噴氣增焓渦旋壓縮機在空氣源熱泵熱水器中的應用_圖文

1、文章編號 : 1005 0329(2008 09 0068 05噴氣增焓渦旋壓縮機在空氣源熱泵熱水器中的應用劉 強 , 樊水沖 , 何 珊(艾默生環(huán)境優(yōu)化技術 (蘇州 研發(fā)有限公司 , 江蘇蘇州 215021摘 要 : 結合噴氣增焓渦旋壓縮機技術 , 介紹了典型的帶經濟器或帶閃發(fā)器的空氣源熱泵熱水器機組設計 , 并著重對 帶閃發(fā)器的噴氣增焓熱泵機組運行時的特有問題進行分析 , 為噴氣增焓技術在空氣源熱泵熱水機組中的應用提供借鑒 。 關鍵詞 : 噴氣增焓 ; 空氣源熱泵熱水器 ; 經濟器 ; 閃發(fā)器中圖分類號 : T Q051. 5 文獻標識碼 : AAppli ca ti on of I n

2、jecti on Technology i n ASHP W HL Q F AN Shui -chong, HE Shan(E m ate ogies Research &Devel opment Co . , L td . , Suzhou 215021, China Abstract: ASHP WH is p r oved t o be a good water heating technol ogy . Due t o the comp ress or reliability concern it is in li m ited app licati on in the rel

3、atively l ow te mperature area . W ith the Vapor I njecti on Technol ogy, ASHP WH unit could be the good s olu 2 ti on for the l ow te mperature area . The typ ical AS HP WH unit with flash -tank and sub -cooler is intr oduced in this paper inclu 2 ding s ome s pecific expertise of the HP WH unit wi

4、th flash -tank design . It would be a good reference for ASHP WH app licati on in the l ow a mbient temperature in the com ing future .Key words: enhanced vapor injecti on; ASHP WH; econom izer; flash -tank1 引言目前市場上對生活熱水的制取主要有燃氣熱 水器 、 電熱水器 、 太陽能熱水器及各種熱源的熱泵 熱水器 , 其性能比較如表 1所示 ?？諝庠礋岜脽?水器由于具有安全 、 節(jié)能 、 環(huán)

5、保 、 壽命長 、 不排放毒 氣等諸多優(yōu)點 , 正受到社會各界的廣泛關注 14。 我國自 20世紀 90年代以來 , 大力推廣空氣源熱 泵熱水器在長江中下游等地區(qū) (中國氣候分區(qū)的 四區(qū)和五區(qū) 的應用 , 目前已取得顯著效果 。表 1 家用熱水器性能比較熱水器類別 燃氣熱水器 電熱水器 太陽能熱水器 空氣源熱泵熱水器耗用能源 煤氣 電 30%電 普通 噴氣增焓渦旋 單位熱值 14700kJ /m33612kJ /kW h 3612kJ /kW h 3612kJ /kW h 3612kJ /kW h 熱效率 0. 750. 952. 53. 64. 1能源單價 1. 2元 /m30. 5元 /k

6、W h 0. 5元 /kW h 0. 5元 /kW h 0. 5元 /kW h 初期投資 低 中 高 較高 較高 運行費用 3. 24. 281. 621. 120. 98安全性 有中毒 、 爆炸風險 有觸電危險 有觸電危險 無觸電危險 無觸電危險 使用壽命 68年 810年 1015年 1316年 1316年 注 :太陽能 40%由于陰天 , 需要電加熱 ; 運行費用以 200L 水溫升 35 計算 。 對于我國寒冷地區(qū) 、 嚴寒地區(qū) B 區(qū)和嚴寒地 區(qū) A 區(qū) , 如黃河流域 、 華北等地 , 現今仍采用燃 煤 、 燃油進行集中供熱 , 計量收費 , 這種加熱方式 , 污染環(huán)境 , 且效率

7、低下 , 不符合我國目前的發(fā)展要收稿日期 : 2008 08 1886 F LU ID MACH INERY Vol 136, No 109, 2008求 。 目前 , 政府正積極倡導更加節(jié)能環(huán)保的采暖 方式 , 但根據氣象資料 , 空氣源熱泵必須在 -15 的大氣環(huán)境中高效 、 可靠地長期運轉 , 才可以滿足我國寒冷地區(qū)的冬季采暖需求 25。因此研制推 廣適合于我國國情的低溫空氣源熱泵熱水機組是 我國建筑暖通業(yè)需解決的迫切課題 。 本文主要在 總結了噴氣增焓渦旋技術在我國南方熱泵市場成 功應用的基礎上 , 就噴氣增焓渦旋壓縮機在低溫 空氣源熱泵領域的應用進行分析 ?？諝庠礋岜脽崴畽C組主要由壓

8、縮機 、 冷凝器 、 蒸發(fā)器和膨脹閥四大部件組成 。 整個熱泵熱水器 的工作過程如圖 1所示 , 工質在蒸發(fā)器內吸收低 溫空氣中的熱量 , 壓縮機將工質壓縮 , 壓力相應提高 , , 出熱量 , 加熱熱水 , 溫 熱 。 通過這樣的循環(huán) 只需供給壓縮機的一小部 分電能 , 工質便可以從低溫環(huán)境中吸取大量的熱 量 , 加熱熱水 , 其能效比永遠高于 1 。圖 1 空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)示意目前南方市場上的普通空氣源熱泵熱水機組 無法在我國寒冷地區(qū)應用的根源在于 :(1 環(huán)境溫度的降低 , 制冷劑吸氣比容增大 , 制冷劑質量流量下降 , 制熱量也就相應的按比例 下降 。 相同匹數的系統(tǒng) , 在低溫環(huán)

9、境下工作 , 表現 出更小的制熱量 。制冷劑質量流量的下降 , 導致 馬達冷卻不充分 , 壓縮機頻繁出現過熱保護 ?？?氣源熱泵如果在零下 15 的環(huán)境溫度下加熱 55 的熱水 , 選用 R407C 制冷劑 , 壓縮比達到 15左右 , 壓縮比的增大 , 渦旋體內氣體泄漏量增大 , 一方面使輸氣系數降低 , 系統(tǒng) CO P 降低 ; 另外一 方面 , 由于重復壓縮 , 使低溫運行下本身已經很高 的壓縮機排氣溫度急劇升高 , 對壓縮機的可靠性 提出挑戰(zhàn) 。(2 水最終加熱溫度的提高 , 2008年 5月 1日我國正式實施 G B /T 21362-2008 商業(yè)或工 業(yè)及類似用途的熱泵熱水機 國

10、家標準 。標準中 規(guī)定熱水最終加熱溫度為 55 。 然而在歐洲 、 日 本等地區(qū) , 考慮到軍團病菌等影響 , 要求其熱泵熱 水器的出水溫度為 65 。因此 , 隨著人們對健康 意識的不斷提升 , 熱水最終加熱溫度有可能還會 進一步提高 。 熱泵熱水器出水溫度的提高直接影 響到機組的冷凝溫度 、 冷凝壓力及排氣溫度 , 致使 壓縮機負荷增大 , 。, 噴 , 是低溫熱泵熱水器機組開發(fā)的首49。 2 噴氣增焓渦旋壓縮機的技術特點圖 2為噴氣增焓壓縮機的典型結構 , 整個壓 縮機有兩個進氣口 , 吸氣口與蒸發(fā)器相連 , 中間噴 氣口與閃發(fā)器或經濟器氣側出口相連 , 通過中間 噴氣口 , 增加壓縮機

11、排氣量 (吸氣量與中間噴氣 量之和 , 從而增加冷凝器內制冷劑流量 ; 通過中 間器 (經濟器或閃發(fā)器 對工質深度過冷 , 增強從 低溫取熱的能力 。 基于這兩點 , 可以看出 :(1 噴 氣增焓技術能大大增強熱泵機組的低溫制熱能 力 ; (2 對渦旋壓縮腔噴入蒸汽 , 冷卻渦旋內的壓 縮氣體 , 降低排氣溫度 , 改善壓縮機的可靠性 ; (3 在低蒸發(fā)溫度時 , 增強渦旋內氣體的質量流 量 , 保證動靜渦旋之間有足夠的油氣潤滑 。圖 2 噴氣增焓壓縮機結構表 2描述了普通渦旋壓縮機與噴氣增焓渦旋壓縮機實測性能數據對比 , 可以看出 , 在蒸發(fā)溫度 -13 , 冷凝溫度 49 , 吸氣過熱 1

12、1 的運行狀態(tài)下 , 應用噴氣增焓技術 , 對于 R22制冷劑 , 制熱 量提高 19%, CO P 提高 9%, 排氣溫度降低 12%;962008年第 36卷第 09期 流 體 機 械 對于 R134a 制冷劑 , 制熱量提高約 24%, CO P 提高約 16%, 排氣溫度降低 8%。表 2 噴氣增焓壓縮機性能數據對比制冷劑 R22R134a壓縮機 噴氣增焓普通增加量噴氣增焓普通 增加量制熱量 (k W 5. 664. 7719%3. 702. 9724%功耗 (k W 2. 572. 359%1. 751. 638%CO P (W /W2. 202. 039%2. 111. 8316%

13、排氣溫度 ( 110125-12%9098- 8% 注 : 工況 :蒸發(fā)溫度-13 ; 冷凝溫度 49 。圖 3 渦旋排氣單向閥圖 4 渦旋排氣單向閥對 CO P 和排氣溫度的影響由于低的環(huán)境溫度及高的熱水溫度 , 壓縮機 壓縮比急劇增大 , 因此 , 針對于空氣源熱泵市場的 噴氣增焓渦旋壓縮機 , 在渦旋排氣口處應安裝有 單向閥 , 如圖 3所示 。傳統(tǒng)的渦旋壓縮機渦旋排 出的氣體直接進入排氣緩沖室 , 但對于低溫熱泵熱水機組 , 由于低的環(huán)境溫度 , 高的熱水溫度 , 壓 縮比很大 , 泄漏 、 重復壓縮導致排氣溫度升高 , 影 響壓縮機可靠性 。在低溫熱泵機組中 , 渦旋排氣 口增加單向

14、閥能有效降低壓縮機的排氣溫度和提 高低溫運行時的系統(tǒng)性能 。通過圖 4, 可以看出 , 渦旋排氣單向閥的應用 , 隨著室外環(huán)境溫度的降 低 , 能顯著提高系統(tǒng)的 CO P 及有效降低壓縮機的 排氣溫度 (相對于無渦旋體排氣單向閥 , 保證壓縮機低溫運行可靠性 典型的噴氣增焓熱泵熱水機組系統(tǒng)如圖 5所示 。 圖 5(a 是帶經濟器的熱泵熱水機組系統(tǒng) ; 圖 5(b 是帶閃發(fā)器的熱泵熱水機組系統(tǒng) 。兩者使 用了同樣的噴氣增焓渦旋壓縮機 。(a 帶經濟器(b 帶閃發(fā)器圖 5 噴氣增焓系統(tǒng)示意從圖 6中看出 , 由于噴氣增焓 , 渦旋壓縮機排氣口 (即經過冷凝器 的流量為蒸發(fā)器流量 m 和 輔助進口口

15、流量 i 之和 , 增強了冷凝器的換熱效 率 。 噴氣增焓 , 在排氣溫度不高的情況下 , 可以控 制節(jié)流閥優(yōu)化中間經濟器的換熱性能 , 獲得最大 的制熱量 , 在排氣溫度較高時 , 可以通過調節(jié)節(jié)流07 F LU ID MACH INERY Vol 136, No 109, 2008閥控制排氣溫度 , 保證壓縮機可靠運行 。對于制 熱量與 CO P , 理論上兩種噴氣增焓系統(tǒng)是相同 的 , 然而 , 帶經濟器和帶閃發(fā)器系統(tǒng)在實際運用中 也有著各自的特點 。(a 帶經濟器(b 帶閃發(fā)器圖 6 噴氣增焓系統(tǒng)焓差圖(a 帶經濟器(b 帶閃發(fā)器圖 7 噴氣增焓系統(tǒng)功能圖從圖 7中可知 , 在對吸氣口

16、與輔助進氣口的流量控制上 , 對于帶經濟器系統(tǒng) , 遵循模塊化獨立 設計原則 , 即蒸發(fā)器流量和中間噴氣流量分別由 兩個節(jié)流閥單獨控制 , 互不耦合 , 系統(tǒng)調節(jié)容易 , 且噴氣口壓力不會高于排氣壓力 , 不會產生回流 。但經濟器屬于換熱設備 , 系統(tǒng)的 CO P 受到經濟器 換熱效率的影響 。對于閃發(fā)器系統(tǒng) , 遵循耦合控 制原則 , 即任一節(jié)流閥調節(jié) , 都會影響到蒸發(fā)器流 量和中間噴氣流量 , 需要聯合控制 , 閃發(fā)器系統(tǒng)沒 有任何換熱溫差 , 系統(tǒng) CO P 理論上要優(yōu)于經濟器 系統(tǒng) 。 在實際運用中 , 由于控制難度大且噴氣口 會產生回流現象 , 這些因素都將影響閃發(fā)器系統(tǒng) 的 CO

17、 P 。為了論證實際噴氣增焓空氣源熱泵熱水機組 采用帶閃發(fā)器的噴 8所示 , 并 , 3, 在室外環(huán)境溫 , 制取 65 的熱水 , 噴氣增焓渦 , 加熱熱水時 間從 380m in 縮短到 260m in, 系統(tǒng)的制熱效率從 1. 43提升到 1. 72。圖 8 典型帶閃發(fā)器的熱泵熱水器機組 表 3 帶閃發(fā)器空氣源熱泵熱水機組運行數據熱泵機組特點 噴氣增焓渦旋普通渦旋制熱 (k W 2. 712. 04功率 (k W 1. 581. 43效率 1. 721. 43時間 (m in 260380熱水最終溫度 ( 6565熱水初始溫度 ( 2727溫差 ( 3838 注 :環(huán)境溫度為-10 ,

18、熱水最終出水溫度 65 , 加熱 200L熱水。4 帶閃發(fā)器噴氣增焓熱泵熱水機組設計注意點 4. 1 噴氣口存在回流問題渦旋壓縮機渦旋體內的噴氣口一般設在壓比 在 1. 32. 0之間的某個位置上 , 渦旋壓縮機在工172008年第 36卷第 09期 流 體 機 械 作時 , 隨著壓縮過程的進行 , 噴氣口固有壓力值會 上下波動 。 對于帶閃發(fā)器的熱泵機組 , 如果閃發(fā) 壓力不高于此噴氣口固有壓力值 , 噴氣口處的制 冷工質會產生工質回流現象 。 圖 9描述了不同環(huán) 境溫度下 , 噴氣壓比與水溫的變化關系 。假設此 時渦旋壓縮機固有的噴氣壓比為 2, 那么在此直 線以下的所有工況 , 都將產生

19、噴氣口工質回流現 象 。 影響熱泵機組的制熱能力及系統(tǒng)性能 。 目前 對于這一現象解決辦法有兩種 :(1 在高溫工況 時 , 直接通過圖 8所示的截止閥 , 關閉噴氣口 , 不 采用噴氣增焓技術 , 由于處于高溫工況 , 對制熱和 性能的影響并不大 :(2 采用噴氣口單向閥 , 阻止 噴氣口氣體回流 , , 閥會增加噪聲 , 圖 9 閃發(fā)器系統(tǒng)噴氣口工質回流現象4. 2 除霜問題對于熱泵熱水機組的除霜 , 目前有很多種方法 , 此處介紹帶閃發(fā)器噴氣增焓技術的熱泵熱水機 組的四通換向除霜模式 , 對照圖 8, 這種除霜模式 是利用已加熱的熱水熱量對室外蒸發(fā)器進行快速 除霜。 圖 10描述了帶閃發(fā)

20、器的熱泵熱水機組在 - 10 環(huán)境溫度下熱水溫度隨時間的變化關系。圖 10 四通閥除霜模式對熱水溫度的影響曲線中拐點表示機組為除霜模式 , 可以看出 ,除霜對熱水的溫降影響很小 , 且除霜迅速 , 一般在 3m in 左右便可以完成除霜 , 可以推廣應用 。需要注意的是 , 對帶閃發(fā)器的熱泵機組采用 四通換向除霜 , 必須在除霜時關閉截止閥 , 阻止工 質液體經閃發(fā)器由噴氣口進入壓縮機渦旋腔內 , 避免大量回液 。 5 結語, 對噴氣增焓 , , 。對常見的兩種帶噴氣增焓技術的熱泵熱水機 組進行比較分析 , 總結各自優(yōu)缺點 , 為噴氣增焓渦 旋壓縮機的機組設計提供一些建議 。對帶閃發(fā)器的噴氣增焓熱泵熱水機組設計和 運行時所應注意的一些特別問題列舉 , 為工程實 踐提供指導 。參考文獻1