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多功能热泵热水器与新型冷凝换热器性能的研究

江斌  
【摘要】:热泵技术是一种行之有效的节能方法,广泛用于采暖和加热生活热水,节约大量高品位的电能、天然气和燃油等,减少CO2的排放,因此既有很大的经济效益,也有很大的社会效益,符合目前我国能源、环保的基本政策。热泵循环与制冷循环一样,只是前者利用冷凝器的排放热加热水,后者用蒸发器吸收室内空气显热来降温。目前市售的空气源热泵热水机和空调机都是独立使用,全年中两种设备都有大量闲置时间,因此研究开发四季都可用的具有冷暖空调热水三用的多功能热泵热水器,不仅可提高热泵设备利用率,而且在夏天冷热两用可以提高能效比,具有广阔的应用前景。但是,多功能热泵热水器在多路循环的组织,不同工况的整机和关键部件的性能都与空调机有很大区别,因此,本论文针对多功能热泵热水器系统开展了研究。 由于热泵热水器的出水温度相对一定在55℃左右,而环境气温变动很大,因此,本文首先对热泵热水器单独制热水和制冷制热水模态进行了热力学分析,揭示了热泵热水器的性能系数随环境温度、冷凝温度和蒸发温度的变化规律;在此基础上,与其它热水制取系统作了综合比较,分析了运用热泵技术制取热水的节能性和社会效益。 其次,本文提出一种多回路分立循环的多功能热泵热水器,在循环回路的组织上,仅仅在原有空调器上增加了较少的零部件,用最少的切换阀自动切换,组织了四种独立循环,实现了空调器和热水器的有机结合。夏天可以制热水兼制冷、单独制冷和单独制热水功能,春秋天可以热泵制热水功能,冬天可以供热水和供暖功能,提高了电器的利用率和充分发挥了热泵的节能效果。 再次,因为热水-冷凝换热器是实现热泵制热水的关键部件,传统的换热器不能满足热泵热水器的使用要求,所以本文提出了带导流套筒换热器和带肋盘管式紧凑换热器,并建立基本模型,利用Fluent软件对带导流套筒的热水换热器在零出水储水加热期和240L/h流量供水加热期的情况下的温度分布和水箱内部速度分布,并与普通的盘管浸泡式换热器进行了比较,结果表明本文方案的传热性能远优于后者,有关数据和分析为此类换热器的结构改进和优化提供了基础。对带肋盘状螺旋管双旋流逆流式换热器进行了相关的实验研究,获得其换热性能和流动阻力特性,并通过回归的方法获得此换热器的准则关联式,为该类型换热器性能的计算和设计提供了理论依据。 最后,将一台空调器改制成多功能的热泵热水器,并采用了带导流套筒换热器作为热水-冷凝热泵热水器,并建立了一套热泵热水器的性能测试装置,测试研究了多功能热泵热水器在多个模态及其转换运行时系统中的压力分布及其变化,实验结果显示,随着进入带导流套筒换热器水量的增加,总的传热系数也加大,由水量为120L/h时的430 W/m~2×K提高到240L/h时的625 W/m~2×K,考虑到套筒内水流速度很小,总的传热系数能达到此值表明这种水冷冷凝器是有效的。此外在冬季恶劣气候条件下该热泵热水器仍具有较高的性能系数,因此冬季使用仍可获得较好的节能效果;而夏季制冷气时在不影响冷气效果的同时还可免费获得热量,节能效果更明显。整套实验系统运行平稳,功能切换自如。 文末,在总结理论和实验研究结果的基础上,对热泵热水器进一步的研究工作提出了一些设想和建议。


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