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空气能热泵在低温环境下的研究

返回列表 来源:本站 发布日期: 2021-03-15

空气能热泵因为高效节能、安全智能而得到广泛的运用。而环境温度对空气能热泵的性能有非常大的影响,在环境温度正常时系统运行可靠,但低温环境下系统的可靠性和制热量下降比较严重。低温环境下,会使系统的蒸发温度下降,压缩比增大从而导致排气温度较高,使压缩机超负荷工作,导致压缩机经常启停,比较严重时甚至影响压缩机。除此之外,压缩机吸气比体积增大,输气系数减小;蒸发器表面非常容易结霜导致换热器传热效果大大减弱,空气能热泵机组制热量降低,性能下降。这导致空气能热泵的推广使用得到了一定的阻力,所以,怎样将其优点在低温环境中发挥出来成为工程师们研究的关键。经过工程师们的不断努力,空气能热泵在低温环境下的制热量和稳定性等性能能够经过提升蒸发侧的除霜和延缓结霜技术的有效途径得到缓解和改进。

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3.1喷气增焓

补气增焓系统是选用两级节流中间喷气技术,选用闪蒸器进行气液分离,实现增焓效果。它经过中低压时边压缩边喷气混合冷却,然后高压时正常压缩,提升压缩机排气量,达到低温环境下提升制热能力的目的。

格尚等在寒冷地区沈阳对喷气增焓空气源热泵的运行特点做了测试,结果显示系统的制热季节能效比可达2.51,供热稳定,而当供水高于10℃时,水泵再次运行,导致回水温度低过正常值,对空气能热泵机组的性能要求较高。格尚在兰州地区测试了喷气增焓空气能热泵系统在不同温度的性能,结果表明;该系统能够非常好地改进系统的性能,在环境温度为-11.2℃,系统的COP能达到2.0。Bach.C.K介绍了一种可实现两级注气、闪蒸旁通和单机压缩三种模式可切换的空气能热泵装置。Cao等将经济器喷注系统和混合制冷剂用于空气能热水器中,空气能热泵机组的能效比和热容量均有所增加,但压缩机排气温度明显降低。Wang等建立了喷气增焓空气能热泵的模型,比较了中间换热器喷气和闪蒸器注气时空气能热泵的性能,得知前者注气时空气能热泵系统的性能较好。胡文举对待闪光器的补气增焓空气能热泵系统进行了数值模拟研究,结果表明:存在最佳的一级压力比,使系统的性能趋于稳定压缩机的排气温度下降。费继友对低温环境下吸气喷液空气能热泵系统做了研究,得知压缩机的排气温度可有效地下降,但吸气喷液下降了系统的制热量和能效比,导致空气源热泵功能损耗上升,对高压缩比没有改进。

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3.2双级压缩热泵

双级压缩空气能热泵机组是经过中间压力补气方式来提升机组低温下的使用性能,减少了高压级压缩机吸气温度,改进了高压级压缩机的冷却效果,有效的提升空气能热泵机组在低温工作状况下的制热使用性能,降低了压比,减少了压缩机的排气温度,提升了机组的经济性和可靠性。

Xu等对活塞式双级压缩空气能热泵机组进行了实验,机组的使用性能有比较大的提升。Kwon等运用余热作为热源,对两级压缩空气能热泵机组在地域供热方面做了实验,发现余热温度从10℃增加到30℃,空气能热泵机组的COP增加了22.6%。尹应德设计了带中间经济器的准二级压缩空气能热泵机组,实验结果显示:在环境温度从20℃逐渐减少到-15℃过程中,机组的供热量和COP均下降,但在-15℃时COP为1.8,较电设备仍节能。田长青提出将双级变频压缩技术用到空气能热泵机组中,经过试验发现,在室外-18℃时机组的制热系数大于2,可满足供暖要求。格尚在不同工作状况下对双级压缩空气能热泵机组深入研究,在-20℃时机组COP和供热量分别为2.1和4.65kW,具有较好的低温使用性能。

许多研究者发现喷气增焓涡旋压缩机技术在低温空气能热泵中有成功的应用,在单级压缩机组中低温适应性有一定缓解,仍具有压缩比大和排气温度过高及系统启动的可靠性等问题没有明显的改进;而双级压缩系统对空气能热泵在低温的运行有一定的改进,也出现变频压缩低高压级的合理输气量比、最佳中间压力的变化等问题,所以,对空气能热泵的补气增焓和双级压缩的实验还需要继续。

3.3新工质替代

制冷剂的选择要对人类生存环境没有破坏并节约能源,研究者们对新型制冷剂和R22做了对比实验,研究了新型制冷剂代替传统含HCFCS制冷剂的前景,并比较了各种各样制冷剂对空气能热泵机组使用性能的影响。

翁文兵等对R417a和R13a及R22用在空气能热泵热水器中,从理论和试验研究的角度出发,综合考虑机组的供热量、功耗、排气温度、冷凝压力及安全性等指标,得出R417a代替R22时机组的使用性能和环保效果更好。Neksa.p对CO2热泵热水器的使用性能实验,该机组在蒸发温度为0℃时,将9℃的水加热到60℃,机组COP为4.3且在能耗方面比燃气、电热水器更少。Ju和Fan等为了实验R744和R290混合后代替R22的使用性能,经过理论模拟与试验验证,R744和R290在按12%和88%混合时,得到的最佳COP为4.73,相比较于R22单独使用时COP提升11%且排气温度约下降28K,有助于提升空气能热泵效率和压缩机寿命格尚等比较了R134a、R407c和R22三种冷媒在无霜空气能热泵中的性能指标,在工作温度和湿度对应为-10℃和85%时,R134a的平均COP较R22和R407c对应大3.3%和8.6%,在工作温度和湿度为0℃和85%时,R134a的排气压力比R22和R407c减少29%和32%。藕俊彦在不同工况下对喷气增焓空气能热泵系统的测试研究发现,在室外温度较低时,R410A更适合代替R22。Ali等分析了电加热设备的空气能热泵在寒冷地区的性能指标,将R32和CO2按8∶2混合后,用数值模拟发现系统相对于R410A,系统季节性节能达12%,改变混合量后节能效果可提升至23%,也可减少GWP16%,说明了混合冷媒在空气能热泵应用中的优势。

基本理论温熵图

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