一臺典型空氣源熱泵熱水器產品的火用分析

張銀瀟,李科群,湯 盛

(上海理工大學動力工程學院,上海200093)

空氣源熱泵熱水器具有高效節能的優點,其耗電量約為同等容量電熱水器的1/4,而且加熱時間短、水電完全分離,作為一種節能的新產品雖然開發時間不長,但已經得到了市場的認可,近年來發展迅速。當然,與電熱器相比空氣源熱泵熱水器的結構和運行過程比較復雜,每一個部件和每一步運行都可能影響到最后的熱效率。為進一步了解空氣源熱泵熱水器系統的性能,本文將對一臺典型的空氣源熱泵熱水器產品進行熱力學分析,包括對產品主要部件的運行進行火用分析,探索改進的目標。

1 空氣源熱泵熱水器結構、運行工況參數

本文的分析對象,是某公司的生產的KQR-76型空氣源熱泵熱水器,熱水器的額定輸入功率為17.6 kW,額定產熱量 75.8 kW,額定熱水溫度55℃,產水量1.63 m3/h。

1.1 結構和運行

空氣源熱泵熱水器主要由壓縮機、熱水交換器、膨脹閥和空氣熱交換器組成,如圖1所示。熱水器在運行時通過液態工作介質(KQR-76型采用制冷劑R22)在低溫低壓的蒸發器內吸收外界空氣中的熱量(4→1過程),蒸發成蒸氣。經壓縮機壓縮成高溫高壓蒸氣(1→2過程)。高溫高壓蒸氣再通過冷凝器放熱(2→3過程),加熱換熱器另一側的水。制冷劑經過膨脹閥降壓降溫后(3→4過程),再回到蒸發器吸熱,如此反復循環。這樣,空氣中的低品位能量就能變為高品位能量,提供給用戶[1]。

1.2 各狀態點的熱力學參數

根據空氣源熱泵熱水器在運行時,系統各點(即圖1中所示各點)測得的溫度 T和壓強p等參數值,到制冷劑R22的壓焓圖查得狀態點1,2,3,4點的比焓h和比熵s,到未飽和水與過熱蒸汽表里查得狀態點5和6點的比焓h和比熵s,到空氣焓-熵圖查(或蒸汽焓-熵圖)得狀態點7和8點的比焓h和比熵s,再根據計算公式得比火用ex,而比火用ex與各運行系統的質量流量乘積就是火用EX。圖1中各狀態點的熱力學參數見表1。

1.3 效能指標

和電動熱泵型空調或者其他常用的制冷設備一樣,目前的空氣源熱泵熱水器效能指標也采用性能系數(COP)和制冷系數(EER)來進行評價。

圖1 空氣源熱泵熱水器的結構和運行原理

表1 空氣源熱泵熱水器各個點的工況參數

但是本文將運用性能系數(COP)與一次能源利用率(PER)對熱泵進行評估,后者是指供熱量與熱泵消耗功量折合成一次能量的比值[2]。

假設系統處于穩定狀態,由于流體在輸送過程中能量損失和流動損失比較小,因此對其予以忽略。性能系數:

式中:Q h為制熱量,根據產品說明本案取75.8 kW;W0為熱水器的額定輸入功率,本案為 17.6 kW;ηεy為電廠的供電效率(供電量與燃料的發熱量之比),一般為35%左右;ηi為壓縮機的指示效率,取 0.95;ηm為壓縮機的摩擦效率,取0.95;ηd為傳動效率,取0.95;ηo為電動機的效率,取0.95。

根據式(1)和式(2),KQR-76型空氣源熱泵熱水器的COP為3.51,PER為1.23。

2 空氣源熱泵熱水器的火用計算

火用效率是指把系統或設備中作為收益的火用與作為代價的火用之比值,即作為收益的火用/作為代價的火用?；鹩脫p失包括在不可逆過程中產生的火用耗散和在系統與環境的相互作用中產生的火用損失?？諝庠礋岜脽崴鞯幕鹩脫p失為系統各部件的各項火用損失之和:

火用損失系數是指用能系統或設備的某一環節的火用損失占全部火用損失的比例,因此它明確了系統或設備的火用損失分布情況。熱力學完善度則是指某一過程或環節的輸出火用與輸入火用的比值ε,顯然0≤ε≤1。ε越小的環節不可逆損失越大,是用能改進的主要目標[4]。

根據文獻[5-9],可得壓縮機的火用損失、火用損失系數、火用效率的計算公式;熱水交換器的火用損失、火用損失系數、火用效率、熱力完善度的計算公式;膨脹閥的火用損失、火用損失系數、熱力完善度的計算公式;空氣熱交換器的火用損失、火用損失系數、火用效率、熱力完善度的計算公式;空氣源熱泵系統的火用效率、熱力完善度的計算公式。

2.1 壓縮機

輸入壓縮機的功量W 為21.6 kW,壓縮機中工質進口的火用值EX1,根據表1為15.42 kW;壓縮機中工質出口的火用值EX 2,根據表1為24.53 kW。

由此可以得到壓縮機的火用損失為12.49 kW。

式中:∑EX為空氣源熱泵熱水器系統的火用損失23.38 kW,

可以得到壓縮機的火用損失系數為0.534 2。

(3) 火用效率

由此可以得到壓縮機的火用效率為0.421 7。

(4) 熱力學完善度

由此可以得到壓縮機的熱力學完善度為0.662 6。

2.2 熱水交換器

EX 2為熱水交換器中工質入口的火用值,也是壓縮機中工質出口的火用值,根據表1為24.53 kW;EX 3熱水交換器中工質出口的火用值,也是膨脹閥中工質入口的火用值,根據表1為18.78 kW;EX 5和EX 6分別為熱水交換器中冷卻水進出口火用值,根據表1分別為0 kW和3.71 kW。

(1) 火用損失

EXcond=(EX2-EX3)-(EX6-EX5)由此可以得到熱水交換器的火用損失為2.04 kW。

(2) 火用損失系數

式中:∑EX為空氣源熱泵熱水器系統的火用損失23.38 kW。

由此可以得到熱水交換器的火用損失系數為0.087 3。

(3) 火用效率

由此可以得到熱水交換器的火用效率為0.645 2。

(4) 熱力學完善度由此可以得到熱水交換器的熱力學完善度為0.916 8。

2.3 膨脹閥

工質在膨脹閥中的節流過程是一個等焓過程,h3=h4。EX3熱水交換器中工質出口的火用值,也是膨脹閥中工質入口的火用值;EX4為膨脹閥中工質出口的火用值,也是空氣熱交換器中工質入口的火用值。

(1) 火用損失

由此可以得到膨脹閥的火用損失為1.93 kW。

(2) 火用 損失系數

由此可以得到膨脹閥的火用損失系數為0.082 55。

(3) 熱力學完善度

由此可以得到熱水換熱器的熱力學完善度為0.897 2。

2.4 空氣熱交換器

EX1為壓縮機中工質進口的火用值,也是空氣熱交換器中工質出口的火用值;根據表1為15.42 kW。EX 4為膨脹閥中工質出口的火用值,也是空氣熱交換器中工質入口的火用值,根據表1為16.85 kW。EX 7和EX8分別為空氣熱交換器前后火用值,根據表1分別為0 kW和-8.35 kW。

(1) 火用 損失

由此可以得到空氣熱交換器的火用損失為6.92 kW。

(2) 火用損失系數

式中:∑EX為空氣源熱泵熱水器系統的火用損失23.38 kW。由此可以得到空氣熱交換器的火用損失系數為0.296 0。

(3) 火用 效率

由此可以得到空氣熱交換器的火用效率為0.171 3。

(4) 熱力學完善度

由此可以得到空氣熱交換器的熱力學完善度為0.419 58。

2.5 空氣源熱泵系統

EX5和EX6分別為空氣源熱泵系統中冷卻水進出口火用值,根據表1分別為0 kW 和3.71 kW。

EX7和EX 8分別為空氣源熱泵系統前后火用值,根據表1分別為0 kW和-8.35 kW,W 為輸入壓縮機的功量,kW,根據上面得21.6 kW。

(1) 火用效率

由此可以得到空氣源熱泵系統的火用效率為0.171 8。

(2) 熱力學完善度

由此可以得到空氣源熱泵系統的熱力學完善度為0.558 3。

3 火用計算結果的分析

上述的計算結果可以總結如表2。

表2 空氣源熱泵和各部件的火用計算結果

從表可以看出,在運行時,系統的火用效率低于大多數設備的火用效率,這是由空氣源熱泵熱水器系統的特性和火用效率計算的原理決定的。設備的火用效率反映了設備的熱力過程的不可逆性,在系統效率的計算中,反映了系統的不可逆程度,而系統的不可逆是各個設備不可逆性的綜合,這就使得系統的火用效率低于大多數設備的火用效率。

熱水交換器的熱力學完善度為0.916 8,而火用效率為0.645 2,說明熱力完善度高的設備火用效率不一定很高。膨脹閥的熱力學完善度為0.90,而火用效率為0,可以推知,當設備的火用效率為零時,其熱力學完善度可以不等于零,表明此設備的熱力學完善性不一定最差,如對輸出的無效火用進行再生或再利用的話,仍可以獲得節能效益,只有當設備的火用效率和熱力學完善度都很低的時候才能判斷該設備的性能較差。所以評價設備或系統的用能性能時,應該把熱力學完善度和火用效率結合起來加以考慮。

壓縮機和空氣熱交換器的熱力學完善度較低,不可逆損失較大,應是用能改進的主要目標;空氣熱交換器的火用效率(0.171 3)是系統火用效率最低的,并且熱力完善度(0.419 6)也是系統熱力完善度最低的,這表明,要想提高整個系統的用能效率,就必須先提高空氣熱交換器設備的效率。

4 結論

(1)KQR-76型空氣源熱泵熱水器的性能系數COP(3.51)雖然高,但不能夠表明系統各部件對能量品質利用已經很合理了,還必須通過對空氣源熱泵熱水器的各部件進行火用效率、火用損失、火用損失系數、熱力學完善度的分析,明確系統各部件對能量品質利用的情況。

(2)空氣熱交換器的火用效率是系統火用效率最低的,并且熱力完善度也是系統熱力完善度最低的,表明系統中還可能有不合理處,可以通過對空氣熱交換器進行技術改造,提高其換熱性能,可以進一步節約能源。

(3)空氣源熱泵系統包括熱泵機組、空氣源系統和末端熱水用戶系統三個主要部分,本文主要對熱泵機組、空氣源系統進行了熱力學分析,要使整個系統的能源利用進一步完善,還需對末端熱水用戶系統進行進一步研究。

(4)本文的熱力學分析方法,不只是能分析空氣源熱泵熱水器類產品,對于其它(空調、冰箱、冷庫等)系統,只要能測出各部件前后運行狀態點參數,就可按照本文對空氣源熱泵熱水器的熱力學分析方法去評價系統各部件對能量品質利用的情況。

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