一臺(tái)典型空氣源熱泵熱水器產(chǎn)品的火用分析

張銀瀟,李科群,湯 盛

(上海理工大學(xué)動(dòng)力工程學(xué)院,上海200093)

空氣源熱泵熱水器具有高效節(jié)能的優(yōu)點(diǎn),其耗電量約為同等容量電熱水器的1/4,而且加熱時(shí)間短、水電完全分離,作為一種節(jié)能的新產(chǎn)品雖然開(kāi)發(fā)時(shí)間不長(zhǎng),但已經(jīng)得到了市場(chǎng)的認(rèn)可,近年來(lái)發(fā)展迅速。當(dāng)然,與電熱器相比空氣源熱泵熱水器的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行過(guò)程比較復(fù)雜,每一個(gè)部件和每一步運(yùn)行都可能影響到最后的熱效率。為進(jìn)一步了解空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)的性能,本文將對(duì)一臺(tái)典型的空氣源熱泵熱水器產(chǎn)品進(jìn)行熱力學(xué)分析,包括對(duì)產(chǎn)品主要部件的運(yùn)行進(jìn)行火用分析,探索改進(jìn)的目標(biāo)。

1 空氣源熱泵熱水器結(jié)構(gòu)、運(yùn)行工況參數(shù)

本文的分析對(duì)象,是某公司的生產(chǎn)的KQR-76型空氣源熱泵熱水器,熱水器的額定輸入功率為17.6 kW,額定產(chǎn)熱量 75.8 kW,額定熱水溫度55℃,產(chǎn)水量1.63 m3/h。

1.1 結(jié)構(gòu)和運(yùn)行

空氣源熱泵熱水器主要由壓縮機(jī)、熱水交換器、膨脹閥和空氣熱交換器組成,如圖1所示。熱水器在運(yùn)行時(shí)通過(guò)液態(tài)工作介質(zhì)(KQR-76型采用制冷劑R22)在低溫低壓的蒸發(fā)器內(nèi)吸收外界空氣中的熱量(4→1過(guò)程),蒸發(fā)成蒸氣。經(jīng)壓縮機(jī)壓縮成高溫高壓蒸氣(1→2過(guò)程)。高溫高壓蒸氣再通過(guò)冷凝器放熱(2→3過(guò)程),加熱換熱器另一側(cè)的水。制冷劑經(jīng)過(guò)膨脹閥降壓降溫后(3→4過(guò)程),再回到蒸發(fā)器吸熱,如此反復(fù)循環(huán)。這樣,空氣中的低品位能量就能變?yōu)楦咂肺荒芰?提供給用戶(hù)[1]。

1.2 各狀態(tài)點(diǎn)的熱力學(xué)參數(shù)

根據(jù)空氣源熱泵熱水器在運(yùn)行時(shí),系統(tǒng)各點(diǎn)(即圖1中所示各點(diǎn))測(cè)得的溫度 T和壓強(qiáng)p等參數(shù)值,到制冷劑R22的壓焓圖查得狀態(tài)點(diǎn)1,2,3,4點(diǎn)的比焓h和比熵s,到未飽和水與過(guò)熱蒸汽表里查得狀態(tài)點(diǎn)5和6點(diǎn)的比焓h和比熵s,到空氣焓-熵圖查(或蒸汽焓-熵圖)得狀態(tài)點(diǎn)7和8點(diǎn)的比焓h和比熵s,再根據(jù)計(jì)算公式得比火用ex,而比火用ex與各運(yùn)行系統(tǒng)的質(zhì)量流量乘積就是火用EX。圖1中各狀態(tài)點(diǎn)的熱力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

1.3 效能指標(biāo)

和電動(dòng)熱泵型空調(diào)或者其他常用的制冷設(shè)備一樣,目前的空氣源熱泵熱水器效能指標(biāo)也采用性能系數(shù)(COP)和制冷系數(shù)(EER)來(lái)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

圖1 空氣源熱泵熱水器的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行原理

表1 空氣源熱泵熱水器各個(gè)點(diǎn)的工況參數(shù)

但是本文將運(yùn)用性能系數(shù)(COP)與一次能源利用率(PER)對(duì)熱泵進(jìn)行評(píng)估,后者是指供熱量與熱泵消耗功量折合成一次能量的比值[2]。

假設(shè)系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài),由于流體在輸送過(guò)程中能量損失和流動(dòng)損失比較小,因此對(duì)其予以忽略。性能系數(shù):

式中:Q h為制熱量,根據(jù)產(chǎn)品說(shuō)明本案取75.8 kW;W0為熱水器的額定輸入功率,本案為 17.6 kW;ηεy為電廠的供電效率(供電量與燃料的發(fā)熱量之比),一般為35%左右;ηi為壓縮機(jī)的指示效率,取 0.95;ηm為壓縮機(jī)的摩擦效率,取0.95;ηd為傳動(dòng)效率,取0.95;ηo為電動(dòng)機(jī)的效率,取0.95。

根據(jù)式(1)和式(2),KQR-76型空氣源熱泵熱水器的COP為3.51,PER為1.23。

2 空氣源熱泵熱水器的火用計(jì)算

火用效率是指把系統(tǒng)或設(shè)備中作為收益的火用與作為代價(jià)的火用之比值,即作為收益的火用/作為代價(jià)的火用?；鹩脫p失包括在不可逆過(guò)程中產(chǎn)生的火用耗散和在系統(tǒng)與環(huán)境的相互作用中產(chǎn)生的火用損失?？諝庠礋岜脽崴鞯幕鹩脫p失為系統(tǒng)各部件的各項(xiàng)火用損失之和:

火用損失系數(shù)是指用能系統(tǒng)或設(shè)備的某一環(huán)節(jié)的火用損失占全部火用損失的比例,因此它明確了系統(tǒng)或設(shè)備的火用損失分布情況。熱力學(xué)完善度則是指某一過(guò)程或環(huán)節(jié)的輸出火用與輸入火用的比值ε,顯然0≤ε≤1。ε越小的環(huán)節(jié)不可逆損失越大,是用能改進(jìn)的主要目標(biāo)[4]。

根據(jù)文獻(xiàn)[5-9],可得壓縮機(jī)的火用損失、火用損失系數(shù)、火用效率的計(jì)算公式;熱水交換器的火用損失、火用損失系數(shù)、火用效率、熱力完善度的計(jì)算公式;膨脹閥的火用損失、火用損失系數(shù)、熱力完善度的計(jì)算公式;空氣熱交換器的火用損失、火用損失系數(shù)、火用效率、熱力完善度的計(jì)算公式;空氣源熱泵系統(tǒng)的火用效率、熱力完善度的計(jì)算公式。

2.1 壓縮機(jī)

輸入壓縮機(jī)的功量W 為21.6 kW,壓縮機(jī)中工質(zhì)進(jìn)口的火用值EX1,根據(jù)表1為15.42 kW;壓縮機(jī)中工質(zhì)出口的火用值EX 2,根據(jù)表1為24.53 kW。

由此可以得到壓縮機(jī)的火用損失為12.49 kW。

式中:∑EX為空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)的火用損失23.38 kW,

可以得到壓縮機(jī)的火用損失系數(shù)為0.534 2。

(3) 火用效率

由此可以得到壓縮機(jī)的火用效率為0.421 7。

(4) 熱力學(xué)完善度

由此可以得到壓縮機(jī)的熱力學(xué)完善度為0.662 6。

2.2 熱水交換器

EX 2為熱水交換器中工質(zhì)入口的火用值,也是壓縮機(jī)中工質(zhì)出口的火用值,根據(jù)表1為24.53 kW;EX 3熱水交換器中工質(zhì)出口的火用值,也是膨脹閥中工質(zhì)入口的火用值,根據(jù)表1為18.78 kW;EX 5和EX 6分別為熱水交換器中冷卻水進(jìn)出口火用值,根據(jù)表1分別為0 kW和3.71 kW。

(1) 火用損失

EXcond=(EX2-EX3)-(EX6-EX5)由此可以得到熱水交換器的火用損失為2.04 kW。

(2) 火用損失系數(shù)

式中:∑EX為空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)的火用損失23.38 kW。

由此可以得到熱水交換器的火用損失系數(shù)為0.087 3。

(3) 火用效率

由此可以得到熱水交換器的火用效率為0.645 2。

(4) 熱力學(xué)完善度由此可以得到熱水交換器的熱力學(xué)完善度為0.916 8。

2.3 膨脹閥

工質(zhì)在膨脹閥中的節(jié)流過(guò)程是一個(gè)等焓過(guò)程,h3=h4。EX3熱水交換器中工質(zhì)出口的火用值,也是膨脹閥中工質(zhì)入口的火用值;EX4為膨脹閥中工質(zhì)出口的火用值,也是空氣熱交換器中工質(zhì)入口的火用值。

(1) 火用損失

由此可以得到膨脹閥的火用損失為1.93 kW。

(2) 火用 損失系數(shù)

由此可以得到膨脹閥的火用損失系數(shù)為0.082 55。

(3) 熱力學(xué)完善度

由此可以得到熱水換熱器的熱力學(xué)完善度為0.897 2。

2.4 空氣熱交換器

EX1為壓縮機(jī)中工質(zhì)進(jìn)口的火用值,也是空氣熱交換器中工質(zhì)出口的火用值;根據(jù)表1為15.42 kW。EX 4為膨脹閥中工質(zhì)出口的火用值,也是空氣熱交換器中工質(zhì)入口的火用值,根據(jù)表1為16.85 kW。EX 7和EX8分別為空氣熱交換器前后火用值,根據(jù)表1分別為0 kW和-8.35 kW。

(1) 火用 損失

由此可以得到空氣熱交換器的火用損失為6.92 kW。

(2) 火用損失系數(shù)

式中:∑EX為空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)的火用損失23.38 kW。由此可以得到空氣熱交換器的火用損失系數(shù)為0.296 0。

(3) 火用 效率

由此可以得到空氣熱交換器的火用效率為0.171 3。

(4) 熱力學(xué)完善度

由此可以得到空氣熱交換器的熱力學(xué)完善度為0.419 58。

2.5 空氣源熱泵系統(tǒng)

EX5和EX6分別為空氣源熱泵系統(tǒng)中冷卻水進(jìn)出口火用值,根據(jù)表1分別為0 kW 和3.71 kW。

EX7和EX 8分別為空氣源熱泵系統(tǒng)前后火用值,根據(jù)表1分別為0 kW和-8.35 kW,W 為輸入壓縮機(jī)的功量,kW,根據(jù)上面得21.6 kW。

(1) 火用效率

由此可以得到空氣源熱泵系統(tǒng)的火用效率為0.171 8。

(2) 熱力學(xué)完善度

由此可以得到空氣源熱泵系統(tǒng)的熱力學(xué)完善度為0.558 3。

3 火用計(jì)算結(jié)果的分析

上述的計(jì)算結(jié)果可以總結(jié)如表2。

表2 空氣源熱泵和各部件的火用計(jì)算結(jié)果

從表可以看出,在運(yùn)行時(shí),系統(tǒng)的火用效率低于大多數(shù)設(shè)備的火用效率,這是由空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)的特性和火用效率計(jì)算的原理決定的。設(shè)備的火用效率反映了設(shè)備的熱力過(guò)程的不可逆性,在系統(tǒng)效率的計(jì)算中,反映了系統(tǒng)的不可逆程度,而系統(tǒng)的不可逆是各個(gè)設(shè)備不可逆性的綜合,這就使得系統(tǒng)的火用效率低于大多數(shù)設(shè)備的火用效率。

熱水交換器的熱力學(xué)完善度為0.916 8,而火用效率為0.645 2,說(shuō)明熱力完善度高的設(shè)備火用效率不一定很高。膨脹閥的熱力學(xué)完善度為0.90,而火用效率為0,可以推知,當(dāng)設(shè)備的火用效率為零時(shí),其熱力學(xué)完善度可以不等于零,表明此設(shè)備的熱力學(xué)完善性不一定最差,如對(duì)輸出的無(wú)效火用進(jìn)行再生或再利用的話(huà),仍可以獲得節(jié)能效益,只有當(dāng)設(shè)備的火用效率和熱力學(xué)完善度都很低的時(shí)候才能判斷該設(shè)備的性能較差。所以評(píng)價(jià)設(shè)備或系統(tǒng)的用能性能時(shí),應(yīng)該把熱力學(xué)完善度和火用效率結(jié)合起來(lái)加以考慮。

壓縮機(jī)和空氣熱交換器的熱力學(xué)完善度較低,不可逆損失較大,應(yīng)是用能改進(jìn)的主要目標(biāo);空氣熱交換器的火用效率(0.171 3)是系統(tǒng)火用效率最低的,并且熱力完善度(0.419 6)也是系統(tǒng)熱力完善度最低的,這表明,要想提高整個(gè)系統(tǒng)的用能效率,就必須先提高空氣熱交換器設(shè)備的效率。

4 結(jié)論

(1)KQR-76型空氣源熱泵熱水器的性能系數(shù)COP(3.51)雖然高,但不能夠表明系統(tǒng)各部件對(duì)能量品質(zhì)利用已經(jīng)很合理了,還必須通過(guò)對(duì)空氣源熱泵熱水器的各部件進(jìn)行火用效率、火用損失、火用損失系數(shù)、熱力學(xué)完善度的分析,明確系統(tǒng)各部件對(duì)能量品質(zhì)利用的情況。

(2)空氣熱交換器的火用效率是系統(tǒng)火用效率最低的,并且熱力完善度也是系統(tǒng)熱力完善度最低的,表明系統(tǒng)中還可能有不合理處,可以通過(guò)對(duì)空氣熱交換器進(jìn)行技術(shù)改造,提高其換熱性能,可以進(jìn)一步節(jié)約能源。

(3)空氣源熱泵系統(tǒng)包括熱泵機(jī)組、空氣源系統(tǒng)和末端熱水用戶(hù)系統(tǒng)三個(gè)主要部分,本文主要對(duì)熱泵機(jī)組、空氣源系統(tǒng)進(jìn)行了熱力學(xué)分析,要使整個(gè)系統(tǒng)的能源利用進(jìn)一步完善,還需對(duì)末端熱水用戶(hù)系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步研究。

(4)本文的熱力學(xué)分析方法,不只是能分析空氣源熱泵熱水器類(lèi)產(chǎn)品,對(duì)于其它(空調(diào)、冰箱、冷庫(kù)等)系統(tǒng),只要能測(cè)出各部件前后運(yùn)行狀態(tài)點(diǎn)參數(shù),就可按照本文對(duì)空氣源熱泵熱水器的熱力學(xué)分析方法去評(píng)價(jià)系統(tǒng)各部件對(duì)能量品質(zhì)利用的情況。

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