喷气增焓涡旋压缩机在空气源热泵热水器中的应用.pdf

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 : TQ051. 5 文献标识码 : AApplica tion of Enhanced Vapor

2、 In jection Technology in ASHPW HL IU Q iang, FAN Shui - chong, HE Shan( Emerson Climate Technologies Research ASHPWH; 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 1 4 。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

3、(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 /m3 3612kJ /kWh 3612kJ /kW h 3612kJ /kWh 3612kJ /kW h热效率 0. 75 0. 95 2. 5 3. 6 4. 1能源单价 1. 2元 /m3 0. 5元 /kWh 0. 5 元 /kWh 0. 5 元 /kWh 0. 5 元 /kW h初期投资 低 中 高 较高 较高运行费用 3. 2 4. 28 1. 62 1. 12

4、 0. 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 6 8年 8 10年 10 15年 13 16年 13 16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 ,且效率低下 ,不符合我国目前的发展要收稿日期 : 2008 08 1886 FLU ID MACH INERY Vol136, No109, 2008 1994-2008 China Academic Jou

5、rnal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/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 2 5 。 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

6、 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 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 ,使 其 温 度 及压 力 相 应 提 高 ,高 温 高 压 工 质

7、 随 后 进 入 冷 凝 器 ,放出 热 量 ,加 热 热 水 ,最 后 工 质 通 过 节 流 膨 胀 阀 ,温度 降 到 室 外 环 境 温 度 以 下 进 入 蒸 发 器 继 续 蒸 发 吸热 。 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

8、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 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

9、 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 GB /T 21362 - 2008 商 业 或 工业 及 类 似 用 途 的 热 泵 热 水 机 国 家 标 准 。 标 准 中规 定 热 水 最 终 加 热 温 度 为 55 。 然 而 在 欧 洲 、

10、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 ,压 缩 机 可 靠 性 受 到 影 响 。基 于 上 述 分 析 ,国 内 外 学 者 多 年 研 究 发 现 ,喷气 增 焓 涡 旋 压 缩 机 技 术 可 以

11、 成 功 地 应 用 在 低 温 热泵 热 水 机 组 中 ,是 低 温 热 泵 热 水 器 机 组 开 发 的 首选 方 案 4 9 。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 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

12、 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

13、 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 11 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 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/

14、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 R22 R134a压 缩 机 喷 气 增 焓 普 通 增 加 量 喷 气 增 焓 普 通 增 加 量制 热 量 ( kW ) 5. 66 4. 77 19% 3. 70 2. 97 24%功 耗 ( kW ) 2. 57 2. 35 9% 1. 75 1. 63 8%CO P (W /W ) 2. 20 2. 03 9% 2. 11 1. 83 16%排 气 温 度 ( ) 110 125 - 1

15、2% 90 98 - 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

16、 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 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

17、 旋 体 排 气 单 向 阀 ) ,保 证 压缩 机 低 温 运 行 可 靠 性 。3 喷 气 增 焓 涡 旋 压 缩 机 的 热 泵 热 水 器 机 组 设 计典 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

18、 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 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 FLU ID MACH INERY Vol136, No109, 2008 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publish

19、ing House. All rights reserved. http:/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 与 辅 助 进 气 口 的流

20、 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

21、,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 P。为 了 论 证 实 际 喷 气 增 焓 空 气 源 热 泵 热 水 机 组在 低 环 境 温 度 下 的 运 行 性 能 ,采 用 带 闪 发 器 的 喷气 增 焓 涡 旋 压 缩 机 技 术 制 作 样 机 如 图 8所 示 ,并进 行 性 能 实 验 ,对 照 表 3可 以 看 出 ,在 室

22、 外 环 境 温度 - 10 情 况 下 ,制 取 65 的 热 水 ,喷 气 增 焓 涡旋 压 缩 机 能 明 显 提 高 机 组 的 制 热 量 ,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 ( kW ) 2. 71 2. 04功 率 ( kW ) 1. 58 1. 43效 率 1. 72 1. 43

23、时 间 (m in) 260 380热 水 最 终 温 度 ( ) 65 65热 水 初 始 温 度 ( ) 27 27温 差 ( ) 38 38注 :环 境 温 度 为 - 10 ,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. 3 2. 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 1994-200

24、8 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/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

25、喷 气 压 比 为 2,那 么 在 此 直线 以 下 的 所 有 工 况 ,都 将 产 生 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 ,但 气 体 的 高 频 率 来 回 串 动

26、 ,单 向阀 会 增 加 噪 声 ,且 可 靠 性 需 要 关 注 。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 器 的 热 泵 热 水 机 组 在- 10 环 境 温 度 下 热 水 温 度 随

27、 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

28、 语结 合 环 保 和 节 能 社 会 发 展 需 求 ,对 喷 气 增 焓技 术 进 行 介 绍 ,揭 示 了 喷 气 增 焓 涡 旋 压 缩 机 在 低温 应 用 的 性 能 及 可 靠 性 ,得 出 喷 气 增 焓 涡 旋 压 缩机 是 开 发 低 温 空 气 源 热 泵 热 水 机 组 的 首 选 方 案 。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

29、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 杨 宁 ,苏 晓 耕 . 艾 默 生 环 境 优 化 技 术 有 限 公 司 超 低温 数 码 涡 旋 (喷 气 增 焓 )技 术 A . 全 国 暖 通 空 调 制冷 2006年 学 术 文 集 C . 2006. 3292332. 2 周 峰 ,马 国 远 . 空 气 能 热 泵 热 水 器 的 现 状 及 展 望 J . 节 能 , 2006, (7) : 13216. 3 单 尚 礼 ,王 丹 丹 ,王 瑞 祥 . 目 前 空 气 源 热 泵 热 水 系

30、统的 一 些 研 究 进 展 J . 家 电 科 技 , 2006, (12) : 45248. 4 李 元 哲 ,姜 蓬 勃 . 空 气 源 热 泵 在 建 筑 节 能 中 的 应 用 J . 中 国 建 设 信 息 供 热 制 冷 , 2007, (10) : 45249. 5 马 国 远 ,邵 双 全 . 寒 冷 地 区 空 调 用 热 泵 的 研 究 J .太 阳 能 学 报 , 2002, 23 (1) : 125. 6 马 国 远 ,彦 启 森 . 涡 旋 压 缩 机 经 济 器 系 统 的 性 能 分析 J . 制 冷 学 报 , 2003, (3) : 20224. 7 马 国

31、 远 ,彦 启 森 . 涡 旋 压 缩 机 经 济 器 系 统 的 实 验 研究 J . 制 冷 学 报 , 2002, (1) : 27231. 8 赵 会 霞 ,刘 思 光 ,马 国 远 ,等 . 涡 旋 压 缩 机 闪 发 器 热泵 系 统 的 实 验 研 究 J . 太 阳 能 学 报 , 2006, 27 ( 4) :3772381. 9 赵 会 霞 ,马 国 远 . 涡 旋 压 缩 机 闪 发 器 系 统 性 能 的 模拟 分 析 J . 流 体 机 械 , 2006, 34, (9) : 15220.作 者 简 介 :刘 强 (19832) ,男 ,项 目 工 程 师 ,通 讯 地 址 : 215021江 苏 苏 州 工 业 园 区 机 场 路 328号 国 际 科 技 园 艾 默 生 楼 。27 FLU ID MACH INERY Vol136, No109, 2008 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/