一種新型熱泵換熱器系統(tǒng)

                                              一種新型熱泵換熱器系統(tǒng)
                               中國電力企業(yè)聯(lián)合會科技服務(wù)中心　李建鋒
                         清華大學(xué)熱科學(xué)與動力工程教育部重點實驗室　呂俊復(fù)
    摘要：通過對現(xiàn)有熱泵系統(tǒng)的分析,提出了一種新的熱泵室外機(jī)系統(tǒng)。該系統(tǒng)以鹽水為冷媒,采用二級換熱結(jié)構(gòu),可以有效防止冬季供暖過程中室外機(jī)的結(jié)霜。
    關(guān)鍵詞：熱泵　結(jié)霜　換熱器
    0　引言
    隨著生活水平的逐漸提高,人們對生活質(zhì)量的要求也不斷提高,空氣源熱泵系統(tǒng)作為冬季的供暖設(shè)備具有效率高、能耗低的特點,獲得了越來越多的應(yīng)用。但是,熱泵系統(tǒng)存在蒸發(fā)器換熱表面容易結(jié)霜的問題[1-4],在我國南方等空氣濕度較大的地區(qū)這個問題尤為嚴(yán)重?？諝庠礋岜脵C(jī)組在冬季運行時,空氣側(cè)換熱器表面結(jié)霜會降低換熱器的傳熱系數(shù),增加空氣側(cè)的流動阻力減小機(jī)組的供熱能力;結(jié)霜嚴(yán)重時蒸發(fā)壓力過低,常使機(jī)組停止運行。
    對于壓縮式熱泵,常用的做法是采用壓縮機(jī)反轉(zhuǎn)以及四通換向閥轉(zhuǎn)換的方式進(jìn)行除霜,但這樣會浪費較多的電能。有文獻(xiàn)報道,在一個供暖季節(jié)熱泵系統(tǒng)因除霜多消耗的電能約為10.2%[5]。不過對于吸收式熱泵系統(tǒng)[6-7],則不可能采用這種壓縮機(jī)反轉(zhuǎn)的方式進(jìn)行除霜,而如果采用電熱的方式除霜,那么浪費的電能更多,從而嚴(yán)重影響機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性。
    1·新系統(tǒng)介紹
    為了解決熱泵冬季運行時的結(jié)霜問題,本文提出了采用二級換熱方式的方案。方案示意如圖12所示。
             
    圖1,2中,蒸發(fā)器并不直接和室外空氣換熱,而是與鹽水換熱,冷卻后的鹽水通過氣水混合的方式在換熱器內(nèi)直接與室外空氣換熱,此時的熱力過程相當(dāng)于冷卻塔熱力過程的反過程。
    作為換熱媒介的鹽水可以是CaCl2溶液,也可以是NaCl溶液,只要其冰點低于熱泵本身的蒸發(fā)溫度即可,這樣可以避免結(jié)冰,確保系統(tǒng)安全運行。
    在水泵出口安裝調(diào)節(jié)閥旁路的主要目的是調(diào)節(jié)換熱器的負(fù)荷、增加換熱器內(nèi)的循環(huán)水量,從而使鹽水更好地與室外空氣換熱。
    在調(diào)節(jié)閥旁邊安裝除水器的主要目的是防止在機(jī)組的運行過程中空氣中的水蒸氣使鹽水濃度降低,從而避免蒸發(fā)器換熱表面結(jié)冰影響系統(tǒng)性能。除水器的結(jié)構(gòu)與工作原理如圖3所示。
           
    如圖3所示,在除水器中,鹽水從進(jìn)水口進(jìn)入,如果進(jìn)水因為凝結(jié)水太多而濃度降低,那么將降低鹽水的滲透壓,從而使得一部分水通過滲透膜析出,從下出水口流出;經(jīng)過滲透后的高濃度鹽水則從上出水口流出。調(diào)節(jié)閥在運行過程中能維持滲透膜前面的壓力穩(wěn)定。另外,為了防止?jié)B透出來的水結(jié)冰,除水器應(yīng)該放置在室內(nèi),或者增加一個小型的加熱裝置,以便于將水溫提高到0℃以上。為了防止?jié)B透膜被雜質(zhì)堵塞,在滲透裝置前還應(yīng)該有過濾裝置。
    2·換熱器的熱平衡
    對于換熱器,要防止空氣二次進(jìn)入和防止飄水,減少或消除風(fēng)機(jī)電耗,可以采用順流式換熱方式,見圖4。在空氣-鹽水之間的換熱過程中,空氣不斷被冷卻,最終將達(dá)到飽和,如果此時進(jìn)一步降溫,那么其中的一部分水蒸氣將會凝結(jié)成水。所以鹽水吸收的熱量實際上包含兩部分,一部分是空氣與水蒸氣因為溫度降低而放出的顯熱;另一部分是空氣溫度低于飽和溫度時水蒸氣凝結(jié)放出的潛熱。
            
    對于換熱器,如果換熱較為充分,空氣出口溫度與出水溫度值近似相等,根據(jù)能量守恒可得：
(1)
    經(jīng)整理得
(2)
    事實上,如果空氣中水蒸氣的含量較少,那么可以忽略水蒸氣的顯熱,此時式(2)可以簡化成:
    
    式(1)~(3)中　mg為空氣質(zhì)量流量,kg/s;cg為空氣比定壓熱容,kJ/(kg·℃);t為空氣出口(出水)溫度,℃;d0為環(huán)境空氣的含濕量,g/kg;tg為d0所對應(yīng)的空氣飽和溫度,℃;d為出口空氣含濕量,g/kg;mw為鹽水質(zhì)量流量,kg/s;cw為鹽水比熱容,kJ/(kg·℃);t0為環(huán)境空氣溫度,℃;r為水的汽化潛熱,kJ/kg;cwg為水蒸氣比定壓熱容,kJ/(kg·℃);tw為入口鹽水溫度,℃。
    對于熱泵蒸發(fā)器而言,換熱媒介將由原來的蒸汽-空氣轉(zhuǎn)變成蒸汽-鹽水。一般而言,水-壁面的換熱系數(shù)比空氣-壁面的換熱系數(shù)大一到幾個數(shù)量級,而金屬壁面的導(dǎo)熱熱阻又可以忽略不計,所以在相同的換熱溫差以及相同的換熱量條件下,換熱面積可以大幅度縮小,從而也就減少了蒸發(fā)器的投資費用。
    另外,從式(2)或式(3)可以看出,在空氣流量mg足夠大的情況下,t趨近于t0,由此可見,盡管系統(tǒng)采用了二級換熱,但換熱溫差并沒有太多的減小。
    3　結(jié)論
    3.1　以鹽水為媒介,采用二級換熱結(jié)構(gòu)能夠有效解決熱泵蒸發(fā)器的結(jié)霜問題。
    3.2　蒸汽-鹽水之間的換熱系數(shù)遠(yuǎn)大于蒸汽-空氣之間的換熱系數(shù),因此能夠有效減小蒸發(fā)器的換熱面積,從而減少蒸發(fā)器的投資。與此同時,空氣-鹽水直接換熱可以增加換熱量,降低換熱器的投資費用,從而降低整個系統(tǒng)的投資費用。而增加一級換熱并不會使換熱溫差減小太多。
    3.3　因為采用鹽水為媒介,所以要注意解決蒸發(fā)器的防腐蝕問題。
參考文獻(xiàn):
[1]符建坤,歐陽海生,劉鳳珍.高濕地區(qū)風(fēng)冷熱泵蒸發(fā)器除霜控制研究[J].流體機(jī)械,2003,31(10):44-47
[2]陳歆儒.空氣源熱泵冷熱水機(jī)組空氣側(cè)換熱器結(jié)霜特性研究進(jìn)展[J].湖南工程學(xué)院學(xué)報,2007,17(1):39-
[3]姚楊,馬最良.空氣源熱泵冷熱水機(jī)組結(jié)霜工況研究現(xiàn)狀與進(jìn)展[J].哈爾濱建筑大學(xué)學(xué)報,2002,35(5):66-69
[4]王洋,江輝民,馬最良,等.增大蒸發(fā)器面積對延緩空氣源熱泵冷熱水機(jī)組結(jié)霜的實驗分析[J].暖通空調(diào),2006,36(7):83-87
[5]Baxter V D, Moyers J C. Field-measure cycling,frosting and 
defrosting losses for a high-efficiency air-source heat pump[G]∥
ASHRAE Trans, 1985, 91(2): 537-554
[6]武向紅,陳斌,鄭丹星.氨水吸收式制冷循環(huán)的熱力學(xué)分析[J].華北電力大學(xué)學(xué)報,2003,30(5):66-69
[7]萬忠民,舒水明.一種高效太陽能混合吸收式制冷循環(huán)系統(tǒng)[J].華中科技大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2003,31(1):100-102