冷凝器面積對空氣源熱泵制熱性能的影響研究

庫慧益，向德寧，侯忠平，林蔚，張楚安，徐帥，吳學(xué)紅*

冷凝器面積對空氣源熱泵制熱性能的影響研究

庫慧益1，向德寧1，侯忠平1，林蔚1，張楚安1，徐帥2，吳學(xué)紅2*

（1.湖北中煙工業(yè)有限責(zé)任公司 武漢卷煙廠，武漢 430050； 2.鄭州輕工業(yè)大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，鄭州 450002）

研究低溫條件下空氣源熱泵的烘干性能。論文主要采用焓差法研究在換熱面積和室外溫度（溫度為7、?12、?20 ℃，相對濕度為65%）不同時(shí)，空氣源熱泵的制熱量、輸入功率、能效等性能。在7 ℃環(huán)境中，增加室內(nèi)側(cè)換熱器面積，熱泵的制熱量提高了19%，系統(tǒng)能效提升了14%，但輸入功率增加了5%；在?12～?20 ℃環(huán)境中，增加室內(nèi)側(cè)換熱器面積，熱泵的制熱量提升了5%，系統(tǒng)能效提升明顯，最大可提升27%，輸入功率最大降低為17%。增加室內(nèi)側(cè)換熱器面積，系統(tǒng)焓差降低，但是能提高系統(tǒng)在低溫下的循環(huán)風(fēng)量，制熱性能更加優(yōu)異。

熱泵干燥；低溫空氣源熱泵；換熱器面積；制熱效果；系統(tǒng)能效

我國糧食產(chǎn)量連續(xù)8年保持在1.3萬億斤以上，但每年因氣候等原因來不及干燥、干燥不及時(shí)或未達(dá)到儲藏水分要求而造成霉變、發(fā)芽的糧食高達(dá)百分之五以上[1]。為了提高食品貯存性能，必須進(jìn)行適當(dāng)?shù)母稍?。目前谷物干燥技術(shù)主要有常壓熱風(fēng)干燥、冷凝法除濕干燥、熱泵干燥等[2]。熱風(fēng)干燥是目前常用的技術(shù)之一，熱風(fēng)干燥設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)簡單便捷，能耗高，熱風(fēng)溫度難以準(zhǔn)確控制，影響干燥成品的品質(zhì)；同時(shí)由于被干燥物料在常壓下直接與熱空氣接觸，物料容易氧化并導(dǎo)致其中的活性物質(zhì)被破壞[3]。冷凝法除濕干燥技術(shù)[4]可以用于糧食干燥，但運(yùn)行成本高、效率低且排水不便。相比之下，熱泵干燥是一種高效節(jié)能的干燥技術(shù)[5]。該技術(shù)利用熱泵循環(huán)系統(tǒng)將低溫低濕的空氣吸入熱泵蒸發(fā)器中，經(jīng)過壓縮和膨脹等過程，將空氣的溫度和濕度升高，然后將高溫高濕的空氣送入干燥室中，以完成物料的干燥過程[6]?？諝庠礋岜酶稍锛夹g(shù)隨著熱泵技術(shù)的發(fā)展而興起，具有高能效比，能夠減少大氣污染物和溫室氣體的排放[7-8]。然而，當(dāng)空氣源熱泵干燥技術(shù)應(yīng)用于寒冷的氣候條件下時(shí)，往往會面臨排氣溫度過高、制熱量嚴(yán)重減少以及能效較低等缺點(diǎn)[9]。

如何提升在寒冷條件下的空氣源熱泵的干燥性能，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究工作。Erbay等[10]研究表明通過改進(jìn)熱泵干燥系統(tǒng)冷凝器結(jié)構(gòu)可以解決壓縮機(jī)存在效率低下的問題。於海明等[11]研發(fā)了一種帶噴氣增焓裝置的空氣源熱泵系統(tǒng)，將其用于糧食干燥，發(fā)現(xiàn)噴氣增焓技術(shù)可顯著提高熱泵系統(tǒng)在低溫下的性能系數(shù)。陳坤杰等[12]研發(fā)了一套熱泵式低溫循環(huán)谷物干燥機(jī)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了低溫循環(huán)式谷物干燥機(jī)和熱泵系統(tǒng)的一體化控制。王洋等[13]研究了增大室外側(cè)蒸發(fā)器面積對空氣源熱泵冷熱水機(jī)組蒸發(fā)溫度的影響，結(jié)果顯示，當(dāng)蒸發(fā)器面積增大一倍后，熱泵的蒸發(fā)溫度平均升高了2.5 ℃，機(jī)組在不同地區(qū)的結(jié)霜時(shí)間減少了5.21%～82.96%。吳治將等[14]通過改變空氣源熱泵熱水器的V形蒸發(fā)器的夾角進(jìn)行優(yōu)化對比分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)2個(gè)換熱面的夾角增大時(shí)，蒸發(fā)器換熱面的迎面風(fēng)速也相應(yīng)增大，機(jī)組的運(yùn)行性能也隨之提高。Guo等[15]通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬對空氣源熱泵的性能進(jìn)行了探究，結(jié)果表明系統(tǒng)的制熱能效隨著蒸發(fā)器面積的增大而增大。Ibrahim等[16]研究冷凝盤管的長度對熱泵性能的影響，確定了與最佳能效匹配的最短冷凝盤管長度。王曉春等[17]利用數(shù)值模擬研究了蒸發(fā)器進(jìn)口風(fēng)量對熱泵性能的影響，結(jié)果表明，熱泵系統(tǒng)制熱量與蒸發(fā)器入口風(fēng)速成正比。張小艷等[18]搭建了以R417A為工質(zhì)的空氣源熱泵試驗(yàn)臺，發(fā)現(xiàn)當(dāng)冷凝器入口水溫一定時(shí)，冷凝器的總換熱量和制熱系數(shù)均隨入口水流量的增加而增大。

綜上所述，雖然近年來對空氣源熱泵干燥性能研究較多，但研究大多集中在對蒸發(fā)器的改進(jìn)，這些改進(jìn)措施系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，初期投資昂貴，不利于實(shí)際應(yīng)用。同時(shí)，在冷凝器優(yōu)化方面做得還比較少，因此本文從熱泵熱風(fēng)機(jī)的冷凝器面積改進(jìn)著手，研究熱泵熱風(fēng)機(jī)冷凝器面積對其制熱性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)原理及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

空氣源熱泵熱風(fēng)機(jī)性能檢測系統(tǒng)如圖1所示。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用帶中間補(bǔ)氣的渦旋式壓縮機(jī)，額定制熱量為4.5 kW，額定功率為1.35 kW。制冷劑選用R410A，充注質(zhì)量為1 200 g。蒸發(fā)器采用翅片管式親水鋁翅片，翅片間距為（2.5±0.2）mm，換熱器規(guī)格為620 mm×609 mm×240 mm。

圖1 空氣焓差法測量原理

冷凝器均采用翅片管式親水鋁翅片，對照組換熱器翅片間距為（1.2±0.2）mm，翅片厚度為0.105 mm，換熱器規(guī)格為560 mm×63.5 mm×441 mm。其結(jié)構(gòu)為2排21孔，分3個(gè)回路，換熱器面積為14.4 m2。實(shí)驗(yàn)組換熱器面積選擇為對照組換熱器的1.5倍，翅片間距、翅片厚度和換熱器結(jié)構(gòu)同對照組。

節(jié)流機(jī)構(gòu)采用電子膨脹閥，可對熱泵工況進(jìn)行更高精度的調(diào)節(jié)。實(shí)驗(yàn)測量和計(jì)算的參數(shù)有空氣相對濕度、室內(nèi)外盤管溫度、室內(nèi)機(jī)送回風(fēng)干濕球溫度、壓縮機(jī)吸排氣溫度，及其對應(yīng)的壓力、循環(huán)風(fēng)量和焓差等。室內(nèi)機(jī)送回風(fēng)口干濕球溫度和空氣相對濕度由取樣風(fēng)機(jī)測量計(jì)算，測量精度為0.01 ℃，室內(nèi)外盤管溫度、壓縮機(jī)吸排氣溫度由布置在其上的熱電偶測量，T型銅－康銅熱電偶精度為±0.5 ℃，鉑電阻Pt100精度為±0.1 ℃；壓縮機(jī)吸排氣壓力由壓力傳感器測量，循環(huán)風(fēng)量和焓差由焓差實(shí)驗(yàn)室測量計(jì)算，測得的風(fēng)量和焓差相乘即可得到熱風(fēng)機(jī)的制熱量。壓力傳感器（CT-336RYB），精度為±1%。實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

為了研究室內(nèi)側(cè)換熱器面積對熱泵熱風(fēng)機(jī)制熱性能的影響，實(shí)驗(yàn)在標(biāo)準(zhǔn)焓差實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行（配有工況機(jī)、加熱器、加濕器），并依照GB/T 25857—2022《低環(huán)境溫度空氣源多聯(lián)式熱泵（空調(diào)）機(jī)組》[19]中的測試方法進(jìn)行測試。選用不同面積換熱器的室內(nèi)機(jī)，模擬室內(nèi)溫度為20 ℃，研究室外溫度（7、?12、?20 ℃）對熱泵機(jī)組的制熱量、輸入功率、熱泵系統(tǒng)能效COP、循環(huán)風(fēng)量和焓差的影響，探研室內(nèi)換熱器面積對熱泵熱風(fēng)機(jī)換熱效果的影響特性。實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)原理如圖2所示。

圖2 熱泵熱風(fēng)機(jī)系統(tǒng)原理

通過改變室內(nèi)機(jī)換熱器面積的大小，分析換熱器面積對空氣源熱泵制熱效果的影響，室外機(jī)的安裝如圖3所示，實(shí)驗(yàn)組和對照組的實(shí)驗(yàn)裝置如圖4a、b所示。其中，圖4a為掛機(jī)，圖4b為座機(jī)。

圖3 室外機(jī)裝置

1.3 計(jì)算公式

在空氣焓差實(shí)驗(yàn)室，可測得總耗功為，送風(fēng)量為，進(jìn)風(fēng)口焓值為0，空氣經(jīng)處理后焓值為N，通過理論計(jì)算可得到的參數(shù)如下。

熱泵系統(tǒng)制熱量：

熱泵系統(tǒng)能效（COP）計(jì)算公式見式（2）。

圖4 室內(nèi)機(jī)組安裝

2 結(jié)果與分析

2.1 熱泵常溫工況（7 ℃）制熱測試結(jié)果

從表1可以看出，當(dāng)熱泵熱風(fēng)機(jī)在常溫工況制熱時(shí)，增加冷凝器面積，制熱量增加19%，這是因?yàn)樵黾邮覂?nèi)側(cè)換熱器面積，熱泵熱風(fēng)機(jī)制熱的循環(huán)風(fēng)量增加，制冷劑與循環(huán)風(fēng)的換熱更加充分。與此同時(shí)，壓縮機(jī)的輸入功率也隨之增加，增加幅度為5%，由于制熱量的增加幅度大于壓縮機(jī)輸入功率的增加幅度，熱泵系統(tǒng)的制熱性能提高了14%。

從表1還可以看出，增加室內(nèi)側(cè)換熱器的面積，制熱量增加，循環(huán)風(fēng)量增加，系統(tǒng)的焓差減小。這是因?yàn)橹茻崃渴茄h(huán)風(fēng)量和焓差的乘積，制熱量增加的幅度比循環(huán)風(fēng)量增加的幅度大。因此，系統(tǒng)的焓差減小。

2.2 熱泵名義工況（?12 ℃）制熱測試結(jié)果

從表2可以看出，當(dāng)熱泵熱風(fēng)機(jī)在名義工況制熱時(shí)，增加室內(nèi)冷凝器面積，制熱量增加了5%，壓縮機(jī)的輸入功率降低了17%，制熱性能提高了27%。這是因?yàn)楫?dāng)熱泵熱風(fēng)機(jī)在溫度較低的室外環(huán)境中工作時(shí)，由于循環(huán)風(fēng)量增加，空氣和冷媒的換熱更加充分，換熱效果較好，冷凝溫度降低，系統(tǒng)壓縮比減小，壓縮機(jī)的輸入功率下降，系統(tǒng)性能提升。

從表2還可以看出，增加室內(nèi)側(cè)換熱器的面積，循環(huán)風(fēng)量增加39%，系統(tǒng)的焓差減小26%。這是因?yàn)橹茻崃吭黾拥姆葲]有循環(huán)風(fēng)量增加的幅度大，所以系統(tǒng)的焓差下降。

2.3 最小運(yùn)行工況（?20 ℃）制熱測試結(jié)果

從表3可以看出，當(dāng)熱泵熱風(fēng)機(jī)在常溫工況制熱時(shí)，增加室內(nèi)換熱器的面積，制熱量降低了1.5%，壓縮機(jī)的輸入功率降低了15.1%。由于制熱量的降低幅度小于壓縮機(jī)輸入功率的降低幅度，導(dǎo)致系統(tǒng)的制熱性能提高了15%。

從表3還可以看出，增加室內(nèi)側(cè)換熱器的面積，循環(huán)風(fēng)量增加39%，但是系統(tǒng)的焓差減小26%。這是因?yàn)橹茻崃繙p小，而循環(huán)風(fēng)量增加，因此，系統(tǒng)的焓差下降。

表1 在常溫工況（干球溫度為7 ℃、濕球溫度為6 ℃）下的制熱性能對比

Tab.1 Comparison between the heating performance under normal temperature working conditions (dry-bulb temperature is 7 ℃ and wet-bulb temperature is 6 ℃)

表2 熱泵在名義工況（干球溫度為?12 ℃、濕球溫度為?14 ℃）下的制熱性能對比

Tab.2 Comparison between the heating performance of heat pump under nominal working conditions (dry-bulb temperature is ?12 ℃ and wet-bulb temperature is ?14 ℃)

表3 熱泵在最小運(yùn)行工況（干球溫度為?20 ℃、濕球溫度為?24 ℃）下的制熱性能對比

Tab.3 Comparison between the heating performance of heat pump under minimum operating conditions (dry-bulb temperature is ?20 ℃ and wet-bulb temperature is ?24 ℃)

3 結(jié)語

本文從提高空氣源熱泵熱風(fēng)機(jī)的制熱性能出發(fā)，分析了冷凝器換熱面積和環(huán)境溫度對空氣源熱泵制熱性能的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：

1）當(dāng)熱泵熱風(fēng)機(jī)在常溫工況制熱時(shí)，增加室內(nèi)側(cè)換熱器的面積，熱泵熱風(fēng)機(jī)的制熱量提高了19%，輸入功率增加了5%，總體上系統(tǒng)的COP提升了14%。

2）熱泵熱風(fēng)機(jī)在名義工況和最小運(yùn)行工況制熱時(shí)，增加室內(nèi)側(cè)換熱器面積，熱泵熱風(fēng)機(jī)的制熱量最高可提高5%，輸入功率最大降低17%，系統(tǒng)的COP最大可提升27%。因此，熱泵熱風(fēng)機(jī)在低溫工況制熱時(shí)，增加室內(nèi)側(cè)換熱器面積，更有助于提升制熱效果。

3）熱泵熱風(fēng)機(jī)在低溫工況制熱時(shí)，增加室內(nèi)側(cè)換熱器面積，焓差有所降低，循環(huán)風(fēng)量提高，制熱效果良好。因此，空氣源熱泵熱風(fēng)機(jī)在低溫環(huán)境中制熱時(shí)，增加室內(nèi)側(cè)換熱器的面積，更有利于提高系統(tǒng)的制熱量和制熱能效。

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Effect of Indoor Heat Exchanger Area on the Heating Performance of Air Source Heat Pump Blower

KU Huiyi1, XIANG Dening1, HOU Zhongping1, LIN Wei1, ZHANG Chuan1, XU Shuai2, WU Xuehong2*

(1. Wuhan Cigarette Factory, China Tobacco Hubei Industrial Co., Ltd., Wuhan 430050, China; 2. School of Energy and Power Engineering, Zhengzhou University of Light Industry, Zhengzhou 450002, China)

The work aims to study the drying performance of air source heat pump at low temperature. The enthalpy difference method was used to study the heating capacity, input power and energy efficiency of air source heat pump under different heat transfer area and outdoor temperature (temperature: 7, ?12, and ?20 ℃ and relative humidity: 65%). In 7 ℃ environment, increasing the area of indoor heat exchanger could increase the heating capacity by 19%, the coefficient of performance of system (COP) by 14%, but the input power by 5%. In the environment of ?12-?20 ℃, as the area of indoor heat exchanger increased, the heat output of the blower could be increased by up to 5%, theCOPof the system could be increased by up to 27%, and the input power could be decreased by up to 17%. The enthalpy difference can be reduced by increasing the area of the indoor heat exchanger, so the circulating air flow rate can be increased at low temperature, providing better heating performance.

heat pump drying; low temperature air source heat pump; heat exchanger area; heating effect; coefficient of performance of system

TB657

A

1001-3563(2024)01-0028-06

10.19554/j.cnki.1001-3563.2024.01.004

2023-03-30

中原科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才項(xiàng)目（234200510011）；鄭州市協(xié)同創(chuàng)新專項(xiàng)（校重大重點(diǎn)項(xiàng)目培育）（2021ZDPY0107）；智匯鄭州·1125聚才計(jì)劃創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)領(lǐng)軍團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目