75 kW低溫型空氣能采暖熱泵熱水機(jī)組設(shè)計(jì)

劉 璐

上海海事大學(xué)

0 前言

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，消耗了大量的資源，國家的發(fā)展目標(biāo)由原來的快速發(fā)展轉(zhuǎn)為可持續(xù)發(fā)展。目前，熱水器已經(jīng)“入住”了全球超過70%的家庭，國家的發(fā)展帶動(dòng)個(gè)人的發(fā)展，由以前的簡(jiǎn)衣陋食到現(xiàn)在對(duì)生活質(zhì)量的高要求，熱水作為一種生活資源需求量也越來越大，生活熱水的耗能也受到了人們廣泛的關(guān)注[1]。

目前在國內(nèi)，城市居民一般使用燃?xì)饣螂姛崴?，而在我國北方農(nóng)村光照時(shí)間長(zhǎng)，使用太陽能熱水器比較普遍[2]。其中，電熱水器耗能較多，不能達(dá)到合理節(jié)約能源的要求。此外，太陽能熱水器的使用有一定的條件，在光能不足的情況下不能產(chǎn)生熱水，只能依靠電能輔助加熱來彌補(bǔ)太陽能不充足的情況，從而也會(huì)造成資源浪費(fèi)現(xiàn)象。因此，面對(duì)我國能源日益緊缺的現(xiàn)狀，應(yīng)該加大發(fā)展節(jié)能技術(shù)的力度，推廣新型節(jié)能的產(chǎn)品。

空氣源熱泵熱水器是最新研發(fā)的用于供應(yīng)熱水的節(jié)能設(shè)備。它以熱泵為主體，用空氣作為低溫?zé)嵩磥磉M(jìn)行供熱。由于其使用的是隨處都有、無需其他成本且環(huán)保的空氣進(jìn)行換熱，因此空氣源熱泵熱水器在近幾年被迅速推廣[3]。

在北方嚴(yán)寒地區(qū)，生活熱水的供應(yīng)已成為一項(xiàng)基本的需求。人們對(duì)于熱水的需求不再局限于洗浴，而要擴(kuò)展到洗手、洗衣、地暖等整個(gè)家庭的用水。為了滿足北方寒冷地區(qū)對(duì)熱水的需求，低溫型空氣源熱泵熱水器得到發(fā)展。為了更好地提高空氣源熱泵熱水器在低溫工況下的適用范圍、改善其制熱性能，研究學(xué)者們提出了許多解決方案[5-7]。

本文針對(duì)北方寒冷地區(qū)設(shè)計(jì)空氣源熱泵熱水機(jī)組，在傳統(tǒng)空氣源熱泵熱水系統(tǒng)上進(jìn)行改進(jìn)。整體設(shè)計(jì)利用噴氣增焓制冷循環(huán)，實(shí)現(xiàn)空氣源熱泵在環(huán)境溫度為-20℃下的運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)合理經(jīng)濟(jì)地利用能源。

1 低溫型空氣源熱泵熱水機(jī)組工作原理及設(shè)計(jì)工況

空氣源熱泵熱水機(jī)組是利用逆卡諾循環(huán)的工作原理，通過熱泵對(duì)制冷劑做功從而使其發(fā)生顯著相變，實(shí)現(xiàn)不斷地吸熱與放熱。眾所周知，空氣源熱泵性能系數(shù)COP隨環(huán)境溫度降低而下降，在-25℃環(huán)境溫度下無法工作。此次設(shè)計(jì)中，空氣源熱泵在低溫工況下的制熱性能可以在噴氣增焓系統(tǒng)的作用下得以更好提升，從而使空氣源熱泵在低溫環(huán)境下運(yùn)行成為可能，擴(kuò)展了傳統(tǒng)空氣源熱泵的應(yīng)用范圍[8]。

空氣源熱泵在低溫環(huán)境下達(dá)到良好的運(yùn)行工況，整個(gè)系統(tǒng)一般采用噴氣增焓系統(tǒng)。噴氣增焓技術(shù)類似于汽車的“渦輪增壓”，該系統(tǒng)以噴氣增焓的壓縮機(jī)為基礎(chǔ)，當(dāng)壓縮機(jī)進(jìn)行一次壓縮后壓力可能沒有達(dá)到系統(tǒng)所需的壓力，這時(shí)需要利用壓縮機(jī)所帶的輔助進(jìn)氣口對(duì)處在的中間壓力制冷劑氣體吸入，使之與部分壓縮的制冷劑混合換熱，從而可以實(shí)現(xiàn)兩次壓縮均用一臺(tái)壓縮機(jī)[9]，并將主循環(huán)回路制冷劑的焓差進(jìn)一步加大。這也是該系統(tǒng)可以增焓的原因。

噴氣增焓空氣源熱泵熱水器機(jī)組循環(huán)流程見圖1。制冷劑循環(huán)過程分為以下四個(gè)流程：首先，四通換向閥通過管道連接接收來自壓縮機(jī)排出的高溫高壓氣體，如果外界環(huán)境比較冷，氣體經(jīng)過四通換向閥可以達(dá)到除霜的效果。其次，冷凝器位置在換向閥之后，換向閥無法改變制冷劑的狀態(tài)，進(jìn)入冷凝器的制冷劑狀態(tài)和進(jìn)入換向閥的制冷劑保持一致。制冷劑帶的熱量通過冷凝器傳遞到冷卻水中，使水的溫度升高。然后，在冷凝器和干燥過濾器的連接管道上裝有視液鏡，可以對(duì)制冷劑狀態(tài)有一個(gè)直觀的觀察。制冷劑中有時(shí)會(huì)帶有一些雜質(zhì)存在影響整個(gè)系統(tǒng)，所以需要進(jìn)行過濾排除。制冷劑從干燥過濾器出來，一部分到電子膨脹閥B后變?yōu)榈蜏氐蛪旱臍庖夯旌衔铮硪徊糠至鹘?jīng)主管道，兩部分制冷劑在經(jīng)濟(jì)器中相遇交換熱量。輔助回路的制冷劑氣體被升溫后被噴氣增焓壓縮機(jī)的輔助進(jìn)氣口吸入，進(jìn)行二次壓縮。主管道中的制冷劑通過另外一個(gè)節(jié)流部件：電子膨脹閥A降壓后流向蒸發(fā)器。最后，環(huán)境中的熱量被蒸發(fā)器中的制冷劑不斷吸收，狀態(tài)發(fā)生改變成氣體，隨后進(jìn)入壓縮機(jī)被壓縮，兩者之間設(shè)有氣液分離器。由此完成了一個(gè)完整的制冷循環(huán)[10-11]。

圖1 噴氣增焓系統(tǒng)流程圖

與傳統(tǒng)的空氣源熱泵系統(tǒng)相比，由噴氣增焓壓縮機(jī)完成的中間補(bǔ)氣階段是該系統(tǒng)最重要的一個(gè)階段，該階段由噴氣增焓(渦旋)壓縮機(jī)及經(jīng)濟(jì)器完成。因此，噴氣增焓(渦旋)壓縮機(jī)和經(jīng)濟(jì)器為整個(gè)機(jī)組的兩個(gè)核心部件。

2 低溫型空氣源熱泵熱水器熱力計(jì)算

噴氣增焓系統(tǒng)壓焓圖見圖2。經(jīng)過熱力計(jì)算可知，壓焓圖上各個(gè)點(diǎn)狀態(tài)參數(shù)見表1。

圖2 噴氣增焓系統(tǒng)實(shí)際壓焓圖

1)單位質(zhì)量制熱量

2)單位質(zhì)量壓縮機(jī)理論耗功

3)單位質(zhì)量壓縮機(jī)實(shí)際耗功

4)壓縮機(jī)排氣質(zhì)量流量

5)壓縮機(jī)吸氣質(zhì)量流量

6)壓縮機(jī)吸氣體積流量

表1 各點(diǎn)狀態(tài)參數(shù)

7)壓縮機(jī)理論耗功

8)壓縮機(jī)實(shí)際耗功

9)單位質(zhì)量制冷量10)制冷量

(11)性能系數(shù)

3 壓縮機(jī)選型計(jì)算

本次設(shè)計(jì)制熱量75 kW，應(yīng)選擇中型壓縮機(jī)。此次設(shè)計(jì)系統(tǒng)為噴氣增焓系統(tǒng)，因此對(duì)壓縮機(jī)的要求很高，應(yīng)選用低溫型噴氣增焓壓縮機(jī)[12]。

由熱力計(jì)算結(jié)果可知壓縮機(jī)實(shí)際耗功

壓縮機(jī)吸氣體積流量

對(duì)比各類型壓縮機(jī)性能，選擇艾默生旗下谷輪公司補(bǔ)氣增焓(渦旋)壓縮機(jī)，型號(hào)為ZW154KSP。壓縮機(jī)型號(hào)參數(shù)和適用范圍見表2。

表2 壓縮機(jī)參數(shù)

壓縮機(jī)測(cè)試工況：蒸發(fā)器溫度-5℃，冷凝溫度60℃，過熱度11 K，過冷度8.3 K。

EVI控制條件：排氣溫度＜115℃，經(jīng)濟(jì)器過熱度6 K。

排氣溫度＞115℃，調(diào)節(jié)噴射量使排氣溫度≤115℃。

比對(duì)所選壓縮機(jī)的制熱量以及所設(shè)計(jì)的低溫型空氣源熱泵熱水機(jī)組所需制熱量，此次設(shè)計(jì)擬采用兩臺(tái)谷輪補(bǔ)氣增焓壓縮機(jī)?，F(xiàn)由已知條件對(duì)壓縮機(jī)進(jìn)行校核計(jì)算：

1)容積系數(shù)

式中，C—相對(duì)余隙容積，

pk—冷凝壓力，p0—蒸發(fā)壓力，

M—多變膨脹系數(shù)，

Δpk—排氣閥壓力損失。

根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)取c=0.025，m=1。排氣壓力損失范圍為：(0.1-0.5)×pk，取 Δpk=0.12pk。從而計(jì)算得容積系數(shù)λv=0.368 5

2)壓力系數(shù)

式中，Δp0為吸氣閥壓損，取值為0.06p0。計(jì)算得壓力系數(shù)λp=0.019 8

3)溫度系數(shù)

由溫度系數(shù)計(jì)算公式可知：

式中，t0、tk分別表示蒸發(fā)溫度和冷凝溫度，其中：

計(jì)算得溫度系數(shù) λt=0.819 7

4)泄漏系數(shù)

根據(jù)泄漏系數(shù)的取值范圍，取泄漏系數(shù)λf=0.98，則輸氣系數(shù)：

壓縮機(jī)的輸氣量為：

將所計(jì)算的數(shù)據(jù)與上述實(shí)際輸氣量作比較相差不大，故符合要求。

4 冷凝器設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中，選取水冷式冷凝器，制冷劑走管外，冷卻水走管內(nèi)，冷卻水升溫后用于供應(yīng)生活熱水。此外由于冷凝器需要產(chǎn)生75 kW的熱量，熱量相對(duì)較大，一般的冷凝器無法達(dá)到要求，綜合考慮選擇臥式殼管式冷凝器，見圖3。

圖3 臥式殼管式冷凝器

查閱文獻(xiàn)[13-15]，計(jì)算可知，在此次設(shè)計(jì)中，傳熱管選用低肋管，分為四個(gè)流程，每流程平均管數(shù)15根，有效長(zhǎng)度為1.1 m，實(shí)際冷凝管長(zhǎng)度1.12 m。為了保證冷凝器可以達(dá)到更好的效果，在冷凝器進(jìn)出口及外殼包裹一層保溫材料。

5 冷卻空氣式蒸發(fā)器設(shè)計(jì)計(jì)算

本設(shè)計(jì)的機(jī)組是低溫型空氣源熱泵熱水機(jī)組，其主要目的是用于制熱水。運(yùn)用的能源是空氣能，即在換熱器中制冷劑與空氣進(jìn)行熱交換，因此選取冷卻空氣式蒸發(fā)器，由熱力計(jì)算得蒸發(fā)器所需冷負(fù)荷為30.75 kW，相對(duì)較小，所以本設(shè)計(jì)選擇表面式蒸發(fā)器。

本設(shè)計(jì)中，為了滿足機(jī)組的蒸發(fā)器的熱負(fù)荷，采用兩塊蒸發(fā)器并聯(lián)，安裝位置兩者呈V形。如圖4所示。則單個(gè)蒸發(fā)器所需達(dá)到的冷負(fù)荷為：

圖4 蒸發(fā)器V形放置示意圖

查閱文獻(xiàn)[13，16]計(jì)算可得，所設(shè)計(jì)的蒸發(fā)器的單管有效長(zhǎng)度2.071 m，總共有176根傳熱管，按照常見的排列方式正三角形叉排排列，翅片常選用平直套片。蒸發(fā)器寬2.1 m，高1.1 m，實(shí)際迎風(fēng)面積2.31 m。

6 制冷劑充注量的估算

在空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，制冷劑充注量對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的使用效果等各方面都存在影響，因此有一個(gè)最佳制冷劑充注量。系統(tǒng)中制冷劑的充注量不等于制冷量。充注量是指系統(tǒng)充注制冷劑的量，而制冷量是指系統(tǒng)在工作過程中，單位時(shí)間從密閉空間吸取的能量之和[17]。制冷劑的充注量會(huì)受到系統(tǒng)容積大小、制冷劑所處狀態(tài)及進(jìn)出口空氣干度的影響。制冷劑的充注量是系統(tǒng)中所有部件容納制冷劑的質(zhì)量總和。

式中Gt：管路中的制冷劑流量，此次設(shè)計(jì)取1.2。

查閱文獻(xiàn)[18]可知，為簡(jiǎn)化計(jì)算，常采用以下經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)制冷劑充注量進(jìn)行估算

其中，VH表示蒸發(fā)器容積，單位為L(zhǎng)；VK表示冷凝器容積，單位為L(zhǎng)。

以保證機(jī)組正常運(yùn)行。

7 輔助設(shè)備選型

一個(gè)完整的系統(tǒng)不僅僅只有蒸發(fā)器、冷凝器、壓縮機(jī)、節(jié)流機(jī)構(gòu)四大部件，一些輔助設(shè)備也是必不可少的，如干燥過濾器等。輔助設(shè)備的種類有很多，它們的作用也各不相同，基本上可以分為兩大類：一是維持循環(huán)正常進(jìn)行的設(shè)備裝置，如兩級(jí)壓縮的中間冷卻器等；二是用于改進(jìn)系統(tǒng)運(yùn)行的指標(biāo)與條件的設(shè)備裝置，如集油器、油分散器、氨液分離器以及各種貯液器等。

7.1 經(jīng)濟(jì)器選型

經(jīng)濟(jì)器相當(dāng)于是一個(gè)換熱器，其基本原理如同蒸發(fā)器和冷凝器的原理，制冷劑和外界環(huán)境進(jìn)行換熱，從而使制冷劑得以過冷[19]。為了滿足此次設(shè)計(jì)的制熱需求，所選用的經(jīng)濟(jì)器是板式換熱器。

計(jì)算選型如下：

主路出經(jīng)濟(jì)器狀態(tài)：

輔路進(jìn)經(jīng)濟(jì)器狀態(tài)：

輔路出經(jīng)濟(jì)器狀態(tài)：

經(jīng)濟(jì)器中換熱量：

查閱板換選型手冊(cè)，選擇舒瑞普(SWEP)半焊式半片系列，選用GL-19 NI/PI＊型板式換熱器。其可以使用的溫度范圍為-20～150℃，最高工作壓力高達(dá)2.5 MPa。型號(hào)參數(shù)見表3。

表3 SWEP板式換熱器型號(hào)參數(shù)

7.2 風(fēng)機(jī)選型

風(fēng)機(jī)是將輸入的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能的器件，它關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的輸配能耗，是非常重要的部分。根據(jù)風(fēng)量qv=102 50m3/h，風(fēng)阻ΔPw=84.75Pa，選擇T40型軸流通風(fēng)機(jī)，型號(hào)T40-2.5。風(fēng)機(jī)參數(shù)見表4。

表4 風(fēng)機(jī)參數(shù)

7.3 膨脹閥選型

膨脹閥是制冷循環(huán)中一個(gè)不可或缺的部件之一，一般安裝于儲(chǔ)液罐和蒸發(fā)器之間。膨脹閥對(duì)高溫高壓的制冷劑液體進(jìn)行節(jié)流使之成為低溫低壓的制冷劑蒸汽[20]。

7.3.1 主路膨脹閥選型

由第二部分熱力學(xué)計(jì)算可知，該系統(tǒng)蒸發(fā)溫度為-25℃時(shí)，蒸發(fā)壓力為0.329 4MPa；冷凝溫度為50℃時(shí)，冷凝壓力為3.071 1MPa。

根據(jù)丹佛斯選型軟件，采用型號(hào)為ETS Colibri 12C-12型電子膨脹閥，滿足設(shè)計(jì)要求。型號(hào)參數(shù)見表5。

表5 主路電子膨脹閥型號(hào)參數(shù)

7.3.2 輔路膨脹閥選型

根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)：所需制冷量為1.233kW，所用制冷劑為R410a。蒸發(fā)溫度T0=-10.7℃，蒸發(fā)壓力Pm=0.560 0MPa；冷凝溫度Tk=50℃，冷凝壓力Pk=3.071 1MPa。

根據(jù)丹佛斯選型軟件，采用型號(hào)為ETS 6-08型電子膨脹閥，滿足設(shè)計(jì)要求。型號(hào)參數(shù)見表6。

表6 輔路電子膨脹閥型號(hào)參數(shù)

7.4 四通換向閥選型

四通換向閥是制冷設(shè)備中不可或缺的部件之一，其工作原理是通過將制冷劑的流動(dòng)通道改變，從而使制冷劑的流向改變。本設(shè)計(jì)中，四通換向閥主要起到除霜的功效。所謂機(jī)組的除霜就是讓系統(tǒng)進(jìn)行的循環(huán)變?yōu)槟嫜h(huán)，不可以向室內(nèi)提供熱量，僅用于除霜，且會(huì)從室內(nèi)吸收部分熱量[21]。

制冷量為30.75 kW換算為13.2匹，因此選擇四通換向閥時(shí)選擇14匹的四通換向閥。

此次設(shè)計(jì)中選用的是浙江三花公司SHF-50-911D型四通換向閥。型號(hào)參數(shù)見表7。

表7 四通換向閥型號(hào)參數(shù)

7.5 干燥過濾器選型

熱泵機(jī)組內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)存在著水分及雜質(zhì)等，會(huì)對(duì)設(shè)備的性能和使用壽命等帶來負(fù)面作用，嚴(yán)重時(shí)可損壞壓縮機(jī)。干燥器和過濾器在熱泵部件中也是一個(gè)不容忽視的重要部件[22]。冷媒在干燥器中的安全流速為0.013～0.033 m/s之間，流速過快很容易使干燥劑變成粉狀。過濾器一般選擇與冷媒及潤(rùn)滑油相容的金屬細(xì)網(wǎng)，過濾網(wǎng)臟后可拆卸用汽油清洗，洗后的金屬網(wǎng)可第二次使用。

根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù):制熱量Qk=75 kW，蒸發(fā)溫度t0=-20℃，冷凝溫度tk=50℃，以及干燥過濾器在系統(tǒng)中所處的位置，選用丹佛斯公司型號(hào)為DCL/DML 032s的干燥過濾器。DCL干燥過濾器，適用于HFC和HCFC制冷劑。80%分子篩，20%活性鋁氧化物。型號(hào)參數(shù)見表8。

表8 干燥過濾器型號(hào)參數(shù)

7.6 氣液分離器選型

氣液分離器一般安裝在壓縮機(jī)進(jìn)、出口處用于將氣體和液體分離開來，從而提高設(shè)備的性能。選用強(qiáng)度大、氣密性好的氣液分離器可以更好地提高系統(tǒng)的制冷能力。在選型時(shí)，氣液分離器應(yīng)能容納50%系統(tǒng)的充灌量[23]。氣液分離器筒徑計(jì)算公式確定：

式中：D-筒體直徑(m)，qv-壓縮機(jī)理論輸氣量(m3/h)，w-氣液分離器內(nèi)氣體流速，一般取1.5m/s。

筒體高度

此次設(shè)計(jì)中選用的是15匹的氣液分離器，口徑為18 mm，筒體高度399 mm，滿足設(shè)計(jì)需求。

8 空氣源熱泵熱水器的水箱設(shè)計(jì)

根據(jù)商用空氣源熱泵熱水器水箱的容量，此次設(shè)計(jì)的75 kW空氣源熱泵熱水機(jī)組可以提供給約60人洗浴，故需要設(shè)計(jì)一個(gè)可供給60人同時(shí)使用的熱水水箱。按每人每天50～60L用水量的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，預(yù)設(shè)水箱容積為3 000 L[24]。水箱的進(jìn)水溫度預(yù)設(shè)為6℃，出水溫度為45℃。

水吸收的熱量為：

每小時(shí)向水箱中提供的熱量為(按每天10個(gè)小時(shí)計(jì)算)：

綜合考慮到加熱時(shí)間、使用人數(shù)可能會(huì)發(fā)生變化，預(yù)留一定的富余量，取=14kW。

9 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的是75 kW空氣源熱泵熱水機(jī)組在低溫工況(-20℃)下的運(yùn)行。整個(gè)設(shè)計(jì)完成后，結(jié)果證明噴氣增焓技術(shù)可以較好地?cái)U(kuò)展空氣源熱泵熱水器的適用范圍，對(duì)傳統(tǒng)空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)進(jìn)行改善。經(jīng)過綜合分析評(píng)價(jià)后，該機(jī)組最終設(shè)計(jì)結(jié)果如下：

1)制冷劑選用R410a，該制冷劑節(jié)能環(huán)保，被廣泛地運(yùn)用于空氣源熱泵熱水機(jī)組當(dāng)中。由熱力計(jì)算可知，機(jī)組的性能系數(shù)(COP)可達(dá)2.04，冷凝熱負(fù)荷為30.75 kW。

2)低溫型空氣源熱泵熱水機(jī)組采用的是噴氣增焓系統(tǒng)，在噴氣增焓系統(tǒng)中經(jīng)濟(jì)器和帶輔助補(bǔ)氣口的噴氣增焓壓縮機(jī)是其核心部件。此次設(shè)計(jì)中選用的艾默生旗下谷輪公司噴氣增焓壓縮機(jī)，型號(hào)為ZW154KSP。選用兩機(jī)并聯(lián)以滿足設(shè)計(jì)機(jī)組所需制熱量。

3)由于冷凝熱負(fù)荷為30.75 kW，相對(duì)較小，比對(duì)各類壓縮機(jī)的運(yùn)行范圍，且此次設(shè)計(jì)主要是為供應(yīng)熱水。因此冷凝器選擇臥式殼管式冷凝器，制冷劑在管外流動(dòng)，冷卻水走管程。在整個(gè)設(shè)計(jì)中，傳熱管選用低肋管，分為四個(gè)流程，每流程平均管數(shù)15根，有效長(zhǎng)度為1.1 m。

4)此次設(shè)計(jì)的熱水器是利用節(jié)能環(huán)保的空氣能，因此蒸發(fā)器選用表面式蒸發(fā)器，采用兩塊蒸發(fā)器并聯(lián)，按V形放置。在整個(gè)設(shè)計(jì)中，選用紫銅管作為傳熱管，并將管束按照正三角形叉排排列，總管數(shù)為176根，單管有效長(zhǎng)度2.071 m，翅片常選用平直套片。蒸發(fā)器寬2.1 m，高1.1 m，實(shí)際迎風(fēng)面積2.31 m。

5)制冷劑的充注量對(duì)于一個(gè)系統(tǒng)性能的影響很大，因此計(jì)算所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的制冷劑充注量十分重要。通過計(jì)算可知，整個(gè)系統(tǒng)共需要R410a約12 kg。