一种直热式冷暖空调热水三用机的研究

聂德平

1　三用机的基本流程与工作原理
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0 B( u; j- S8 S4 J    制冷和制热水两用热泵具有冷热综合利用特点,有很高的能效比,制冷系数和热泵COP 值相加可达6～8,是当今热泵发展方向。热泵热水机都有水冷凝结换热器,即用制冷剂凝结热加热水的换热器,简称热水加热器。用空调机改造的热泵热水机,如果仍要保留空调机原有功能时,依据热水加热器增添在制冷剂回路中的位置和方式不同,分为前置串联式、后置串联式和并联式三种。
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- u  R. q0 j  w# g+ d- \    前置串联式:在压缩机的排气口与原风冷凝器之间串接一个热水加热器,用它回收高压制冷剂气体的显热和部分凝结热来产生热水。这种设计,在热水需求量相对小于冷气需求量的大型空调机的改进中适用,但不适于小型机。因为,前置式水冷换热器在低水温时凝结出的制冷剂液体会在风冷凝器中重新蒸发,使制冷循环不稳,无法调节制冷和热水需求不平衡的矛盾。
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: m- @) D4 h, R& H7 ?6 N5 V    后置串联式:即在原风冷凝器后与节流器前串接一个热水加热器。这种方案,可以在制冷同时回收制冷剂凝结液的热量,得到中温热水(夏天适用) ,又可因制冷剂的过冷而提高制冷效率。但在热水用量大时,不能全部回收制冷剂凝结热。
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    并联式:即与原风冷凝器和蒸发器并联,增添一个水冷换热器,三个换热器两两组合,配以共同的压缩机和相应的节流器,组成四路独立分循环多用途的热泵空调机。图1是其原理示意图。为了实现四种分立循环的自由切换,系统在原冷暖空调机的压缩机1的排气口与四通阀2之间增添一个三通阀7;热水换热器添加在三通阀7的另一个排气口和节流机构4的一个进口端,节流机构共有三个进口端和四路出口,可由多根毛细管和单向阀组合成,也可由热力膨胀阀,或电子膨胀阀构成。系统详细结构参见专利文献[ 2, 3 ]。系统四个分立循环为: (1) 正常风冷制冷循环: 1→7→2→3→4→5→2→1; (2)正常风源制暖气循环: 1→7→2→5→4→3→2→1; (3)制冷气同时水冷式冷凝器全部回收凝结热的制热水循环: 1→7→6→4→5→2→1,此时制冷剂不流过室外换热器; (4)从室外吸热制热水的风源热泵循环: 1→7→6→4→3→2→1,此时制冷剂不流过室内换热器,这种工况在春秋冬三季适用。由于保留了原有空调器的所有功能,而且并联式的每个独立回路的循环都像简单的制冷循环或热泵循环,所以各种循环都能稳定运行,效率高,并可根据气温和用户需求,选择循环形式。各模态在自动控制运行状态下时可以自动智能切换。家用原理性样机经两年实际使用考验,各模态间可自如切换,系统运行正常,使用灵活方便。压缩机功率1. 8kW配60L水箱式热水换热器的三用机,在冬季7℃进水情况下,以60L 水箱55℃热水为补充,可连续供45℃以上热水30～40min,满足一人淋浴。间歇15 ～20min,另一个人又可继续使用,效果很好。    2　一种带套筒直热式凝结/热水换热器

    2. 1　现有热泵热水机的热水换热器存在问题
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! s2 W/ t) |; q2 a5 k    热泵热水机虽然是制冷逆循环,原理并不复杂,但由于热泵在全年中工况变化很大,在冬天和夏天,系统都运行在恶劣工况下,效率偏低。特别在冬季,室外气温低,水温低而要求热水温度不得低于50℃,标准是55℃。从热力学角度看,在冷凝压力与蒸发压力比大的情况下,热泵的COP值很低,在2～2. 5之间;另外,当水箱水温低时,过低的冷凝压力造成制冷剂流量不足,蒸发器压力偏低,热泵输出功率不足正常的50%;再者,从传热学角度看,如果热水换热器要把进水从7℃直接提高到55℃,换热管表面的水流速只有正常换热器的十分之一,其传热能力急剧降低。热力换热器的换热能力不足,又严重地影响系统的热效率和出力。现有家用小型热泵热水机的热水换热器,几乎都采用澳大利亚引进的盘管沉浸在水箱下部的热水换热器,其换热性能相当差。工业用热泵热水机的热水换热器,多数采用套管式换热器,并通过循环水泵、连接管路与水箱组成水循环回路,为保证热水换热器的换热效率,每次循环一次,经热水换热器的水升温5℃,因此,这种形式热水换热器的水箱内存水,经历了由低温到55℃的过程。水箱容积大时,等待水温升到55℃加热时间长。在用水量大时,补水会使水箱的水温降低,这在高级宾馆是不适合的。如果采用辅助小水箱,那么小水箱的每次进水、出水的一个周期内,冷凝器的冷凝压力都经历了较大波动,对系统的安全高效运行不利。因此,设计能维护系统高效、稳定运行,可直接连续提供设定温度的热水,成本低的热水换热器是热泵热水机的一个关键。
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' }8 W& D) T8 x. S9 L    2. 2　直热储热组合型热泵用热水换热器结构
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    该换热器的特征在于:在水箱内增加了导流用的导流套筒,并把螺旋盘管式的加热管置于导流套筒内,导流套筒只与水箱的顶板和底板间留有流水的间距。冷水进水管在水箱底部,热水出水管在水箱顶部引出;水箱总是满水。

    当热泵热水机工作制冷剂流入螺旋盘管式的加热管时,导流套筒内的水就首先被加热。由于导流套筒内的水量仅是水箱总储水量的很小部分,这部分水被加热迅速膨胀,密度变小而快速上升,上升的水受导流套筒的阻隔不会与导流套筒外的水混合,被加热的水,很快上升并越过导流套筒顶端。在水箱顶部开机十分钟就可取到热水。导流套筒外的大量未被加热的水,密度大而下降,从水箱底部补充流到导流套筒内的加热区,从而形成回流,提高了换热系数。取用热水时只要打开进水阀,冷水进入水箱底部,冷水在下,热水在上,冷水被送进导流套筒内加热,等量的热水从水箱出水口被取用。取用热水时螺旋盘管表面的水流速随进水量加大而增大,换热系数明显提高。实验和数值模拟表明,这样的换热器比把盘量直接置于水箱底部的换热器的换热效果也好很多。
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- C$ j2 q0 u( L" a    2. 3　不同流量的换热特性研究

/ t: w4 C* B" f# }: G    换热器水箱直径0. 35m,高0. 7m,导流套筒直径0. 16m,螺旋换热管置于导流套筒内。对换热面积、结构形式已确定的换热器性能实验,主要考核它在变流速、变温度时的传热特性。而在热泵系统运行中,受热泵功率的限制,其最终的输出热水热流量,则是综合的结果。

  m2 E! k" q% g1 [' }/ V: K2 F2 X    设计只在某种工况下运行的换热器,合适的运行参数容易选择。但对于直热和储热两用,有时处于零流量,只靠自然对流换热,有时又处于不同水流量的半强迫对流换热状态的换热器, k和K非定数,需要由实验确定。冷凝换热器换热过程制冷剂和流水的温度变化情况如图3所示。确定冷凝器的换热温差,需要分别考虑制冷剂的过热蒸气冷却、等压等温凝结和凝结液过冷冷却三段与对应段的流水的平均温差,再以各段制冷工质的比焓降低值的比例为权重,求出换热器的平均温差。
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2 f2 _0 @: l$ n) ~) e4 J7 w    配置带导流套筒储水箱换热器的多功能热泵热水机系统,参见专利文件[3]。实验时通过测量水流量,进、出水温可以获得制热量Q。通过改变水流量,可以测得不同水流量时换热器的特性。图4中有3条曲线,带三角黑点的是热流量曲线,随出水流量增大而增大。但热泵要输出大的热流量只能降低冷凝温度和出水温度,图中带正方形黑点的曲线和带菱形黑点的曲线分别表示冷凝温度和出水温度,它们都是随出水量增加而降低。
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    2. 4　零出水量时换热特性
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    零出水量时,储水箱内的凝结换热器只依靠自然对流换热。此时,换热量是通过水箱内水的平均温升速率与水箱内水和水箱壁的总热容C的乘积求出。平均温升速率由布置在水箱不同高度层和不同直径圈的许多热电偶测的温度,用容积积分求出平均温升,或在各点温升速率都相同时,即进入准稳态,取任意一点的温升速率5t / 5τ。可以在一次连续的实验中测出不同平均水温时换热器自然对流换热功率。布置在导流套筒内的热电偶可以算出各段的换热温差。零出水量时,储水箱内水温从11℃加热到55℃,平均换热量约为4250W,低于正常制冷量5000W和制热量6000W。
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/ T( k, j. P/ P6 F4 _! }2 k1 j    2. 5　定温出水工况

    定温出水工况的测试与不同流量出水动态加热工况类似,只不过在实验中需要不断调节流量以保证出水温度为所需要的值。实验时环境温度为20. 4℃,进水温度为17. 7℃,最后稳定的出水温度为54. 6℃,稳定时间在半小时以上,对应的流量为125L /h。数据进行处理后发现,加热功率为5350W,总的传热系数为456. 7W / (m2 ·K) 。制冷剂进口温度为97. 5℃,出口为44. 6℃。对逆流式换热器,冷流体的出口温度可以超过热流体的出口温度。出口稳定时各测点的温度值如表1所示。

    2. 6　温度场、速度场的模拟

" e2 C. [/ _) W: h/ ~/ e/ l0 ?    水箱内水流的温度场、速度场可以通过建立模型利用FLUENT软件求解。螺旋换热管简化为多层圆环结构,用分离解法求解连续性方程,动量方程,能量方程及组分方程的方程组。采用三角形和四方形混合网格,网格的总数为10649个,网格的划分在前处理软件GAMB IT中完成。通过水温、流速及换热系数可计算出换热量。零
' t) n& F) S+ A出水量时水箱内的换热量计算结果与实验值的比较,见图5。240L /h流量时的的换热量计算结果与实验对比见图7中上部带空心三角形点和黑四方形点的两条曲线,数值模拟所获的结果与实验值的总趋势相当吻合,但计算值比实验值偏小约5%～10%。

    2. 7　带导流套管与浸泡式
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$ A  s1 o8 K. u    利用数模拟了两种等换热面积的换热器,即带导流套筒盘管换热器和盘管置于水箱下部的浸泡式盘管换器在240L /h流量时的换热情况。浸泡式的换热量在图7中的最下面一条曲线。由图可以看出浸泡式盘管换器在有出热水时的换热量不及带导流套筒盘管换热器的50%。主要原因是带导流套筒盘管换热器在取用热水时补充的冷水集中到盘管换热器通道,提高了流水速度,换热效
' L6 }, y& l; J7 c果好,而浸泡式的在连续供水时流速反而不及静态加热时形成的自然对流流速。
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$ X; [5 Y) C  F7 ?: t    对于零出水量两种换热器换热量的数值计算结果表明,浸泡式盘管换器的换热量也有如图5所示的带导流套筒盘管换热器的换热量的变化趋势,但换热能力总体偏低,在水箱水温较低的初始加热时,偏低约20%,而当水温基本达到55℃时,两者基本没差别。其原因是初始加热时,带导流套筒盘管换热器的导流套筒内与导流套筒外水密度差大,内循环流速大,所以换热系数大;而水箱的平均水温高时,导流套筒内外水的密度差不大,二者的自然对流能力都很弱,差别也不大。

    3　结语
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    (1) 介绍了一种直热式冷暖空调热水三用机的基本原理,这种多功能热泵热水机,不仅有很好的综合节能作用,而且它适用性较广,可以满足用户的不同需求。

3 K; n: l7 E) n0 J    (2) 首次公开介绍了一种作为直热式冷暖空调热水三用机的热水加热器,即带导流套筒的盘管换热器,比一般浸泡式热水加热器,动态加热时的换热能力高一倍多,静态加热时平均换热能力也高15%。