影响热泵COP的因素与节能途径分析.pdf

文章编号:?1005?0329(2007)01?0064?05影响热泵 COP 的因素与节能途径分析陈则韶1,江?斌1,史?敏2,樊高定2(1.中国科学技术大学,安徽合肥?230027;2.合肥通用机械研究院,安徽合肥?230031)摘?要:?从有效能流失入手,对影响蒸气压缩式热泵 COP 的各种因素进行了分析,并加以举例计算说明。最后提出了压缩式热泵的节能途径。对影响热泵 COP 的因素进行分析,对设计高效热泵有一定的参考价值。关键词:?热泵;有效能利用率;节能中图分类号:?TQ051.5?文献标识码:?AAnalysis of Factors Influencing the COP of Heat?pump and Energy?savingM ethodsCHEN Ze?shao1,JI ANG Bin1,SHIM in2,FAN Gao?ding2(1.University of Science and Technology ofChina,H efei230027,China;2.HefeiGeneralM achinery Research Institute,Hefei230031,China)Abstract:?M any factors influencing theCOP of a co mpression?type heating heat?pump were analyzed based on the loss of theenergy.The changes of energy efficiency caused by the factors were shown by the exa mples,and some energy?saving methodswere discussed.Its useful to design a high efficiency heat?pump.K ey words:?heat?pump;energy efficiency;energy?saving1?热泵工作原理热泵的工作流程如图 1所示。图 1?基本型热泵流程示意热泵工作情况:把热量 Q1从低温输送到高温,消耗了电能 w,获得了热量 Q2。据能量守恒定律:Q1+w-Q损失=Q2(1)所以出现?Q2 w。?热力学把功和电能的品质定为 1,热量的品质是用热量中所含的最大可做功能的份额来表示,即可以用理想热机的效率或卡诺热机效率来表示。工作在热源温度 T 和环境温度 T0的卡诺热机效率是(1-T0/T2),这即是温度为 T 的热量的品质标度。(1)热泵获得热量的品质标度为:1-T0T2(2)(2)热泵工作的必要条件:输入的有效能必须大于得到的有效能。(3)热泵的火 用效率:?u=Euw=(1-T0T2)COP=(1-T0T2)(?+1-a)(3)热泵的火 用效率?u Eu。而得到的热量 Q2 Qh。这是利用余热来制冷或制热的原理。(4)有效能损失份额:(1-?u)为有效能损失的份额,是提高热泵COP 的潜力。(5)热泵的极限 COP 值COPmax=1/(1-T0T2)=T2T2-T0(4)2?影响热泵系统 COP 值的各种因素2.1?传热温差的影响逆卡诺循环热泵是不可能实现的,因为其蒸发器的吸热和冷凝器的散热没有考虑换热温差,在接近零温差下换热要无穷长的时间和极大的换热面积,这是不现实的。为了使吸热和放热能以一定传热速率进行,制冷设备的冷凝器和蒸发器都设计有一定传热温差。设冷凝器传热温差为 Th,蒸发器传热温差为 Tc,冷凝温度为 Th(比热水温度 T2高 Th),蒸发温度为 Tc(比环境温度 T0低 Tc)。假设有逆卡诺循环热泵工作在热源温度为 Th,冷源温度为 Tc时,其理论 COP 为:COP T=ThTh-Tc=T2+ThT2+Th-(T0-Tc)=T2+ThT2-T0+(Th+Tc)(5)当 T0=283.15K,T2=323.15K,且 Th=Tc时,COP T与 Tc的关系如图 2所示。图 2?传热温差对 COP 的影响在蒸发器温差为 10!,冷凝器温差为 4!时,不考虑实际循环的不可逆损失,本例的理想逆卡诺循环 COP 约 6.06,制热量为 Q2=COP Tw。考虑传热温差时热泵的热力完善度或火 用效率为:?u=COP TCOPmax=(T2+Th)(T2-T0)T2-T0+(Th+Tc)T2?(6)在本例工况下进行逆卡诺循环的热泵热力完善度见图 3。在蒸发器温差为 10!,冷凝器温差为 4!时,热力完善度约 0.750。图 3?传热温差对热力完善度的影响2.2?实际工质与逆卡诺循环的差别(1)实际工质理论循环实际工质理论循环参见图 4,其约定是:低压饱和蒸气 1绝热压缩至 2,等压放热至饱和液态点3,等焓节流至 4,在低压下等压蒸发吸热至 1。图4(a)为 p?h图,用于计算较方便;图 4(b)为 T?s图,用于定性分析较方便。该理论循环除等焓节流外均当作可逆过程,所以可以用工质状态图的平衡参数进行计算。(a)?p?h(b)?T?s图 4?理论压缩制冷循环 p?h图和 T?s图图 4中各点参数见表 1,蒸发温度 279.15K,652007年第 35卷第 1期?流?体?机?械?冷凝温度 327.15K,表中数据来自文献 1。表 1?理论热泵循环各点参数参数1222#344#压力 p(MPa)0.49792.1762.1761.582.1760.49790.4979温度 T(K)273.15353.15328.15328.15328.15273.15273.15焓 h(kJ/kg)404.6442.0416.74431.5270.17270.17264.1熵 s kJ/(kg K)1.7491.7491.67531.7491.22841.25191.2284?为分析区分方便,我们把不考虑循环内部的不可逆损失的实际工质理论循环,简称为近实际循环。近实际循环消耗功:w=h2-h1=37.4(kJ/kg)(7)近实际循环总制热量:Q=h2-h3=171.83(kJ/kg)(8)近实际循环 COP 值:COP=Qw=4.59(9)近实际循环的?u:?u=(1-T0/T2)COP=0.570(10)(2)似逆卡诺循环。假设实际工质也组织如图 4所示的 12#234#的类似逆卡诺循环,即 12#为等熵压缩,2#2 为等温压缩放热,23为等压等温凝缩放热,34#为等熵膨胀,4#1为等压等温蒸发,那么该循环所消耗的功为:等温压缩功:w#=h2#-h1=26.9(kJ/kg)(11)等温压缩时制热量:Q#=h2#-h3=161.3(kJ/kg)(12)似逆卡诺循环 COP:COP=Q#w#=6.00(13)似逆卡诺循环热力完善度?u逆:?u逆=Euw=(1-T0T2)COP=0.744(14)上述计算结果与逆卡诺循环基本相等。(3)实际工质排气过热产生的有效能损失。过热段的制热量:Qg=h2-h2=25.3(kJ/kg)(15)增加热量与多消耗功:w=w2-w2#=10.5(kJ/kg)(16)过热段的 COP 值:COPg=Qg/w=2.41(17)过热段的 COP 值远小于正常的 COP 值,所以压缩机非等温近绝热压缩有效能损失很大。(4)等焓节流是熵增过程,使循环从环境中少吸收的热量为:Qj=T4(s4-s4#)=6.419(kJ/kg)(18)等焓节流少吸收的热量实际是以消耗功为代价。(5)近实际循环与似逆卡诺循环的比较如表2所示。表 2?近实际循环与似逆卡诺循环的比较项目制热量(kJ/kg)消耗功(kJ/kg)COP?uCOP之比近实际循环171.8337.44.59 0.5700.765似逆卡诺循环161.325.36.00 0.7441.0这说明节省压缩功对提高制冷系数有重要作用。2.3?电、机、流运动中不可逆因素的影响上几节分析时除等焓节流外各过程均为可逆过程。实际上组织热泵循环有各种运动,电机内电流流动,压缩机滑体运动,制冷工质流动,这些运动都存在着许多不可逆因素,如:(1)流体流阻使压缩机出口压力升高,进气压力降低;(2)压缩机的滑块摩擦使气体发热,熵增加;(3)压缩机电机的焦耳热、电磁涡流产生的热量使压缩气体温度升高,使压缩功增大。这些不可逆因素使得热泵实际循环压焓图与理想的或近理想的逆卡诺循环压焓图有较大差别,图 5为实际热泵循环分析示意。2.3.1制冷剂的流动阻力的影响由于制冷的流动阻力使冷凝压力升高和使蒸发压力降低,压比增大,导致压缩功增大。假设实际循环中,吸收蒸气过热 10!,因流动蒸发器出口压力下降 0.02 MPa,冷凝器压力上升 0.03MPa,并考虑压缩入口蒸气有 10!的过热度,则实际工质循环的情况是:从点 1b%2b%3%4%1b。各点的状态参数见表 3。66?FLUIDMACH I NERY?Vol?35,No?1,2007表 3?各点状态参数参数11b22b2b#34压力 p(MPa)0.49790.47792.1762.4762.4762.1760.4979温度 T(K)273.15283.15353.15373.15382.15328.15273.15焓 h(kJ/kg)404.6412442.0458465.8270.17270.17熵 s kJ/(kg K)1.7491.781.7491.781.811.22841.2519(a)p-h(b)T-s图 5?实际热泵循环分析示意有流动阻力循环消耗功:wF=h2b-h1b=46(kJ/kg)(19)有流动阻力循环总制热量:Q=h2b-h3=187.3(kJ/kg)(20)有流动阻力循环 COP 值:COP=Qw=4.07(21)有流动阻力循环循环热力完善度?u:?u=Euw=(1-T0T2)COP=0.505(22)2.3.2综合考虑电机和压缩机的影响假设完成单位千克工质一次循环所需输入的电功为 win,因流动阻力使压力变动后实际工质理论循环功为 wF,压缩机定熵效率为?p=0.95,电机的效率为?d=0.90,?d与电机性能和工作状态有极大关系,表观上与电流平方成正比,因此起动时期和低电压运行时,电机的效率很低,则有:win=wF(?d?p)(23)因为压缩机和电机的发热,使排气在图 5中从点 2b移到点 2b#,由 1b点做定熵线与等冷凝压力 p2b线交点为点 2b,查得点 1b和点 2b焓 h1b和h2b并求出焓差为 wF,而后据式(20)可算出win,即可算出 h2b#,也即得到点 2b#位置。考虑内部不可逆因素,单位千克工质一次循环计算结果为:总输入功:win=wF(?d?p)=53.8(kJ/kg)(24)h2b#=h1b+win=465.8(kJ/kg)(25)制热量:Q2=h2b#-h3=195.7(kJ/kg)(26)热泵的 COP:COP=Q2win=3.64(27)热力完善度:?u=(1-T0T2)COP=0.451(28)图 5中循环 1b%2b#%3%4%1b的热泵 COP为 3.64,比实际工质理论循环 COP 值 4.59下降20.7%。2.4?过冷法提高热泵 COP采用逆流式凝结换热器回收凝结液体的过冷热量是提高热泵的 COP 值的有效方法。过冷法回收热量的限度:Q过冷=h3-h3a(29)h3a受冷凝换热器进水温度的限制,一般过冷后制冷剂温度要比进水温度高几度。若本例的过冷度为 8!,h3a=258.7(kJ/kg)有过冷时制热量:Q2=h2b#-h3a=207.1(kJ/kg)(30)有过冷时 COP:672007年第 35卷第 1期?流?体?机?械?COP=Q2win=3.85(31)有过冷时热力完善度:?u=(1-T0T2)COP=0.477(32)过冷增加制热量:Q过冷=h3-h3a=11.5(kJ/kg)(33)过冷增加制热量约占总制热量的 6.7%。2.5?最终结果与分析结果汇总单位千克工质一次循环热泵性能分析结果如表 4所示。表 4?一次循环热泵性能分析结果影响因素理想极限考虑传热温差实际工质考虑流动阻力考虑电机压缩机效率有过冷制热量(kJ/kg)171.83187.3195.7207.1消耗功(kJ/kg)37.446.053.853.8COP8.086.064.594.073.643.85?u1.00.750.5700.5050.4510.4773?热泵 COP 值变化热泵 COP 值与很多因素有关,例如:出水温度、环境温度、冷凝器和换热器的温差、工质流动压降、电机和压缩机效率、热损系数等因素有关。图 6所示为水温度在 50!时热泵 COP 随环境温度的变化趋势。值得说明的是,图 6曲线不能代替各工厂热泵的实际性能曲线。热泵的实际性能曲线需要通过实验测定,或在对各基本要素测定的基础上,依据上述分析才能给出。图 6?热泵性能曲线示例4?压缩热泵设备的节能途径通过对压缩制冷设备的 COP 和有效能利用率?u进行详细分析,指明了提高压缩制冷设备热效率的途径,归结起来有:(1)强化冷凝器和蒸发器的传热,合理降低传热温差。?(2)使冷凝液过冷度提高,尤其节流前不能有干度出现。(3)提高压缩机和电机性能,避免低电压过流运行,减少频繁起动,或采用变频压缩机。(4)适当设计流速,减小流阻损失;低压蒸气适度回热。各节能措施的有效性也与上述排序相同。作为提高制冷设备热效率的更为有效的方法莫过于冷热两利用,这可成倍地提高热力完善度。冷暖空调热水三用机是冷热两利用热泵具体实例 2,3。冷热两利用的方法,理论上它可以使热力完善度接近于 1,因为一切不可逆过程损失的功都可以转化为热量而加以利用,除了在输送途中损失的热量外。冷热两利用的关键是要寻找利用冷量和热量的场合。日常生活中,热水是人们一年四季都要使用,而通常是用电热水器来制取。冷热两利用还可解决普通热泵热水器过热超压问题。参考文献 1?日本机械学会.流体?热物性值集 M.明善印刷株式会社,1983.366?371.2?陈则韶.江斌,胡艹凡,等.一种四季节能的空调机制热水的新技术 J,制冷学报,2004,(4):54?59.3?陈则韶,一种四季节能冷暖空调热水三用机 P.中国:02116049.X,2002,12.作者简介:陈则韶(1943?),教授,博导,通讯地址:230027安徽合肥市金寨路 96号中国科学技术大学热科学与能源工程系。68?FLUIDMACH I NERY?Vol?35,No?1,2007