喷气增焓涡旋压缩机在空气源热泵热水器中的应用_图文

1、文章编号 : 1005 0329(2008 09 0068 05喷气增焓涡旋压缩机在空气源热泵热水器中的应用刘 强 , 樊水冲 , 何 珊(艾默生环境优化技术 (苏州 研发有限公司 , 江苏苏州 215021摘 要 : 结合喷气增焓涡旋压缩机技术 , 介绍了典型的带经济器或带闪发器的空气源热泵热水器机组设计 , 并着重对 带闪发器的喷气增焓热泵机组运行时的特有问题进行分析 , 为喷气增焓技术在空气源热泵热水机组中的应用提供借鉴 。 关键词 : 喷气增焓 ; 空气源热泵热水器 ; 经济器 ; 闪发器中图分类号 : T Q051. 5 文献标识码 : 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 引言目前市场上对生活热水的制取主要有燃气热 水器 、 电热水器 、 太阳能热水器及各种热源的热泵 热水器 , 其性能比较如表 1所示 。空气源热泵热 水器由于具有安全 、 节能 、 环

5、保 、 寿命长 、 不排放毒 气等诸多优点 , 正受到社会各界的广泛关注 14。 我国自 20世纪 90年代以来 , 大力推广空气源热 泵热水器在长江中下游等地区 (中国气候分区的 四区和五区 的应用 , 目前已取得显著效果 。表 1 家用热水器性能比较热水器类别 燃气热水器 电热水器 太阳能热水器 空气源热泵热水器耗用能源 煤气 电 30%电 普通 喷气增焓涡旋 单位热值 14700kJ /m33612kJ /kW h 3612kJ /kW h 3612kJ /kW h 3612kJ /kW h 热效率 0. 750. 952. 53. 64. 1能源单价 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 初期投资 低 中 高 较高 较高 运行费用 3. 24. 281. 621. 120. 98安全性 有中毒 、 爆炸风险 有触电危险 有触电危险 无触电危险 无触电危险 使用寿命 68年 810年 1015年 1316年 1316年 注 :太阳能 40%由于阴天 , 需要电加热 ; 运行费用以 200L 水温升 35 计算 。 对于我国寒冷地区 、 严寒地区 B 区和严寒地 区 A 区 , 如黄河流域 、 华北等地 , 现今仍采用燃 煤 、 燃油进行集中供热 , 计量收费 , 这种加热方式 , 污染环境 , 且效率

7、低下 , 不符合我国目前的发展要收稿日期 : 2008 08 1886 F LU ID MACH INERY Vol 136, No 109, 2008求 。 目前 , 政府正积极倡导更加节能环保的采暖 方式 , 但根据气象资料 , 空气源热泵必须在 -15 的大气环境中高效 、 可靠地长期运转 , 才可以满足我国寒冷地区的冬季采暖需求 25。因此研制推 广适合于我国国情的低温空气源热泵热水机组是 我国建筑暖通业需解决的迫切课题 。 本文主要在 总结了喷气增焓涡旋技术在我国南方热泵市场成 功应用的基础上 , 就喷气增焓涡旋压缩机在低温 空气源热泵领域的应用进行分析 。空气源热泵热水机组主要由压

8、缩机 、 冷凝器 、 蒸发器和膨胀阀四大部件组成 。 整个热泵热水器 的工作过程如图 1所示 , 工质在蒸发器内吸收低 温空气中的热量 , 压缩机将工质压缩 , 压力相应提高 , , 出热量 , 加热热水 , 温 热 。 通过这样的循环 只需供给压缩机的一小部 分电能 , 工质便可以从低温环境中吸取大量的热 量 , 加热热水 , 其能效比永远高于 1 。图 1 空气源热泵热水器系统示意目前南方市场上的普通空气源热泵热水机组 无法在我国寒冷地区应用的根源在于 :(1 环境温度的降低 , 制冷剂吸气比容增大 , 制冷剂质量流量下降 , 制热量也就相应的按比例 下降 。 相同匹数的系统 , 在低温环

9、境下工作 , 表现 出更小的制热量 。制冷剂质量流量的下降 , 导致 马达冷却不充分 , 压缩机频繁出现过热保护 。空 气源热泵如果在零下 15 的环境温度下加热 55 的热水 , 选用 R407C 制冷剂 , 压缩比达到 15左右 , 压缩比的增大 , 涡旋体内气体泄漏量增大 , 一方面使输气系数降低 , 系统 CO P 降低 ; 另外一 方面 , 由于重复压缩 , 使低温运行下本身已经很高 的压缩机排气温度急剧升高 , 对压缩机的可靠性 提出挑战 。(2 水最终加热温度的提高 , 2008年 5月 1日我国正式实施 G B /T 21362-2008 商业或工 业及类似用途的热泵热水机 国

10、家标准 。标准中 规定热水最终加热温度为 55 。 然而在欧洲 、 日 本等地区 , 考虑到军团病菌等影响 , 要求其热泵热 水器的出水温度为 65 。因此 , 随着人们对健康 意识的不断提升 , 热水最终加热温度有可能还会 进一步提高 。 热泵热水器出水温度的提高直接影 响到机组的冷凝温度 、 冷凝压力及排气温度 , 致使 压缩机负荷增大 , 。, 喷 , 是低温热泵热水器机组开发的首49。 2 喷气增焓涡旋压缩机的技术特点图 2为喷气增焓压缩机的典型结构 , 整个压 缩机有两个进气口 , 吸气口与蒸发器相连 , 中间喷 气口与闪发器或经济器气侧出口相连 , 通过中间 喷气口 , 增加压缩机

11、排气量 (吸气量与中间喷气 量之和 , 从而增加冷凝器内制冷剂流量 ; 通过中 间器 (经济器或闪发器 对工质深度过冷 , 增强从 低温取热的能力 。 基于这两点 , 可以看出 :(1 喷 气增焓技术能大大增强热泵机组的低温制热能 力 ; (2 对涡旋压缩腔喷入蒸汽 , 冷却涡旋内的压 缩气体 , 降低排气温度 , 改善压缩机的可靠性 ; (3 在低蒸发温度时 , 增强涡旋内气体的质量流 量 , 保证动静涡旋之间有足够的油气润滑 。图 2 喷气增焓压缩机结构表 2描述了普通涡旋压缩机与喷气增焓涡旋压缩机实测性能数据对比 , 可以看出 , 在蒸发温度 -13 , 冷凝温度 49 , 吸气过热 1

12、1 的运行状态下 , 应用喷气增焓技术 , 对于 R22制冷剂 , 制热 量提高 19%, CO P 提高 9%, 排气温度降低 12%;962008年第 36卷第 09期 流 体 机 械 对于 R134a 制冷剂 , 制热量提高约 24%, CO P 提高约 16%, 排气温度降低 8%。表 2 喷气增焓压缩机性能数据对比制冷剂 R22R134a压缩机 喷气增焓普通增加量喷气增焓普通 增加量制热量 (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、排气温度 ( 110125-12%9098- 8% 注 : 工况 :蒸发温度-13 ; 冷凝温度 49 。图 3 涡旋排气单向阀图 4 涡旋排气单向阀对 CO P 和排气温度的影响由于低的环境温度及高的热水温度 , 压缩机 压缩比急剧增大 , 因此 , 针对于空气源热泵市场的 喷气增焓涡旋压缩机 , 在涡旋排气口处应安装有 单向阀 , 如图 3所示 。传统的涡旋压缩机涡旋排 出的气体直接进入排气缓冲室 , 但对于低温热泵热水机组 , 由于低的环境温度 , 高的热水温度 , 压 缩比很大 , 泄漏 、 重复压缩导致排气温度升高 , 影 响压缩机可靠性 。在低温热泵机组中 , 涡旋排气 口增加单向

14、阀能有效降低压缩机的排气温度和提 高低温运行时的系统性能 。通过图 4, 可以看出 , 涡旋排气单向阀的应用 , 随着室外环境温度的降 低 , 能显著提高系统的 CO P 及有效降低压缩机的 排气温度 (相对于无涡旋体排气单向阀 , 保证压缩机低温运行可靠性 典型的喷气增焓热泵热水机组系统如图 5所示 。 图 5(a 是带经济器的热泵热水机组系统 ; 图 5(b 是带闪发器的热泵热水机组系统 。两者使 用了同样的喷气增焓涡旋压缩机 。(a 带经济器(b 带闪发器图 5 喷气增焓系统示意从图 6中看出 , 由于喷气增焓 , 涡旋压缩机排气口 (即经过冷凝器 的流量为蒸发器流量 m 和 辅助进口口

15、流量 i 之和 , 增强了冷凝器的换热效 率 。 喷气增焓 , 在排气温度不高的情况下 , 可以控 制节流阀优化中间经济器的换热性能 , 获得最大 的制热量 , 在排气温度较高时 , 可以通过调节节流07 F LU ID MACH INERY Vol 136, No 109, 2008阀控制排气温度 , 保证压缩机可靠运行 。对于制 热量与 CO P , 理论上两种喷气增焓系统是相同 的 , 然而 , 带经济器和带闪发器系统在实际运用中 也有着各自的特点 。(a 带经济器(b 带闪发器图 6 喷气增焓系统焓差图(a 带经济器(b 带闪发器图 7 喷气增焓系统功能图从图 7中可知 , 在对吸气口

16、与辅助进气口的流量控制上 , 对于带经济器系统 , 遵循模块化独立 设计原则 , 即蒸发器流量和中间喷气流量分别由 两个节流阀单独控制 , 互不耦合 , 系统调节容易 , 且喷气口压力不会高于排气压力 , 不会产生回流 。但经济器属于换热设备 , 系统的 CO P 受到经济器 换热效率的影响 。对于闪发器系统 , 遵循耦合控 制原则 , 即任一节流阀调节 , 都会影响到蒸发器流 量和中间喷气流量 , 需要联合控制 , 闪发器系统没 有任何换热温差 , 系统 CO P 理论上要优于经济器 系统 。 在实际运用中 , 由于控制难度大且喷气口 会产生回流现象 , 这些因素都将影响闪发器系统 的 CO

17、 P 。为了论证实际喷气增焓空气源热泵热水机组 采用带闪发器的喷 8所示 , 并 , 3, 在室外环境温 , 制取 65 的热水 , 喷气增焓涡 , 加热热水时 间从 380m in 缩短到 260m in, 系统的制热效率从 1. 43提升到 1. 72。图 8 典型带闪发器的热泵热水器机组 表 3 带闪发器空气源热泵热水机组运行数据热泵机组特点 喷气增焓涡旋普通涡旋制热 (k W 2. 712. 04功率 (k W 1. 581. 43效率 1. 721. 43时间 (m in 260380热水最终温度 ( 6565热水初始温度 ( 2727温差 ( 3838 注 :环境温度为-10 ,

18、热水最终出水温度 65 , 加热 200L热水。4 带闪发器喷气增焓热泵热水机组设计注意点 4. 1 喷气口存在回流问题涡旋压缩机涡旋体内的喷气口一般设在压比 在 1. 32. 0之间的某个位置上 , 涡旋压缩机在工172008年第 36卷第 09期 流 体 机 械 作时 , 随着压缩过程的进行 , 喷气口固有压力值会 上下波动 。 对于带闪发器的热泵机组 , 如果闪发 压力不高于此喷气口固有压力值 , 喷气口处的制 冷工质会产生工质回流现象 。 图 9描述了不同环 境温度下 , 喷气压比与水温的变化关系 。假设此 时涡旋压缩机固有的喷气压比为 2, 那么在此直 线以下的所有工况 , 都将产生

19、喷气口工质回流现 象 。 影响热泵机组的制热能力及系统性能 。 目前 对于这一现象解决办法有两种 :(1 在高温工况 时 , 直接通过图 8所示的截止阀 , 关闭喷气口 , 不 采用喷气增焓技术 , 由于处于高温工况 , 对制热和 性能的影响并不大 :(2 采用喷气口单向阀 , 阻止 喷气口气体回流 , , 阀会增加噪声 , 图 9 闪发器系统喷气口工质回流现象4. 2 除霜问题对于热泵热水机组的除霜 , 目前有很多种方法 , 此处介绍带闪发器喷气增焓技术的热泵热水机 组的四通换向除霜模式 , 对照图 8, 这种除霜模式 是利用已加热的热水热量对室外蒸发器进行快速 除霜。 图 10描述了带闪发

20、器的热泵热水机组在 - 10 环境温度下热水温度随时间的变化关系。图 10 四通阀除霜模式对热水温度的影响曲线中拐点表示机组为除霜模式 , 可以看出 ,除霜对热水的温降影响很小 , 且除霜迅速 , 一般在 3m in 左右便可以完成除霜 , 可以推广应用 。需要注意的是 , 对带闪发器的热泵机组采用 四通换向除霜 , 必须在除霜时关闭截止阀 , 阻止工 质液体经闪发器由喷气口进入压缩机涡旋腔内 , 避免大量回液 。 5 结语, 对喷气增焓 , , 。对常见的两种带喷气增焓技术的热泵热水机 组进行比较分析 , 总结各自优缺点 , 为喷气增焓涡 旋压缩机的机组设计提供一些建议 。对带闪发器的喷气增焓热泵热水机组设计和 运行时所应注意的一些特别问题列举 , 为工程实 践提供指导 。参考文献1