不同水箱盘管结构对热泵热水器性能的影响研究

发布时间：2020-04-29 12:56

【摘要】：随着我国经济持续稳定的发展,国内热泵热水器(HPWH)的市场占有率急剧上升,尤其在我国南方,家用热泵的普及率达到50%。为使系统结构紧凑,热泵热水器水箱采用内置盘管式,这种结构避免了因添加循环水泵和单独设置冷凝器而带来的能量损失。本文构建的家用空气源热泵热水器能基本实现全年提供150L/50°C的生活热水,满足三口之家全年的生活热水需求。本文对空气源热泵热水器的重点问题,水箱中冷凝盘管的结构和性能优化、系统蓄能/用能特性,进行了理论和实验研究。首先,建立包括蒸发器、压缩机、节流装置和内置换热盘管的水箱在内的整个热泵热水系统的耦合模型。求解耦合模型的关键点在于,通过管内制冷剂与水箱内的热水进行的热交换将螺旋盘管模型和水箱模型联系在一起。使用Fluent计算水箱内温度场和速度场,使用MATLAB编写热泵循环模型的计算程序。其次,采用温度场分布和自然对流努塞尔数Nu作为评价冷凝盘管结构对水箱热性能影响的指标。以变径盘管结构为例,使用耦合模型模拟分析了冷凝盘管的主要结构因素:螺旋间距、螺旋直径对水箱加热性能的影响。通过分析,采用变径盘管的热泵热水器在温度分布和传热性能方面都优于采用传统等径盘管的热泵热水器。减小螺旋间距和合理设计螺旋直径均有利于提高水箱内的温度分布和盘管换热特性。同时需注意控制压降和冷凝盘管成本,以达到最优设计。优化设计并制作了变径盘管,以R22为工质,采用某品牌外机搭配内置盘管式保温水箱,在南京地区搭建了该热泵热水器实验台,可以制取150L/50°C的生活热水,可实现蓄能和用能过程。在南京地区,实验测试不同进口水温条件下箱内热水温度变化情况,检验了耦合模型的精确性,模拟结果与实验值吻合较好。进一步测试了实验样机中水箱的保温性能,将热水箱静置于自然环境中,测试水箱中各层水温的逐时变化情况,结果认为该水箱具有良好的保温效果。基于前文建立的耦合模型对热泵热水器水箱的蓄能与用能过程进行了仿真分析。以温度场分布、传热性能、系统运行效率等作为评价指标,对等径盘管和变径盘管结构下的热泵热水器运行性能进行对比。结果显示:在蓄能过程中,当采用变径盘管时,螺旋盘管相对曲率半径不断变小,管中的二次流变强,从而提高了管内流体的换热系数。因此,变径盘管结构下的箱内热水平均温度较高,且竖直方向上的最大温差更小,冷凝器侧传热系数提高了20.00%,系统COP提升了10.23%。在用能过程中,变径盘管在底部加热面积大,可以很好地中和来自水箱进口的冷水,使水温不至于下降得过快,对上层高温水的保护作用增强。因此,变径盘管的平均传热系数是665.8W·m~(-2)·K~(-1),略高于等径盘管,虽然冷凝器侧传热系数和系统COP提升幅度不大,但释能效率和热水输出率分别比等径盘管提高了7.74%和9.70%。以变径盘管结构下的热泵热水器为研究对象,对比分析了系统在不同进口温度、不同用水流量条件下的系统运行特性,并在搭建的实验台上实际测试了系统在多种环境工况下的实际性能。结果显示:进口水温越低,加热至设定温度所需要的时间越长,而冷凝器侧的平均换热系数越大,整个加热过程的平均COP越大。用水流量越小,热水温度迅速下降的时刻越靠后,单位释能时间和有效用水时间越长,释能效率和热水输出率越高。本文搭建的家用空气源热泵热水器的综合性能良好,根据各种工况下的实测数据,机组的平均COP均能保持在3.68以上。
【图文】：

盘管,单层

吕传超等[28]提出一种置于水箱底部的变直径冷凝盘管结构，研究结果表明，水温分层现象得以改善，这种变直径盘管结构的提出，为水箱内部盘管换热性能的优化提供了更多的参考。以上基于盘管换热器结构尺寸对水箱内部温度场和速度场的影响研究中，盘管螺旋直径的不同主要体现的是盘管水平方向上变化的影响，盘管间距的不同、盘管上下布置位置的不同主要体现的是盘管竖直方向上变化的影响。传统的沉浸式盘管换热器也存在一些缺点：换热能力不够；受盘管加热的热水上升时与箱内的冷水掺混造成能量损失；加热过程水温不断上升，使冷凝压力不断变化工作状况不稳定，尤其后期容易造成超压危险。为了克服沉浸式盘管换热器的不足，避免冷热水掺混，短时间内就能在水箱上部获取到热水，，避免热泵系统制冷剂超压的危险等，学者们不断探索新型冷凝换热盘管型式。Spur 等[29]分别建立了内含双层盘管、单层盘管和对折盘管的三种不同盘管结构的水箱模型（如图 1-3），研究了不同盘管结构条件下水箱的用能性能。研究发现，双层盘管水箱的热水出流量比单层盘管水箱高 10%，而比对折盘管水箱的热水出流量高 32%具有明显优势。

几何形状,盘管,水箱,网格划分

(a) 等径盘管 (b) 变径盘管图 2-5 盘管及水箱的网格划分质量即网格几何形状的合理性，直观而言，网格各边或各个内角相差分扭曲的网格质量好。对于本案例，FLUENT 输出的网格质量评 Orthogonal Quality（最小正交质量）、Max Ortho Skew（最大正交歪 Aspect Ratio（最大长宽比）。imum Orthogonal Quality：0.475。最差为 0，最好为 1，一般情况下要求 Ortho Skew：0.263。取值范围为 0~1，越小越好。imum Aspect Ratio：4.4。最佳值为 1，一般不超过 5。. 边界条件的设定AMBIT 中网格划分完毕之后，对边界条件进行初步设定并生成网格条件类型见表 2.1。表 2.1 模型边界类型的设定
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TU822

【参考文献】