An experimental exergetic comparison of four different heat pump.doc

摘要：在本研究中, 为了对他们的高能性进行实验性的对比，我们设计了一个多功能热泵系统，它仅使用一个涡旋式压缩机并且可以在四个不同的模式中运行，也就是:空气-空气模式,空气-水模式,水-水模式,以及水-空气模式,
实验系统包括两个冷凝器和两个蒸发器，并且使用R22作为工作流体。其中的一个蒸发器
和冷凝器使用水，另外一个则使用空气作为热源。通过调整质量流量和冷凝器外部流体温度使四个热泵类型加热能力相等。结果表明,热泵机组COP(性能)系数值最大的是水类型，其系数值为3.94,其次是水-水型，系数值为3.73；空气-空气类型，系数值为3.54；空气-水类型，系数值为：3.40空气水类型。四种热泵效率排名效率如下;空气-水类型为30.23%,空气-空气类型30.22%,空气-水类型与24.77%,水-空气型水-水型为24.01%。在这项研究中对(火用)破坏率也进行了调查,结果表明,热泵中最大(火用)破坏是在2.93千瓦的条件下的空气-空气的类型，第二个最高的空气,水在2.84千瓦下的空气-水类型。第三类型则是2.64 千瓦下的水-空气类型最后一个是在2.55千瓦水-水类型。据悉,蒸发器外部流体蒸发器的温度比质量流率对能量的效率的影响大。与之前研究的相比,蒸发器质量外部流体流量是主导参数，其对热泵装置能量消损影响最大。
1. 引言
目前，高效的能源利用是最世界环境和生态保护重要的问题之一。随着如全球变暖,化石燃料等传统能源的枯竭以及能源成本的增加等环境和能源问题，它已变得让人担忧。此外,世界上大部分的能源被消耗于住宅区和其他的建筑群或者是工厂中的加热和冷却程序中。根据最近的研究中,用于住宅和建筑活动中的能量约占世界上能源消费总量40%，而其中很大一部分用于加热和冷却装置[2]。高效能源使用,包括废热回收和可再生能源的应用,可以减少二氧化碳排放和减缓全球变暖。太阳能热水系统和太阳能源热泵提供一种新的、清洁的方式给世界上的建筑加热。因此,这些系统可以用来减少环境影响和空气排放。在许多应用程序中他们提供最节能的方式来加热和冷却,就像在他们在我们周围环境可以使用可再生热源[3]。
其中的一个加热装置可以提供更经济和更有效加热应用热泵系统,它能提供多种来减少化石能源的消耗的方式,并有望减少住宅区供暖/制冷能源传送的成本相比传统的加热和制冷系统，于其高利用效率，热泵以独有的优势广泛使用的系统在许多装置中。那些系统于1940-1950年间首次出现，比其他传统的加热系统有优势。
热泵系统在加热过程中不产生废气,而且也比其他的系统使用的能量少。此外,热泵有能力使用丰富的自然资源比如空气源、地热能、废热和土壤的热量。热泵不仅被广泛的用于空调和制热装置,而且可以在各种设施中冷却,生产热水和预热水, 包括办公室建筑、公共建筑、计算机中心、餐馆。且热泵应用程序驱动能量的类型,系统的规模、操作条件、不同的冷热源,和应用程序类型有很大的变化。热源的温度对热泵的使用效率有很大的影响。一般来说热泵单元用于各种具有特定属性热装置，因此他们独特的设置。简而言之,他们提供高水平的舒适，,能显著减少电能的损耗，是环境友好型的系统。
一个简单的热泵系统包括四个主要的部分：压缩机,两个热交换器(冷凝器和蒸发器)和膨胀阀,许多辅助组件可以用于热泵如阀门、恒温器,一些测量工具、水泵、风扇,或额外的加热器。
为了改进技术和改变世界各地换热需求，新的热泵的主要类型和结构做出了很大的改变。使用组件的属性对热泵性能和热力行为都是有效的。此外,热源和散热片的热性和类型对热泵的性能影响很大。排气湖水,河水、地下水、地球、石头、废水和污水是最常用的
热源和热汇。
在热泵系统中最常用的是热汇和热源是世界上的环境空气和水。环境空气很容易获得，可作为热泵的免费热源。然而,
空气源热泵系统的热力学性能
减少了在供热季节对下降的空气温度的依附性，而在制冷季节增加了对空气温度的依附性。
。因为水的传热性能,水源热泵系统比空气源热泵更能提供一些性能优势。热泵
系统有多种的类型和组合，他们适合几乎任何应用程序。为了供暖,他们可以
分为基本类型,这些基本类型由热源，热源的供应地，以及媒介所决定。
,热泵通过媒介来吸收或抵制每一个地方的热量。两种热交换器的传热设备可以是液体
(水或乙二醇混合物)或空气;有时是两者的组合。而描述热泵的类型,通常先描绘热源,紧随其后的是热能的目的地或热汇。常用的主要类型有空气-空气、中,
水-水,水-空气,空气-水,地面-水，以及地面-空气类型。由于热泵的进步和发展，它在世界范围内被广泛使用热泵的结构、使用在热泵系统中的组件的类型和大小
已经改变非常由于这些发展目前,更复杂，现代的热泵系统已经研发出来。因此,
有必要对不同的热力泵在热力学性能和经济性方面作对比，,在热源和热汇的角度来确定哪个更好一些,水或空气。
根据热源、热汇,被使用的地区,以及用于制冷剂工作流体、结构和组件的能力等，许多关于热泵的不同类型，以及对们做的一些实验性比较或模拟的研究和调查报告已经在一些公开文献中发表。;Swardt和Meyer[5]报道结合直辖市水网状系统可逆地源热泵技术的性能与为空间加热制冷的空气源热泵进行了实验性的比较。地面源系统与空气源系统均在冷却和加热周期中进行的模拟实验的比较。结果显示在空调行业中热量源/热汇中市水网状系统的运用，尤其是是在加热模式中，是优化能源使用的空气一个可行的方法,。
是在环境空气温度低,地源热泵比空气源热泵有显著的能力(24%)和效率改进
(20%)。珀蒂和迈耶[6]在南非对空气源系统和水平地面源系统的经济可行性
做了对比研究。为了实现这一目标, 我们确定了每月的加热和冷却能力和两个系统的性能系数，并计算出了系统的回报期、净现值和内部收益率，从而得出了地源系统比空气源系统可行。
Urchueguia et al[7]对地下耦合热泵系统和传统的空气水源热泵系统进行了实验比较.
,侧重于加热和冷却能源的性能。整个气候季节的结果表明在主要能源消耗方面地热系统在供热模式下节省了传统系统消耗的43 +/-17%的能源，制冷模式下则节省了37+/ -18%.结果还表明,地源热泵系统在欧洲南部可有效的替代传的统加热和冷却系统。在土耳其这项研究作为基于实际的操作数据对热泵的高能性进行评估。第一种是是为研究低温地热资源,设计和建造的地源热泵系统。而另一个带有垂直地面热交换器地源热泵。Esen et al[9]对地面耦合泵系统(GCHP)和空气耦合热泵(ACHP)系统在经济和技术方面做了对比研究。
实验结果于2004年秋季获得。测试结果表明,系统参数对性能有重要影响,对于空间冷却GCHP比 ACHP系统在经济上更加可取。热泵系统是根据热力学性能进行对比，而这种性能主要依赖于用于大多数对比研究中的制冷剂的类型。Venkataramanamurthy和Kumar[10]也做出了研究，对能量、(火用)流,和 R22第二定律效率做出了实验对比，成为R436b(52%的丙烷和48%的异丁烯(R600a)的碳水化合物的混合物),蒸汽压缩制冷循环的替代品。
对R22和R436b制冷循环中的(火用)流的各中点的制冷循环和第二定律效率进行了对比,。低效率的地区用图表的方式表示出来。Heetal 的研究中对单蒸发器的家用冰箱进行调查，这种冰箱用R22 / R142b制冷剂混合物代替R12来使用。稳态热力循环分析显示，与R12相比，R22 /R142b在性能系数上的增加了3% -5% ，在质量分数方面增加了0.3 -0.6。
基于挪威家庭的看法，Sopha[12]等人对影响选择供热热系的因素做出了研究。
电加热、热泵和木颗粒加热与木颗粒加热进行对比。本研究对两个独立样本进行问卷调查。
第一个样本由188随机选择的挪威家庭,主要是利用电热和第二个示例
由使用木颗粒供暖的461家庭组成。他们的研究结果表明社会人口学因素,家庭之间的交流,以及对供暖系统属性重要性的认识应用策略决定都对挪威家庭有影响。
他们并对对可能出现的问题及政策创新的应对措施进行了讨论。Bakirci等人为了调查太阳能一土壤源热泵系统的的性能，在埃尔祖鲁姆省冬季时候进行了了调查。
调查显示热泵和此系统反而的性能指数发现范围分别为3.0 -3.4和2.7-3.0。它也声称
此系统为土耳其寒冷地区的埃尔祖鲁姆省住宅供暖。在S.P. Lohani的研究中两种不同的固定温度下对建筑系统供热的植物化石和地-空气源热泵在的能量和火用流进行分析，分析结果显示在环境参考系统下的地源热泵化石植物(传统系统)和空气源热泵比地面参考系统有更好的性能。
基于entransy理论,郭江丰和淮秀兰[15]发展了（IAH)化学热泵的多参数优化的方法
在优化过程中,热泵系统消耗的低温热量普遍减少，而被热泵回收的高温热显著增加，在另一项由Megger进行的研究展现了LowEx技术在样品，试点和模拟中的使用，并对我们的新混合PV-thermal(PV / T)面板,正在进行的试点建设项目集成系统的操作,性能模拟和成本以及基于我们目前的办公室改造项目动态模拟进行了实验性评估。LowEx系统提供了许多加热冷却建筑物的方法，在温和的温度和热泵可利用更多宝贵能源，由李等人进行的研究中，对直接扩张太阳能辅助热泵热水器(DXSAHPWH)额定的750 w输入功率下进行了测试和分析。通过春季的实验研究和对系统性能热力学分析,提出了一些系统优化建议,然后建设了一个在额定功率下工作的小型DX-SAHPWH，并对此进行了分析和检测。通过对DX-SAHPWH(A）和（B）每个组件进行火用分析，可以看出压缩机和收集器/蒸发器的火用损失很大,紧随其后分别是的是冷凝器和膨胀阀。托雷斯雷耶斯等人对为空气进行加热的太阳能辅助热泵的火用流进行了理论和实验的分析。
把实验样机作为太阳能辅助或作为一个传统的热泵进行了测试,以确定活用效率、总系统不可逆性和组件不可逆性。提出了确定最佳工作流体的温度蒸发和冷凝的步骤中确定最佳流体温度的方法。一个接触式等温热泵干燥机的数值模拟板(HPD)是用来检查该系统的与传统的HPD系统相比改进能源效率的改进。[19]。通过模拟实验把一块复杂的板,产品和空气流模型与其余的HPD组件合成一体,以解决干燥机内的质量、动量和能量平衡的问题。
另外还有各种研究对不同类型的热泵也进行了对比分析。大多数的研究是针对两种热泵系统。相互比较的两个系统或是在不同的地区,或是有不同的环境条件或用于不同的目的，
不同的地方或使用不同的工作液体的制冷剂。此外,热泵在不同的条件下运行并测试，从而进行比较研究，或是对具有不同的加热能力和不同属性的热泵进行比较。例如,Venkataramanamurthy和Kumar[10]两个热泵之间的性能进行了比较研究，其中一个使用R22和另一个使用R436b作为制冷剂。另外, Petit and Meyer [6]也对两个热泵系统的性能进行了对比，因为他们是耦合到一个直辖市水网状系统可逆的地源热泵和常规空气源热泵。Kavak, Akpınar和 Hepbaslı[8]的对比研究中对土耳其地区的两种不同属性的地源火用心能进行了评估。
不同于其他,在这项研究中我们对加热装置的四个不同的热泵的能量和火用流进行了全面的调查研究。为谁西安这一目标我们设计和建立了一个多功能热泵装置。四个不同的热泵系统可以再一个系统中运行，而且仅仅使用一个压缩机和管道。多功能热泵实验装置在四个不同模式下运行,分别是空气-空气中,空气-水,水-空气和,空气-水模式。此装置安装在土耳其埃尔祖鲁姆阿塔土尔克大学的机械工程系实验室中。
系统以R22为制冷剂,另外四个系统加热能力是相等的。实验系统包括两个冷凝器分别用于水和空气的冷却，两个蒸发器，分别用于水和空气的加热，以及两个蒸发器和一个压缩机。
在阀门的作用下制冷剂的方向可以很容易在蒸发器和冷凝器的之间改变。通过这种方式,我们设计的热泵实验装置可以在不同的模式中操作。
在相同的条件下每个热泵的供热能力是等同的，我们可以通过改变作为热源和热汇的流体的温度以及流量来达到这一目的。只有一种测量设备用于为所有的热泵和实验获得数据。
2. 实验装置和测量过程
实验仪器的原理图如图1所示，这个系统最初是为了与R22配合使用。系统的主要部件是一个压缩机、滚动空气冷却蒸发器,水冷式蒸发器、空气冷却冷凝器、水冷凝器、两个恒温膨胀阀门、测量和和其他辅助元素像测量仪和控制装备。此外, 用电热水器和空气使进入蒸发器和冷凝器的水和温度达到理想水平。
系统中使用的是一种密封滚动型的压缩机,该压缩机是由2.8 HP提供能量和由三相电380伏50赫兹电流驱动和并可以与R22,R407C和R134a制冷剂共同操作。系统的空气冷却蒸发器和冷凝器热交换器使用的铝制板。空气冷凝器和蒸发器的能力和热转移的区域分别是6.35千瓦-15.45平方米和4.35 kw - 15.7平方米。作为该系统的冷凝器和蒸发器是壳
和管状。水冷式冷凝器是6000千卡/小时，其转移区域为0.38平方米,蒸发器有5400千卡/小时容量，其转移区域为0.44平方米。蒸发器的入口是膨胀阀, 蒸发器出口的两个小眼镜片是为了确保制冷剂和其他辅助液体的阶段状态可视化。速度可控的电机可以帮助有空气冷却式的蒸发器和冷凝器的空气流通，在不使用任何泵的状态下，自来水可直接用于水冷却式蒸发器和冷凝器。
如图1所示，需要在多个点对工作流体的温度和压力进行测量。K型热电偶镍是用来测量工作流体的温度，热电偶通过数字温度控制器来校准。工作流体在蒸发器、冷凝器和
压缩机进水口和出水口进行测量。水冷凝器中的水的温度在热交换器和储罐的出水口和进水口进行测量。此外,在空气通道的出口和入口的不同点使用四个热电偶来确定空气冷却蒸发器和空气冷却冷凝器进口和出口的正确的空气温度。
在每个测试中都都把测量到的室外空气的温度和湿度记录下来。仅需要一个数据记录器来确定和记录系统所获得全部温度。六弹簧式压力计
安装在冷凝器,蒸发器,和压缩机进水口和出水口来衡量工作流体的压力，由两个转子流量计测量水的流量,循环中工作流体的流量通过空气流量计测量,通过风速计对空气流量是衡量。压缩机通过使用一个多功能电流计和瓦特计输入电流和电压。
在整个实验中，系统只需用15Bar R22充电一次所有的阀门暴漏在室外空气温度下。
当系统需要在任何一种热泵模式下运行时，都需要关闭相关的阀门。通过分别打开和关闭相关的阀门就可以改变系统的运行模式。
首先我们先后进行并完成了对空气-空气模式，空气-水模式，水-水模式的实验研究。
一种模式完成就要转变为另一种模式，试验过程中我们会打开所有的阀门，并用一天的时间等候，然后我们会为新的模式打开新的阀门，进行新的测试。
如图1所示, 在设备的每个关键地方都会对温度和压力值持续监视以实现稳态条件。大多数情况下,启动
所需时间约1小时。每个实验运行过后,都会对原始的
数据进行记录,包括热电偶上的温度,
压力计上的压力、风速计显示的空气流率,流量计上的制冷剂流量,
转子流量计上的的流量,以及安培表显示的压缩机输入电流和电压。

（这里有图哈）
测试是在实验室条件下进行的，执行的测试是在实验室条件下,在空气温度在20-22摄氏度之间,,相对湿度大约在30 -40%之间。四种模式的实验顺序如下：第一空气-空气模式,第二
空气-水模式,第三是水-空气模式, 最后是水-水模式。每个实验在不同的时间相同条件下至少重复三次。当对任一种模式所有测试都进行完毕后，所有的实验装置都会被关闭，所有的气阀都会被打开，在大约一天之后再对另一种运行模式进行测试。
在冷凝器对种热泵模式在不断加热的能力下我们通过改变蒸发器制冷流体的温度和质量流率进行了大量的测试。首先,冷凝器流体温度程度和质量流率被调整到所需的值, 例如,空气20 c - 1.2kg/ s, 水20 c - 0.15公kg/ s, 实验在固定质量流率下我们分别在六中不同的温度下对蒸发器流体进行试验，该过程也被应用到其他四种不同质量流率的蒸发器流体中，例如,对于空气-空气模式，首先在第一阶段中蒸发器的空气,质量流率被调整到常数值(0.41公斤/ s)，然后分别在五种不同蒸发器空气温度下进行测试的测试，这五种温度是20-22-26-28-30摄氏度。蒸发器空气的第二种质量流率（0.71kg/s）也会进行同样的实验步骤。