一种新型热泵换热器系统

                                              一种新型热泵换热器系统
                               中国电力企业联合会科技服务中心　李建锋
                         清华大学热科学与动力工程教育部重点实验室　吕俊复
    摘要：通过对现有热泵系统的分析,提出了一种新的热泵室外机系统。该系统以盐水为冷媒,采用二级换热结构,可以有效防止冬季供暖过程中室外机的结霜。
    关键词：热泵　结霜　换热器
    0　引言
    随着生活水平的逐渐提高,人们对生活质量的要求也不断提高,空气源热泵系统作为冬季的供暖设备具有效率高、能耗低的特点,获得了越来越多的应用。但是,热泵系统存在蒸发器换热表面容易结霜的问题[1-4],在我国南方等空气湿度较大的地区这个问题尤为严重。空气源热泵机组在冬季运行时,空气侧换热器表面结霜会降低换热器的传热系数,增加空气侧的流动阻力减小机组的供热能力;结霜严重时蒸发压力过低,常使机组停止运行。
    对于压缩式热泵,常用的做法是采用压缩机反转以及四通换向阀转换的方式进行除霜,但这样会浪费较多的电能。有文献报道,在一个供暖季节热泵系统因除霜多消耗的电能约为10.2%[5]。不过对于吸收式热泵系统[6-7],则不可能采用这种压缩机反转的方式进行除霜,而如果采用电热的方式除霜,那么浪费的电能更多,从而严重影响机组的经济性。
    1·新系统介绍
    为了解决热泵冬季运行时的结霜问题,本文提出了采用二级换热方式的方案。方案示意如图12所示。
             
    图1,2中,蒸发器并不直接和室外空气换热,而是与盐水换热,冷却后的盐水通过气水混合的方式在换热器内直接与室外空气换热,此时的热力过程相当于冷却塔热力过程的反过程。
    作为换热媒介的盐水可以是CaCl2溶液,也可以是NaCl溶液,只要其冰点低于热泵本身的蒸发温度即可,这样可以避免结冰,确保系统安全运行。
    在水泵出口安装调节阀旁路的主要目的是调节换热器的负荷、增加换热器内的循环水量,从而使盐水更好地与室外空气换热。
    在调节阀旁边安装除水器的主要目的是防止在机组的运行过程中空气中的水蒸气使盐水浓度降低,从而避免蒸发器换热表面结冰影响系统性能。除水器的结构与工作原理如图3所示。
           
    如图3所示,在除水器中,盐水从进水口进入,如果进水因为凝结水太多而浓度降低,那么将降低盐水的渗透压,从而使得一部分水通过渗透膜析出,从下出水口流出;经过渗透后的高浓度盐水则从上出水口流出。调节阀在运行过程中能维持渗透膜前面的压力稳定。另外,为了防止渗透出来的水结冰,除水器应该放置在室内,或者增加一个小型的加热装置,以便于将水温提高到0℃以上。为了防止渗透膜被杂质堵塞,在渗透装置前还应该有过滤装置。
    2·换热器的热平衡
    对于换热器,要防止空气二次进入和防止飘水,减少或消除风机电耗,可以采用顺流式换热方式,见图4。在空气-盐水之间的换热过程中,空气不断被冷却,最终将达到饱和,如果此时进一步降温,那么其中的一部分水蒸气将会凝结成水。所以盐水吸收的热量实际上包含两部分,一部分是空气与水蒸气因为温度降低而放出的显热;另一部分是空气温度低于饱和温度时水蒸气凝结放出的潜热。
            
    对于换热器,如果换热较为充分,空气出口温度与出水温度值近似相等,根据能量守恒可得：
(1)
    经整理得
(2)
    事实上,如果空气中水蒸气的含量较少,那么可以忽略水蒸气的显热,此时式(2)可以简化成:
    
    式(1)~(3)中　mg为空气质量流量,kg/s;cg为空气比定压热容,kJ/(kg·℃);t为空气出口(出水)温度,℃;d0为环境空气的含湿量,g/kg;tg为d0所对应的空气饱和温度,℃;d为出口空气含湿量,g/kg;mw为盐水质量流量,kg/s;cw为盐水比热容,kJ/(kg·℃);t0为环境空气温度,℃;r为水的汽化潜热,kJ/kg;cwg为水蒸气比定压热容,kJ/(kg·℃);tw为入口盐水温度,℃。
    对于热泵蒸发器而言,换热媒介将由原来的蒸汽-空气转变成蒸汽-盐水。一般而言,水-壁面的换热系数比空气-壁面的换热系数大一到几个数量级,而金属壁面的导热热阻又可以忽略不计,所以在相同的换热温差以及相同的换热量条件下,换热面积可以大幅度缩小,从而也就减少了蒸发器的投资费用。
    另外,从式(2)或式(3)可以看出,在空气流量mg足够大的情况下,t趋近于t0,由此可见,尽管系统采用了二级换热,但换热温差并没有太多的减小。
    3　结论
    3.1　以盐水为媒介,采用二级换热结构能够有效解决热泵蒸发器的结霜问题。
    3.2　蒸汽-盐水之间的换热系数远大于蒸汽-空气之间的换热系数,因此能够有效减小蒸发器的换热面积,从而减少蒸发器的投资。与此同时,空气-盐水直接换热可以增加换热量,降低换热器的投资费用,从而降低整个系统的投资费用。而增加一级换热并不会使换热温差减小太多。
    3.3　因为采用盐水为媒介,所以要注意解决蒸发器的防腐蚀问题。
参考文献:
[1]符建坤,欧阳海生,刘凤珍.高湿地区风冷热泵蒸发器除霜控制研究[J].流体机械,2003,31(10):44-47
[2]陈歆儒.空气源热泵冷热水机组空气侧换热器结霜特性研究进展[J].湖南工程学院学报,2007,17(1):39-
[3]姚杨,马最良.空气源热泵冷热水机组结霜工况研究现状与进展[J].哈尔滨建筑大学学报,2002,35(5):66-69
[4]王洋,江辉民,马最良,等.增大蒸发器面积对延缓空气源热泵冷热水机组结霜的实验分析[J].暖通空调,2006,36(7):83-87
[5]Baxter V D, Moyers J C. Field-measure cycling,frosting and 
defrosting losses for a high-efficiency air-source heat pump[G]∥
ASHRAE Trans, 1985, 91(2): 537-554
[6]武向红,陈斌,郑丹星.氨水吸收式制冷循环的热力学分析[J].华北电力大学学报,2003,30(5):66-69
[7]万忠民,舒水明.一种高效太阳能混合吸收式制冷循环系统[J].华中科技大学学报:自然科学版,2003,31(1):100-102