張銀瀟,李科群,湯 盛

(上海理工大學(xué)動力工程學(xué)院,上海200093)

空氣源熱泵熱水器具有高效節(jié)能的優(yōu)點,其耗電量約為同等容量電熱水器的1/4,而且加熱時間短、水電完全分離,作為一種節(jié)能的新產(chǎn)品雖然開發(fā)時間不長,但已經(jīng)得到了市場的認可,近年來發(fā)展迅速。當然,與電熱器相比空氣源熱泵熱水器的結(jié)構(gòu)和運行過程比較復(fù)雜,每一個部件和每一步運行都可能影響到最后的熱效率。為進一步了解空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)的性能,本文將對一臺典型的空氣源熱泵熱水器產(chǎn)品進行熱力學(xué)分析,包括對產(chǎn)品主要部件的運行進行火用分析,探索改進的目標。

1 空氣源熱泵熱水器結(jié)構(gòu)、運行工況參數(shù)

本文的分析對象,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)和運行

空氣源熱泵熱水器主要由壓縮機、熱水交換器、膨脹閥和空氣熱交換器組成,如圖1所示。熱水器在運行時通過液態(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過程),蒸發(fā)成蒸氣。經(jīng)壓縮機壓縮成高溫高壓蒸氣(1→2過程)。高溫高壓蒸氣再通過冷凝器放熱(2→3過程),加熱換熱器另一側(cè)的水。制冷劑經(jīng)過膨脹閥降壓降溫后(3→4過程),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[1]。

1.2 各狀態(tài)點的熱力學(xué)參數(shù)

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

1.3 效能指標

和電動熱泵型空調(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也采用性能系數(shù)(COP)和制冷系數(shù)(EER)來進行評價。

圖1 空氣源熱泵熱水器的結(jié)構(gòu)和運行原理

表1 空氣源熱泵熱水器各個點的工況參數(shù)

但是本文將運用性能系數(shù)(COP)與一次能源利用率(PER)對熱泵進行評估,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),由于流體在輸送過程中能量損失和流動損失比較小,因此對其予以忽略。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為壓縮機的指示效率,取 0.95;ηm為壓縮機的摩擦效率,取0.95;ηd為傳動效率,取0.95;ηo為電動機的效率,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的火用之比值,即作為收益的火用/作為代價的火用?；鹩脫p失包括在不可逆過程中產(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,是用能改進的主要目標[4]。

根據(jù)文獻[5-9],可得壓縮機的火用損失、火用損失系數(shù)、火用效率的計算公式;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、熱力完善度的計算公式;空氣源熱泵系統(tǒng)的火用效率、熱力完善度的計算公式。

2.1 壓縮機

輸入壓縮機的功量W 為21.6 kW,壓縮機中工質(zhì)進口的火用值EX1,根據(jù)表1為15.42 kW;壓縮機中工質(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)流過程是一個等焓過程,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為壓縮機中工質(zhì)進口的火用值,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 火用計算結(jié)果的分析

上述的計算結(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算結(jié)果

從表可以看出,在運行時,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)備的熱力過程的不可逆性,在系統(tǒng)效率的計算中,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,當設(shè)備的火用效率為零時,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,如對輸出的無效火用進行再生或再利用的話,仍可以獲得節(jié)能效益,只有當設(shè)備的火用效率和熱力學(xué)完善度都很低的時候才能判斷該設(shè)備的性能較差。所以評價設(shè)備或系統(tǒng)的用能性能時,應(yīng)該把熱力學(xué)完善度和火用效率結(jié)合起來加以考慮。

壓縮機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)是用能改進的主要目標;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)各部件對能量品質(zhì)利用已經(jīng)很合理了,還必須通過對空氣源熱泵熱水器的各部件進行火用效率、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,可以通過對空氣熱交換器進行技術(shù)改造,提高其換熱性能,可以進一步節(jié)約能源。

(3)空氣源熱泵系統(tǒng)包括熱泵機組、空氣源系統(tǒng)和末端熱水用戶系統(tǒng)三個主要部分,本文主要對熱泵機組、空氣源系統(tǒng)進行了熱力學(xué)分析,要使整個系統(tǒng)的能源利用進一步完善,還需對末端熱水用戶系統(tǒng)進行進一步研究。

(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產(chǎn)品,對于其它(空調(diào)、冰箱、冷庫等)系統(tǒng),只要能測出各部件前后運行狀態(tài)點參數(shù),就可按照本文對空氣源熱泵熱水器的熱力學(xué)分析方法去評價系統(tǒng)各部件對能量品質(zhì)利用的情況。

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