直接膨胀式太阳能热泵热水器系统性能模拟计算

直接膨胀式太阳能热泵热水器系统性能模拟计算

制冷材料是证明冷热系统从低温热源向高温热源转移热量的重要材料。系统中的助助材料用量的比例直接影响冷热系统的工作性能。张良军等人对小型空气源热泵的加热进行了不同的充注量试验，分析了充注量系统的运行性能的影响，并提出了评价系统最佳充注量的依据。coi等人分析了水源热泵系统中使用毛细管和电子膨胀阀作为开口装置的结果表明，充注量系统的性能影响。bjalk等人分析了不同负荷下安装装置中不同添加剂的质量变化。比较了两种不同的预给速度法，并给出了理想的预给速度法理论计算方法和最佳充注量标准。虽然采用了传统的冷态冷却系统，但采用qomm（quasi线下回波器）和omm（横向回波器）的方法进行了比较。由于使用了太阳能集热器作为系统的蒸发器,直膨式太阳能热泵热水器的制冷剂充注量对系统性能的影响以及最佳充注量的确定与常规热泵空调有较大区别.目前,国内外关于这方面的研究工作报道很少.鉴于此,本文通过建立直膨式太阳能热泵热水器系统数学模型,用数值模拟的方法分析充注量对系统运行参数和性能系数的影响,并寻求确定制冷剂最佳充注量需考虑的主要因素.1太阳能集热器图1所示为直膨式太阳能热泵热水器示意图.除了太阳能集热/蒸发器(下文简称为集热器),系统其余部件和空气源热泵热水器完全相同.制冷剂作为太阳能集热介质在集热器中吸热蒸发,通过压缩机升压后将高温高压制冷剂蒸气送入蓄热水箱中的冷凝盘管,加热水箱中的水;经热力膨胀阀节流降压后进入集热器,完成一个循环.本文研究的裸板式太阳能集热器由热轧吹胀法加工而成,下表面进行喷塑处理,上表面涂刷光谱选择性材料,不设任何透明盖层或保温材料,单个集热板有效集热面积为1.05m2,共4块,分2个流程并联;压缩机选用小型全封闭滚动转子式压缩机,适用工质为R22,理论排气量13.40cm3/r,电机额定功率750W;冷凝盘管采用铜制单螺旋管结构,紫铜管规格为Ø9.90mm×0.75mm,有效换热面积1.72m2,直接沉浸在蓄热水箱中.2系统的数学模型和评价指标用分布参数法建立集热器和冷凝器的均相流动数学模型,用集总参数法建立压缩机和热力膨胀阀的数学模型.2.1集热器吸热方程沿集热器管长等焓差划分若干微元,对每一微元建立如下方程:(1)制冷剂侧流动换热方程Qr=qm,r(hr,o-hr,i)(1)Qr=qm,r(hr,o−hr,i)(1)式中:Qr为制冷剂吸热量;qm,r为制冷剂质量流量;hr,i,hr,o分别为微元制冷剂进、出口比焓值.(2)集热器吸热方程Qs=AsF′[S-UL(ˉΤr-Τ0)](2)Qs=AsF′[S−UL(T¯¯¯r−T0)](2)式中:Qs为集热器微元有效得热量;As为微元长度集热器上表面有效集热面积,As=lA/L,l为微元长度,L为集热器总管长,A为集热器上表面有效集热面积;S为集热器吸收与发射辐射量之差;UL为集热器的总热损失系数;F′为集热器集热效率因子;ˉΤT¯¯¯r为微元制冷剂进出口平均温度;T0为环境温度.(3)管内外热平衡方程Qs=βQr(3)Qs=βQr(3)式中,β为考虑制冷剂中含有油等杂质而引入的系数,取值0.9.2.2型冷模型冷凝器数学模型和集热器相似,包括制冷剂侧流动换热方程、水侧换热方程和管内外热平衡方程,本文略去.2.3原油模型压缩机模型包括质量流量计算方程和功率计算方程,具体方法与参考文献相同,本文略去.2.4流量特性方程能量方程:he,i=he,o(4)he,i=he,o(4)式中,he,i,he,o分别为膨胀阀进、出口比焓值.流量特性方程:qm,r=CA0√2ρiΔp(5)C=20.05×10-3√ρi+0.634vo(6)qm,r=CA02ρiΔp−−−−−√(5)C=20.05×10−3ρi−−√+0.634vo(6)式中:Δp为阀孔前后压差;C为流量系数;A0为阀孔的最小流通面积;ρi为进口制冷剂密度;vo为出口制冷剂比体积.2.5.系统的收敛性和准确度.制冷剂充注量是模型收敛的一个重要判据,直接影响程序的收敛性和准确度.在系统装置中,制冷剂在各部件和管路中呈单相或两相状态,分别计算各相区的制冷剂充注量,然后相加得到系统总充注量.2.5.1u3000孔隙率模型两相区主要存在于集热器和冷凝器等换热部件中,其充注量计算公式为mΤΡ=∫V0[γρv+(1-γ)ρl]dV=n∑j=1[γjρv,j+(1-γj)ρl,j]Vj(7)mTP=∫V0[γρv+(1−γ)ρl]dV=∑j=1n[γjρv,j+(1−γj)ρl,j]Vj(7)式中:mTP为两相区充注量;γ为空隙率;ρl,ρv分别为饱和液相与气相制冷剂密度;V为制冷剂体积;j为第j个微元;n为微元数目.本文采用Xtt修正模型计算空隙率,即Xtt=(1-xx)0.9[(μlμv)0.2ρvρl]0.5(8)γ={(1+X0.8tt)-0.375‚Xtt≤100.823-0.157lnXtt‚Xtt>10(9)Xtt=(1−xx)0.9[(μlμv)0.2ρvρl]0.5(8)γ={(1+X0.8tt)−0.375‚0.823−0.157lnXtt‚Xtt≤10Xtt>10(9)式中:Xtt为修正系数;x为制冷剂干度;μl,μv分别为饱和液相与气相制冷剂动力黏度.2.5.2充注量的计算单相区分为过热区和过冷区,普遍存在于压缩机、集热器、冷凝器和连接管道等部件中,其充注量计算公式为mSΡ=∫V0ρSΡdV=n∑j=1ρSΡ,jVj(10)式中:mSP为单相区充注量;ρSP为单相制冷剂密度.2.5.3集热器、水泵、管道充注量式中:m为系统总充注量;mc为压缩机制冷剂充注量;mTP,s,mSP,s,mTP,w,mSP,w,mTP,p,mSP,p分别为集热器、水箱、管道中两相和单相制冷剂充注量.2.6物理层性能系数copk集热器集热效率用沿集热器管长方向上所有微元的加权平均值表示,定义如下:ηs=(n∑j=1Qs,jljAs,jΙΤ)/L(12)式中,IT为垂直投射到集热器表面的太阳辐射强度.系统瞬时性能系数COPk定义如下:CΟΡk=Qw,k/Wc,k(13)式中,Qw,k,Wc,k分别为第k个时间步长的热水得热量和压缩机耗电量.系统平均性能系数COP用热水总得热量与压缩机总耗电量的比值表示,定义如下:CΟΡ=z∑k=1Qw,k/z∑k=1Wc,k(14)式中,z为时间步长总数目.3系统状态参数计算在建立系统数学模型的基础上,编制系统性能模拟程序,输入文献中的实验系统结构参数,然后依次输入气象参数、初始参数和热水加热时间步长等值后,即可按设定的时间步长连续计算各部件状态参数和系统性能参数等值,直到水箱水温达到设定值为止.模拟分析过程中,取太阳辐射强度IT=750W/m2,环境温度和环境风速分别为25.7℃和3.1m/s,水初温和终温分别为20.5℃和50.0℃,热水加热时间步长设定为1min.3.1系统cop和水水土流动力学模型对比以文献中列出的2005-04-04的工况为比较工况,IT=955W/m2,环境温度20.6℃,水初温和终温分别为13.4℃和50.5℃,系统COP和水箱水温θw的模拟值和实验值如图2所示.由图可见,系统COP模拟值和实验值的变化趋势一致,且随着加热时间t的增加两者相互接近,其平均误差为7.41%;水箱水温的模拟计算误差最大不超过3%;加热时间的模拟值和实验值分别为98和94min,误差为4.26%.需要说明的是,文献和相关文献中都没有明确给出系统制冷剂充注量,但理论计算发现在1.68kg时,模拟值和实验值最为接近,因此,在比较过程中制冷剂充注量取为1.68kg.3.2充注量的影响图3所示为加热时间t和集热器有效得热量Qs随制冷剂充注量m的变化关系.由图可见,随着制冷剂充注量的增加,水温升速率逐渐增加,加热时间逐渐缩短,当充注量m=1.52kg后,充注量对加热时间的影响迅速减弱,加热时间随充注量的变化不再显著.当m=1.20kg时,集热器内制冷剂循环量不足,导致Qs过小,在整个加热过程中Qs平均值仅为2.138kW,系统加热时间较长.当m=1.52kg时,Qs平均值达到2.847kW,使得集热器吸热较为充分;继续增加充注量,Qs增加相对较小,m=1.68、1.80kg时,Qs平均值分别为2.95kW和3.034kW,这使得加热时间随充注量变化不再显著.3.3qm,rm测定图4所示为集热器出口过热度θs和系统制冷剂流量qm,r随制冷剂充注量m的变化关系.可见,随着m的不断增加,θs不断减小,qm,r不断增加;当m=1.20kg时,qm,r较小,θs很大;随着m的增加,qm,r不断增加,集热器有效得热量随之增加,θs逐渐减小.当m=1.68kg时,θs保持在10℃左右;当m=1.80kg时,大部分运行时间内集热器出口已无过热,即集热器有效得热量已不能使制冷剂完全蒸发,压缩机极易产生湿压缩,不利于压缩机的安全运行.3.4充注量对系统变化率和压比的影响图5所示为制冷剂充注量对蒸发压力pe和冷凝压力pc的影响.由图可见,当m增加时,蒸发压力也随之升高.在系统运行过程中,蒸发压力随加热时间的增加而升高,但变化较小;冷凝压力随着水温升高而升高,充注量越大,变化率越大.进一步分析,系统运行初期,变化率较小,随着加热时间增加,变化率明显增大.也即,运行时间越长,冷凝压力升高越快.在同一制冷剂充注量下,随加热时间的增加,冷凝压力和蒸发压力的差值(压差)不断增加,压比不断增大;m=1.68kg时压差由系统运行初期的0.784MPa增加到运行结束时的1.886MPa,这也是图4中qm,r随t增大的一个主要原因;m=1.68kg时,压比由系统运行初期的1.927增加到运行结束时的2.956.3.5加热时间对wc定频压缩机功率主要取决于制冷剂质量流量和进出口状态.图6所示为压缩机瞬时功率Wc和进口制冷剂比体积vi随充注量的变化关系.由图可见,Wc随着加热时间增加而增大;系统运行初期,m越大,Wc越小;随加热时间增加,m越大,Wc增长越快;到系统运行后期,m越大,Wc也越大;vi随着加热时间的增加而降低,但降低程度较小;m越大,vi越小.进一步,由前文分析可知,qm,r和pe随加热时间的增加变化程度均较小,而pc和pe的比值变化很大,因此Wc的增大主要是由压比的增大引起的,而Wc的明显增大对提高系统性能不利.可见,为了提高系统热力性能,加热时间不宜过长,即热水终温不宜设定太高.3.6不同加热时间下系统s测定图7所示为集热器集热效率ηs随制冷剂充注量m的变化.由图可见,m越大,ηs越大.m不变时,ηs随加热时间增加而降低,这是制冷剂流量、蒸发温度和过热度等因素综合作用的结果.因此,系统要获得较高的ηs,制冷剂充注量不宜太小;ηs在某些情况下是大于1的,这是因为裸板式太阳能集热器板温低于环境温度时,集热板可以从空气中吸收热量.3.7系统总能耗w图8所示为COPk随制冷剂充注量的变化.由图可见,在相同充注量下,COPk随加热时间的增加而减小,这主要是由于压缩机瞬时功率随运行时间的增加而增大引起的,因为一个时间步长内的热水得热量近似为定值.图9所示为系统平均COP和压缩机总耗电量W随着制冷剂充注量的变化关系.由图可见,随着m的增加,W不断减小,COP不断增大;当m<1.52kg时,COP随m增加而升高很快;m>1.52kg后,COP升高变缓.因此,为了提高系统COP,制冷剂充注量不宜太小.4行不利的系统cop(1)制冷剂充注量对系统性能影响很大,充注量过多或过少对系统运行均不利.充注量过多,集热器出口过热度小(甚至没有过热),蒸发压力和冷凝压力高,压比大,对压缩机安全运行不利,系统