冷凝器流程布置对高温热泵性能影响的实验研究

     0 前 言

     热泵系统中冷凝器的换热特性将直接影响系统的COP。通常情况下,换热器换热性能的提高可以通过提高换热系数、增大换热面积和增大传热平均温差来实现,但在换热器实际设计过程中,管路流程布置会在很大程度上影响传热温差分布,进而影响换热器的换热性能,因此研究流程布置对换热性能的影响很有必要。

    国内外学者对换热器流程布置进行了大量的研究,但多集中在空冷冷凝器方面[1-5],制冷工质主要是R22[6]、R407C[7]和R410A[8],而有关水冷冷凝器流程布置的文献尚不多见。另外本文进行的实验采用HFC125近临界循环,换热过程存在较大的温度滑移,对冷凝器换热性能会产生较大的影响。基于上述考虑,本文分别在系统有、无回热循环的工况下,对冷凝器管路流程布置形式进行了实验研究,以期通过流程变化改善换热效果,探索提高系统COP的途径。

     1 理论分析

目前,通常的亚临界热泵循环技术发展的比较成熟。因为当循环的冷凝工况接近临界时会引起较大的节流不可逆损失,所以一般循环都是控制在远低于工质临界点的情况下运行。对于热泵系统来说,一般冷却水温升$Tcw[60e时,才能保持较高的COP,温升更大时将使热泵系数过低从而失去应用的意义。再者,温升过大将导致压比过高,从而使得压缩机排气温度升高、容积效率降低,甚至可能影响到工质自身的稳定性[9]。在这种热泵循环中,高温端的换热存在较大的不可逆损失[10]。

    临界热泵循环从理论上可以克服高温端的换热不可逆损失(如图1所示)。这一循环主要是利用高温放热段工质温度渐变的特性来将冷却水加热到更高的温度。临界循环系统的最大特性就是工质的吸、放热过程分别在亚临界区和临界区进行。在临界区,随着工质密度的不断增加,循环放热过程将有较大的温度滑移,这种温度滑移正好与所需的变温热源相匹配,是一种特殊的劳伦兹循环。同时水侧光滑上升的温度曲线与冷凝器的逆流形式匹配,减小了换热过程中的大温差不可逆热损失,故此类循环特别适用于要求热水温度在加热器中有较大温升的加热系统。

     本文研究的高温热泵循环即运行在临界压力附近,利用压缩机排气口到冷凝饱和点之间所提供的显热(如图2所示),使冷却水在逆流经过冷凝器盘管的过程中,可以有较大幅度的温升。

    2 实验装置与仪器

    2.1 实验装置

    实验采用纯工质HFC125,实验系统为带回热循环的蒸汽压缩制冷循环(如图3所示),通过阀门的开断可以调整为无回热循环系统。为了研究系统的运行特性与换热器面积之间的优化匹配关系,考虑到实验时换热器面积的可调节性,根据实验台的实际情况,采用了4个套管式换热器作为冷凝器,每个换热面积为015m2。在4个套管式换热器相连的适当位置布置了若干个球阀,同时这4个换热器可以串联、并联也可以串并联(如图4所示),以增大实验机组可变换热面积的灵活性。另外,根据实验台的具体情况,蒸发器采用满液式壳管式换热器;压缩机选用了上海易初通用机器有限公司生产的汽车压缩机,其型号为SE5H14-101419,润滑油采用SP-20;为了留出一定富裕量,选择了上海电机(集团)公司先锋电工厂生产的型号为PY132s-A的变频调速异步电动机,其标称功率为515 kW,额定电压380 V,额定电流为1116 A;实验用内部换热器采用套管式换热器,换热面积为015 m2。