微通道直膨式太陽能熱泵實驗平臺設計與應用

孔祥強, 高 琛, 董山東, 姜開林, 喬尚游

(山東科技大學 機械電子工程學院, 山東 青島 266590)

微通道直膨式太陽能熱泵實驗平臺設計與應用

孔祥強, 高 琛, 董山東, 姜開林, 喬尚游

(山東科技大學 機械電子工程學院, 山東 青島 266590)

根據實驗教學的需要并結合科研項目,設計并搭建了基于微通道換熱技術的直膨式太陽能熱泵系統綜合實驗平臺,熱泵循環工質為R134a。實驗平臺主要由裸板式太陽能集熱/蒸發器、壓縮機、微通道冷凝器、蓄熱水箱、電子膨脹閥、數據采集與控制系統等組成。開發了基于LabVIEW虛擬儀器軟件的數據監控系統,實現了溫度、壓力、太陽輻射強度、環境風速、功率等運行參數的自動檢測、顯示、存儲和報警等功能。應用表明,該實驗平臺性能穩定、測量精度高、操作方便,而且功能擴展性好,有利于培養學生的創新精神、實踐能力、科研能力和團隊合作能力。

太陽能熱泵；微通道換熱器； 實驗平臺； 熱性能

直膨式太陽能熱泵有效集成了太陽能熱利用技術和熱泵技術,通過集熱器吸收來自太陽輻射或環境空氣中的熱量,經過熱泵循環在冷凝器側將熱量輸出,用于供暖和制取生活熱水,是實現建筑節能和可再生能源利用以及污染物減排的有效技術之一[1-3]。R134a(四氟乙烷,CH2FCF3)對臭氧層無破壞作用,具有良好的熱力學性能,用于熱泵熱水系統時,其排氣溫度和冷凝壓力均低于R22(二氟一氯甲烷,CHF2Cl),有利于系統的安全高效可靠運行[4-7]。近年來,微通道技術已經成為熱泵空調行業的重要研究方向。微通道換熱器作為一種緊湊式高效換熱器,可利用其強化相變傳熱的特性增強管內制冷劑對流換熱,具有結構緊湊、傳熱性能好、耐壓能力強、所需存儲工質量小等優點[8-10]。將微通道換熱技術應用于直膨式太陽能熱泵,可以有效提高系統熱力性能。

本文結合科研項目和專業課實驗教學特點,設計并搭建了一套微通道直膨式太陽能熱泵系統實驗平臺。對于理工科專業來說,實驗是培養和提高學生應用知識能力、實踐創新能力、研究能力和團隊合作能力的重要環節[11-13]。借助構建的實驗平臺,學生可以開展不同工況的系統性能測試實驗、系統循環動態特性實驗、系統性能可調節性實驗等,深入研究系統變工況特性,獲得系統核心部件的最佳結構設計參數和運行操作參數,揭示系統全工況性能最優集成方法,探索太陽能熱泵系統對不穩定熱源的自適應運行控制的理論依據和實踐方法。

1 實驗裝置及原理

微通道直膨式太陽能熱泵實驗平臺(以下簡稱實驗平臺)主要包括太陽能集熱、熱能品位提升、蓄熱3個部分,循環工質為R134a,實驗裝置原理圖見圖1。其中,太陽能集熱設備采用裸板式太陽能集熱器,板材為工業純鋁,上表面噴涂光譜選擇性材料(太陽能光譜吸收率為0.92),下表面進行噴塑處理,不設任何透明蓋層或保溫材料。圖1中示出了集熱管橫截面形狀和尺寸,單位為mm。集熱管間距37 mm,集熱板有效集熱面積為1.56 m2。

圖1 實驗裝置原理圖

熱能品位的提升通過壓縮式熱泵機組實現,由蒸發器(也即太陽能集熱器,下文簡稱集熱/蒸發器)、滾動轉子式壓縮機、冷凝器、電子膨脹閥等組成。壓縮機理論排氣量為10.2 cm3/rev,電機額定輸入功率為370 W。冷凝器由12根微通道扁管換熱單元組成，每個扁管換熱單元(見圖2)的外形尺寸為1 450 mm×25 mm×2 mm,設置18個微通道,微通道當量直徑為1 mm。

圖2 微通道扁管換熱單元(單位:mm)

冷凝器基材為工業純鋁,單面有效換熱面積為0.435 m2。蓄熱設備為蓄熱水箱,采用承壓式不銹鋼內膽設計,微通道冷凝器盤繞在內膽外側并與之緊密接觸,外壁選用聚氨酯發泡劑作為保溫材料,水箱凈容量195 L。

裝置工作原理:R134a作為集熱介質在太陽能集熱/蒸發器內直接吸收太陽輻射能而蒸發,以低溫低壓的過熱氣體狀態被壓縮機吸走,經壓縮過程提升壓力和溫度后進入冷凝器,將熱量釋放給蓄熱水箱內部的水,在冷凝器出口成為過冷液體狀態,經電子膨脹閥節流降壓后返回集熱/蒸發器,繼續循環,直至蓄熱水箱內的水溫達到設定溫度。

2 數據采集與控制系統

為了對系統變工況運行特性進行全面研究,需要長時間測試系統在不同工況下的實際運行數據。學生在分析整理大量實驗數據的基礎上,獲得有意義的實驗結論。實驗平臺測試參數包括R134a循環狀態參數(溫度和壓力)、太陽輻射強度、環境溫度和風速、集熱/蒸發器表面溫度、蓄熱水箱內部水溫、壓縮機輸入電功率等,主要測點布置見圖1。實驗平臺采用RTU-308N型和RTU-307J型數據采集控制器。表1為平臺采用的傳感器類型和測量精度。

表1 傳感器類型和測量精度

各傳感器將采集數據轉化為4～20 mA模擬量信號,并輸出至數據采集控制器,通過RS485或RS232通信接口將信號傳輸給計算機。實驗過程中,學生可以根據集熱/蒸發器出口過熱度控制范圍實時調節電子膨脹閥開度,優化系統運行參數。學生通過計算機輸入電子膨脹閥開度值,利用VI程序轉化為參數值并傳輸給數據采集控制器,再轉化為0～5 V模擬量信號輸出給膨脹閥驅動器,實現膨脹閥開度的調節控制。數據采集與控制系統總體架構如圖3所示。

圖3 數據采集與控制系統總體架構

利用LabVIEW虛擬儀器軟件作為開發平臺,構建了直膨式太陽能熱泵多路數據監控系統,實現了系統運行參數的自動檢測、顯示、存儲和報警等功能。監控系統包括顯示實時數據的前面板和程序開發的后面板。前面板能夠實時顯示各路數據,可以輸入數據采集的時間間隔和電子膨脹閥開度等,可以進行系統啟停操作,并對數據進行存儲和分析。后面板主要分為Modbus RTU協議程序和監控系統程序兩部分。

3 實驗平臺主要功能

依托實驗平臺,圍繞不同參數對系統熱力性能的影響特性(包括環境參數、結構參數和運行參數)、兩相流微通道傳熱特性、基于過熱度的優化運行控制方法、系統最優集成方法等內容開設一系列綜合性、設計性和研究性實驗。學生可以靈活地確定實驗目標,自行設計實驗方案,展開探索性和創新性研究,可以選擇獨立完成或團隊合作的模式。

表征直膨式太陽能熱泵系統的熱性能指標主要有熱水平均加熱功率、系統平均供熱性能系數、集熱/蒸發器的平均集熱效率等。熱水平均加熱功率Qw為

(1)

式中:cpw為水的比熱容,Mw為蓄熱水箱容水質量,tw,1、tw,2分別為實驗開始和結束時蓄熱水箱內的平均水溫,τ為熱水總加熱時間。

系統平均供熱性能系數COP為

(2)

式中:Wcom為整個熱水加熱過程中的壓縮機耗電量。

集熱/蒸發器的平均集熱效率ηc為

(3)

式中:qm為集熱/蒸發器內部制冷劑質量流量,h1、h2分別為集熱/蒸發器的進、出口的焓值,Ac為集熱/蒸發器的有效集熱面積,IT為垂直投射到集熱板表面的太陽輻射強度,n為整個熱水加熱過程的時間步長總數,i為第i個時間步長。

4 實驗結果與分析

圖4為青島地區某晴天白天的太陽輻射強度IT、環境溫度ta、室外風速uw隨時間變化曲線。從5:20到19:00的過程中,IT先升高后降低,約在12:20達到最大值748 W/m2。ta從14.2 ℃逐漸升至最大值21.5 ℃,而后逐漸將至14.5 ℃。uw在0～3.5 m/s之間波動,平均室外風速1.1 m/s。

圖4 某典型日環境參數的變化曲線

不同實驗工況下的系統熱性能指標見表2,表中數據均為整個熱水加熱過程中的平均值。可以看出,較高的IT和ta均可以有效提高系統COP值和減小τ值。當IT=679 W/m2、ta=32.1 ℃、uw= 0.33 m/s時,將195 L水從31.1 ℃加熱至50 ℃,τ僅為153 min,系統COP增至4.69。另外,當集熱板表面溫度低于ta時,集熱板不僅可以吸收太陽輻射熱量,還可以從環境空氣中吸收熱量,使得集熱/蒸發器的有效得熱量增加,這種工況下的ηc會大于1。比如,當IT=360 W/m2、ta=7.2 ℃、uw= 1.19 m/s時,將195 L水從10.9 ℃加熱至42.4 ℃的ηc=1.15。

表2 不同實驗工況下系統熱性能指標

5 結語

設計構建的微通道直膨式太陽能熱泵系統實驗平臺,實現了科研成果與實驗教學的有機結合和良性互動。借助此實驗平臺,可以開出一系列綜合性、設計性和研究性實驗,完成太陽能熱利用、熱泵、強化傳熱、能量系統熱力學分析方法等相關課程的實驗教學任務,也可用于專業課程設計、畢業設計、認識實習、生產實習和研究生培養等。而且,該實驗平臺的功能可以進行模塊化擴展,如將相變蓄熱技術、地板采暖技術、高效太陽能集熱技術、變頻技術等引入到實驗系統中。該實驗平臺已應用于本科生和研究生的實驗實踐教學,激發了學生的學習興趣和創新意識,提高了學生的獨立思考能力,以及發現、分析和解決實際問題的能力,獲得了良好的教學效果。

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Design and application of experimental platform for micro-channel direct expansion solar energy heat pump

Kong Xiangqiang， Gao Chen， Dong Shandong， Jiang Kailin， Qiao Shangyou

(College of Mechanical and Electronic Engineering， Shandong University of Science and Technology， Qingdao 266590， China)

According to the requirements of the experimental teaching and in combination with scientific research projects, a comprehensive experimental platform for the direct expansion solar heat pump system based on micro-channel heat exchange technology is designed and built, and the working fluid of the heat pump is R134a. The platform consists of the bare solar collector/evaporator, a compressor, a micro-channel condenser, a hot water storage tank, an electronic expansion valve, a data acquisition and control system, etc. A data monitoring system based on the LabVIEW virtual instrument software is developed, and the functions such as the automatic detection, display, storage and alarm for the temperature, pressure, solar radiation intensity, ambient wind speed, power and other operating parameters are realized. The application shows that the platform has the advantages of the stable performance, high measurement accuracy, easy operation and good function expansion, which is beneficial for cultivating students’ innovative spirit, practical ability, scientific research ability and team cooperation ability.

solar heat pump; micro-channel heat exchanger; experimental platform; thermal performance

10.16791/j.cnki.sjg.2017.12.019

2017-06-12

2016教育部高等學校能源動力類專業教育教學改革項目重點項目；青島市黃島區科技項目(2014-1-40)

孔祥強(1976—),男,山東曲阜,博士,副教授,研究方向為熱泵技術和太陽能熱利用.

E-mail：kxqiangly@126.com

TK519;G484

A

1002-4956(2017)12-0077-04