℃的過冷度,分別測得轉速在700,1 410,1 900,2 825r/min,風速為1,2,3,4m/s時相關數據。     水冷測試條件:對冷凝器采用水冷時,使用同一個試驗臺,其他部件皆不改變,制冷劑充注量相同。只是將平行流換熱器放置于水槽中進行試驗,水槽水溫是14.5℃,如圖3所示。調整換熱器在水中的深度使得換熱器出口的過冷度達到5℃,然后對與獲得相同過冷度的風冷時所使用的換熱器體積和制冷劑充注量進行對比。                        2 試驗結果與討論     壓縮機轉速為1 410r/min時不同風速下冷凝器換熱量隨著風速變化的趨勢如圖4所示。表明,隨著風速的增加,風側換熱量不斷增加,但是增加的幅度越來越小。這是由于空氣的比熱容比較小,單純地增加風速不能大幅提高換熱量。由此可見,風冷式換熱器的發展空間有限。                      水速為0.02m/s,變壓縮機轉速條件下的冷凝器水側的換熱量和過冷度變化如圖5~6所示。表明,隨著壓縮機轉速的增加,冷凝器水側的換熱量相應增加,冷凝器出口過冷度相應降減小。但是隨著壓縮機轉速的進一步增加,水側換熱量增加幅度也變小。這是由于水速太低,限制了冷凝器換熱。                       從圖7可以看出,在同等壓縮機轉速的情況下,水速為0.02m/s水冷使在冷凝器出口處的過冷度比風速為2m/s風冷方式多提高33℃,同時COP值提高了18.4%,其制冷效率的提高效果非常明顯。     平行流換熱器的布置方式:在鋼板焊成內空為矩形的流道中,將鋁質平行流換熱器按并聯方式在流道中布置,如圖8所示。這種方式相比殼管式換熱器在安裝及維護方面相對方便。                      采用鋁質平行流換熱器的江水源熱泵系統如圖9所示。江水從置于江心的江水取水口1被抽水泵2吸入,并送入連續自動刮刷反沖洗器3內,經兩層濾網過濾后的清水由熱泵提水泵4送往鋁質冷凝器5和鋁質蒸發器6中。江水在冷凝器5中被加熱至50℃以上后送到制熱板換中將生活熱水加熱到45℃,而流入蒸發器的江水被降溫到0℃左右進入制冷板換,將制冷用水降溫到5℃。從制熱板換和制冷板換流出的江水混合后流進連續自動刮刷反沖洗器的反沖洗管接口對各濾網進行清洗后排至江中。                      3 結論     通過以上試驗可得出如下結論:     1)隨著空氣側的迎面風速的增加,系統換熱量也增加。但是對于本試驗所用的冷凝器,有一個臨界風速(2m/s)使得整體性能最佳。因此不能無限制地提高風速,這樣反而會使能源利用率下降。     2)水冷比風冷有諸多優點。冷凝器通過水冷換熱,縮小冷凝器體積85%,減少制冷劑充注量60%。如果進一步提高水流速度,可進一步增加冷凝器出口處的過冷度,提高換熱效率,并提高制冷系統的COP值,從而節約成本,加強環保,可望在長江上游地區地表水水源熱泵中使用。     參考文獻:略
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