风冷热泵装置复合冷凝过程仿真研究.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2023 年 12 月 22 日 作者简介：田彩霞（1987），女，汉族，湖南常德人，研究生，广东省建科建筑设计院有限公司，高级工程师，研究方向为暖通空调设计；陈飞虎，通讯作者，高级工程师，博士后。-54-风冷热泵装置复合冷凝过程仿真研究 田彩霞1 陈飞虎2 廖曙光2 刘杰宏2 刘丽辉2 1.广州省建科建筑设计院有限公司，广东 广州 510000 2.长沙麦融高科股份有限公司，湖南 长沙 410006 摘要：摘要：目前风冷热泵热水系统应用广泛，但对风冷热泵热水系统仿真的研究较少。风冷热泵部分热回收和全热回收的模式，属于热回收装置和冷凝器双冷凝器联合工作。为了解其对系统性能的影响，双冷凝器在风冷热泵系统中的仿真模型需要开发。本文将对热泵装置复合冷凝的制冷循环，应用火用 分析和有限时间热力学方法建立代数累积的数学模型。通过输入机组各部件的参数和外部条件参数，建立机组各工况模式下的仿真框图，分析机组的目的火用 效率以及各部件的火用 损的变化情况。同时，通过实验对比来检验仿真模型及方法的合理性、可靠性。采用复合冷凝技术实现热回收后，制冷-卫生热水工况下初始火用 效率约 17%，机组的平均目的火用 效率提高了约 5%。水箱水温从 24升高到 52所需的时间为 15 分钟。单位时间内部分热回收的热量约为机组冷凝热的 30%。从而对热泵装置复合冷凝过程的优化进行指导。并提出了下一步的工作和展望。关键词：关键词：风冷热泵；热水系统；火用；效率；代数累积模型 中图分类号：中图分类号：TB61 基于逆卡诺循环的空调冷热源工作流程通常是由以下几个过程完成的：（1）循环制冷剂从低温热源吸收热量的过程；（2）循环制冷剂向高温热源排放热量的过程；（3）循环的能量补偿过程。相比常规的制冷系统，复合冷凝空调系统可回收冷凝器排放的废热、增加了系统的制冷能力、降低了压缩机的排气压力。有利于系统的运行。然而，复合冷凝空调系统在应用中仍有一些问题有待解决。包括：（1）由于增加了热回收装置，系统运行参数发生改变，导致系统效率降低或不能平稳运行；（2）冷热源设备匹配不合理，整体优化差而造成能量浪费；（3）卫生热水装置与冷凝器联合工作的运行参数选择有盲目性；（4）实际运行和测试中缺乏简便的评价和操作方法；（5）替代制冷剂在复合冷凝系统中的运行特性不同于运行制冷剂为的系统。而这些研究方向对系统的稳定运行及提升系统的性能具有重要作用。风冷热泵复合冷凝系统增加了热回收装置，用来生产卫生热水。其运行模式有全热回收：如卫生热水模式；部分热回收模式，即水冷+风冷模式：卫生热水+风冷冷凝器冷凝模式等。国内学者对水冷复合冷凝过程有相关研究：吕等建立了水冷复合冷凝过程综合能效的评价模型，并给出算例，提出了方便测试的方法1。陈等对离心式制冷机组复合冷凝过程进行了热力学仿真，提出了评价系统性能的连续方法和模型。相对于经典热力学分析方法计算精度粗糙的问题，该模型能反应实际系统的运行状态。但该模型利用的积分的方法，计算过程较为复杂2。王等利用 CYCLEPAD 热力学仿真软件建立了风冷热泵复合冷凝过程的仿真模型，但该软件为准静态的软件，不能反应换热过程随实际变化的特性3。下面将对该风冷复合冷凝过程的性能进行分析。提出一种较为简便的计算方法。1 风冷热泵装置复合冷凝过程的物理模型 拥有冷凝器 1#和冷凝器 2#组成的水冷+风冷的复合冷凝模块（见图 1），可以灵活的按照建筑内的热水负荷要求全部或者部分的回收冷凝热，冷凝热的回收率可达 90%以上4。图 1 采用水冷+风冷复合冷凝模式的热泵机组的冷凝模式 22R中国科技期刊数据库 工业 A-55-如图 2 所示，冷凝热被分为高温段和低温段两部分，其分界点为 X 点。在卫生热水水温上升的一个周期，随卫生热水进口水温状态的不同，X 点的位置沿冷凝段变化的5。图 2 风冷热泵系统中制冷剂循环的 T-S 图 2 风冷热泵装置复合冷凝过程的数学模型 2.1 卫生热水装置的数学模型 将卫生热水水箱从初始的约 25到满足用户需求的约 53所需的时间为一计算周期6。经过热水供应装置和常规冷凝器的热回收量和火用 损失可以通过下列算式计算：下标 i 代表卫生热水在热水供应装置中的第 i 次循环，为卫生热水达到用户所需水温的总循环次数7。对第 i 次循环:)(2xirefhrrihwoihrwihhmQQQ （1）式中，为第 i 次循环制冷剂释放给热水装置的热量,为第i次循环制冷剂释放到环境的热量,为第 i 次循环卫生热水吸收的热量。h2为压缩机出口点 2 的焓值。hxi为卫生热水进口水温对应温度点的制冷剂焓值。（2）式中，C 为水的比热，m 为热水的质量流量。T 保留原生下标：i 为第 i 次循环卫生热水的出口水温；当 i=1 时，为卫生热水的初始水温，取 25。由公式（1）-（2）构成了卫生热水装置代数累积的数学模型。卫生热水供应装置的火用损失：)()(1020iihrwxirefhrissTmssTmI （3）其中,为卫生热水初始水温的熵。为第 i次循环的冷凝量。4HHQxicondi （4）根据 R22 的 T-S 图，4点能确定。2.2 常规冷凝器的数学模型 常规冷凝器的火用 损失：（5）又有：（6）X 点的选择必须避免湿压缩。根据系统火用 效率的定义：（7）式中为系统火用效率，为一个计算周期内冷水的火用 值,为一个计算周期内卫生热水的火用值，为输入功。基于以上的火用分析和有限时间热力学模型，制冷剂循环如图 1 和图 2 所示，对采用单一冷凝模式和复合冷凝模式的热泵热水机组分别进行火用分析计算。以机组夏季时运行在制冷工况下为例，设定室外环境温度为 30，制冷量为 1kW。首先，选定各主要部件参数：其中，设定压缩机的等熵压缩效率 is，c 为85%，冷凝器和蒸发器都采用风冷翅片管式换热器的形式，其几何参数设定如下表8：表 1 风冷热泵复合冷凝过程的运行参数 几何参数 值 几何参数 值 外管直径D 保留原生下标：0 16.4mm 自由流面积/迎风面积,0.449 肋片节距 275 传热面积/总体积，269m2m-3 水力直径D 保留原生下标：h 6.68mm 翅片面积/总面积，A保留原生下标：f/A 0.83 肋片厚度y 0.254mm 出风速度，V 保留原生下标：e 5ms-1 结合空调冷热源中制冷剂循环的 T-S 图 4.6 和文献图表，按以下步骤进行计算：（1）根据设定的蒸发温度确定状态点 1，因为平均蒸发温度应为蒸发器出口制冷剂的温度值；由设定的冷凝温度确定状态点，因为平均冷凝温度应为冷凝过程曲线与饱和气体线的交点；（2）确定蒸发温度和冷凝温度的范围：蒸发温度变化范围是-124，冷凝温度的变化范围是 2440；CCnhrriQhroiQhrwiQ)(1,iihrwwPhrwiTTmCQ0TC0sicondQcondirefcondiimI)()(404ssThhixixicondiwnihrwichwwnihrwichwwininihrwinichwieEEEenEeneEe11111echwEhrwEwE2CCCC中国科技期刊数据库 工业 A-56-（3）由状态点确定冷凝压力 P 保留原生下标：2，再 由 等 熵 压 缩 效 率is，c，根 据求得 h2的值，即可确定状态点 2。（4）结合冷凝器和蒸发器的物理几何参数，根据公式计算在冷凝器和蒸发器中的压降 PD和 Pref，由已知的状态点点和 1 点，确定状态点 3 和 4。（5）根据已确定的状态点，结合制冷剂循环的 T-S图，计算压缩机、冷凝器、节流阀、蒸发器和风扇的火用损失,并得出各部件火用损失在总火用损失中的百分比。（6）根据热泵热水机组目的火用效率的定义计算热泵热水机组在各蒸发和冷凝温度下的目的火用效率。计算时，先假定热泵热水机组冷凝温度为 30不变，蒸发温度在-124之间变化，计算此时机组各部件的火用损失及其百分比和目的火用效率；再假定热泵热水机组蒸发温度为 0不变，冷凝温度在2440之间变化，计算此时机组各部件的火用损失百分比和目的火用效率变化情况。2.3 机组各部件及系统仿真模型 将环境温度 25作为参考温度，设定卫生热水初始温度为25，根据系统的冷凝温度和蒸发温度，3 和 点的熵值可以确定，将减去，结果乘以 和，得到 SIMULINK 模块，根据制冷剂的比热和卫生热水的初始温度，卫生热水的质量流量可以求得。对第 i 次循环，将减去，计 算 结 果 乘 以和，然 后 加 上 模 块，则卫生热水供应装置的火用损失可以得到，如图 3 所示。图 3 卫生热水供应装置的仿真模型 制冷与卫生热水工况下，系统仿真模型包括压缩机(compressor)，卫生能热水供应装置(hr1)，冷凝器(air condenser)，膨 胀 阀(valve)及 蒸 发 器(evaporator)。并将系统运行时间 t 作为输入参数，可以计算并显示出卫生热水水温上升的过程曲线，如图 4 所示。图 4 制冷-卫生热水工况下系统仿真框图 3 风冷热泵复合冷凝过程仿真结果与分析 图 5 和图 6 分别为机组目的火用 效率随冷凝温度和蒸发温度的变化图。图 5 蒸发温度为 0时，机组目的火用 效率随冷凝温度的变化图 从图 5 可以看出，机组目的火用 效率随着冷凝温度的升高是逐渐降低的。而由图 6 可知，机组目的火用 效率随着蒸发温度的升高是逐渐提高的。这是由于在常规的冷凝蒸发模式下，随着冷凝温度的升高，向21,122/)(hhhhciss2CCCCCCCCiX3sxis0Trefm)(Tm30refxiss is1is0Thrwm)(Tm30refxiss 2Tshwi1hriIn1Out1Out2swo-swiIn2In1Out1Out2Out3Out4s3-sxi43Txi20T0Divide2Divide1-K-Cref273Constant2Add5Add4Add3Add22In21In1中国科技期刊数据库 工业 A-57-外界环境排放的冷凝热增加，机组总的火用 损增大，而随着蒸发温度的升高，蒸发器的火用 损减少，机组总的火用 损也减少。以上说明选择合理的冷凝温度和蒸发温度，即合理的冷凝蒸发模式，将提高机组运行性能。由于复合冷凝热泵热水空调机组在冷凝端采用了复合冷凝技术，使冷凝温度降低，这将提高机组的目的火用 效率，改善机组性能。图 6 冷凝温度为 40时，机组目的火用 效率随蒸发温度的变化图 如图 7，制冷-卫生热水工况风冷冷凝器火用 损和卫生热水装置火用损随时间变化图。卫生热水供应装置的火用 损随时间是逐渐减少的，而风冷冷凝器的火用 损逐渐增大，且卫生热水供应装置的火用 损比风冷冷凝器的要少，这是由于随着时间的推移，卫生热水供应装置的换热量减小，因此传热火用 损也减小，而风冷冷凝器的换热量逐渐增大，故传热火用 损也增大。图 7 制冷-卫生热水工况风冷冷凝器火用 损和卫生热水装置火用 损随时间变化图（环境温度为 25，冷凝/蒸发温度为 40/0）。上图 7 表示热泵热水空调机组在制冷-卫生热水（部分热回收）工况下机组性能参数的变化情况。图 7中，卫生热水供应装置的火用 损随时间是逐渐减少的，而风冷冷凝器的火用 损逐渐增大，且卫生热水供应装置的火用 损比风冷冷凝器的要少，这是由于随着时间的推移，卫生热水供应装置的换热量减小，因此传热火用 损也减小，而风冷冷凝器的换热量逐渐增大，故传热火用 损也增大。图 8 制冷-卫生热水工况下目的火用效率随时间的变化图 图8给出了机组的目的火用 效率随时间的变化以及与不进行热回时目的火用 效率的比较图。从图 8 可以看出，采用复合冷凝技术实现热回收后，机组的目的火用 效率提高了约 5%，并随时间逐渐降低，这是由于在热回收过程中，随着热水箱的水温不断的升高，热回收器的换热温差逐渐减小，回收的热量火用 也逐渐减少，热水火用 效率逐渐降低，因此机组的目的火用 效率随时间逐渐降低。图 9 制冷-卫生热水工况下热水火用 效率随时间的变化图 图9给出了机组的目的火用 效率随时间的变化以00.511.5205101520系统火用损（kW）运行时间（min）热回收装置中国科技期刊数据库 工业 A-58-及与不进行热回时目的火用 效率的比较图。从图 9 可以看出，采用复合冷凝技术实现热回收后，机组的目的火用效率提高了约 5%，并随时间逐渐降低，这是由于在热回收过程中，随着热水箱的水温不断的升高，热回收器的换热温差逐渐减小，回收的热量火用 也逐渐减少，热水火用 效率逐渐降低，机组的目的火用 效率随时间逐渐降低，与图 8 结论一致。图 10 制冷-卫生热水工况下生活热水性能系数随时间的变化图 图 10 是热水性能参数的变化图，其变化趋势与图9 热水火用 效率变化趋势相同，从 1.7 左右逐渐减小。热水性能参数的变化趋势与热水火用 效率相同，从 1.7 左右逐渐减小。热回收器的火用 损随时间的变化，其火用 损逐渐增加，这时候热回收器火用 损代替了常规风冷冷凝器的火用 损。热水火用 效率初始达到了 17%，图 10 显示了热水箱中水温随时间的变化情况，部分冷凝热回收工况下，水箱水温从 24升高到 52所需的时间为 15 分钟，且水温增加的速度越来越慢，这是由于水温升高的同时，热水与制冷剂的传热温差逐渐减小，直到热水进出口的温差几乎为0时，卫生热水供应装置换热停止，热水水箱水温也不再上升，机组转换为常规制冷工况运行。单位时间内制冷-卫生热水工况，即部分热回收的热量约为机组冷凝热的 30%。图 11 制冷-卫生热水工况下热水箱水温随时间的变化图 4 结论及下一步工作 由以上仿真分析结果可以得知，复合冷凝热泵热水空调机组由于采用了复合冷凝技术，其机组运行的冷凝温度将降低，蒸发温度将升高，机组的目的火用 效率提高了，同时很好的回收了热量火用来制取卫生热水，与传统的风冷热泵装置相比，机组的整体性能都有了很大的提升。根据已有的在传统的风冷热泵运行模式下的实验数据证实该仿真模型是可靠的，该模型可用于复合冷凝过程的仿真。为了进一步验证该仿真模型，将对复合冷凝/蒸发四功能热泵热水空调机组进行实验研究，并将测试数据与风冷热泵装置复合冷凝过程进行对比。参考文献 1吕清泉,陈飞虎.复合冷凝过程综合能效评价模型及算例J.仪器与设备,2023(11):32-39.2陈飞虎,龚光彩,孙小琴.离心式制冷机组复合冷凝过程热力学仿真J.第二十届热能与动力工程会议J.暖通空调,2017,47(338):148-152.3LiPingWang,GuangcaiGong,FeihuChen,etal.Finite-TimeThermodynamicSimulationofCirculating Direct Condensation Heat Recovery on Chillers.The 7th International Green Energy ConferenceJ.March,2012(4).4 黄 峻 伟,王 辉 涛,王 华.蒸 汽 压 缩 式 热 泵 的 有 限 时 间 热 力 学 分 析 及 优 化 J.昆 明 理 工 大 学 学00.511.5205101520热水性能系数(COPw)运行时间（min）中国科技期刊数据库 工业 A-59-报,2021,37(3):45-49.5曹业玲,夏文庆,蒋彦龙.三热力系统耦合性能研究J.世界科技研究与发展,2019,29(5):57-61.6邑鹏宇.小型船用蒸汽动力系统热力学分析及优化D.哈尔滨:哈尔滨工程大学,2012.7张朋,姚秋峰,杨雨燊.基于有限时间热力学的换热器构型优化研究J.低温与超导,2021,50(1):57-61.8李涛.间接式污水源热泵系统有限时间热力学优化研究D.哈尔滨:哈尔滨商业大学,2021.