中高温水源热泵设计浅谈；作者：王红燕；来源：《科技创新导报》2012年第16期；摘要:本文阐述了一种中高温水源热泵机组；关键词:中高温水源热泵工质系统节能；中图分类号:TU83文献标识码:A文章编号:16；1引言；水源热泵机组是一种利用地下水、土壤或地表水等地下；2中高温水源热泵技术；高温水源热泵的工作原理与普通水源热泵相似,所不同；2.1中高温水源热泵工质
中高温水源热泵设计浅谈
作者：王红燕
来源：《科技创新导报》2012年第16期
摘 要:本文阐述了一种中高温水源热泵机组。介绍了中高温水源热泵的工质和系统,通过在不同冷却水温及冷冻水温运行的变化规律,结果表明可以制取70℃以上的热水并可稳定运行,为节能空调系统优化设计提供参考。
关键词:中高温水源热泵 工质 系统 节能
中图分类号:TU83 文献标识码:A 文章编号:12)06(a)-0018-02
水源热泵机组是一种利用地下水、土壤或地表水等地下浅层地能资源的冷热兼用型的高效节能空调系统。机组利用地下水和土壤温度相对稳定的特点,通过地下水或深埋土壤的管路系统进行热量交换,实现低位热能向高位热能的转移。冬季时将从水源中吸取的低品位热量转移至室内,实现对房间供暖。夏季时则从室内取出热量,释放到水源,实现对房间的供冷。普通水源热泵机组制热时冷冻水进水温度15℃,热水出水温度一般不超过55℃,这对于原来使用燃油、燃煤、燃气等锅炉设备高温用水的工程改造以及一些特殊的行业(特别是工业上的如食品和木材的干燥、化工等行业)需要高温热水作为生产资源的工程项目。55℃的供水温度已经不能或不完全能满足系统的使用要求,从而限制了普通水源热泵这一经济节能的技术的推广应用。而中高温水源热泵技术正是在这一背景下应运而生,它利用各类工业和生活废水中的余热来制取60～80℃高温热水,大大的拓展了水源热泵技术的应用范围。中高温水源热泵应用于工业的前景是非常乐观的。
2 中高温水源热泵技术
高温水源热泵的工作原理与普通水源热泵相似,所不同的是能稳定输出更高温度的热水。当低品位回水温度15～60℃时,机组可提供60～85℃的热水,系统主要由压缩机、冷凝器、节流阀、蒸发器、控制系统以及环保高温工质构成。这样,热泵机组可以源源不断地吸收低品位水源的能量,以高温热水向外输出。
2.1 中高温水源热泵工质
传统的制冷剂如R22和R134a等不能满足高温的需求。为保证中高温热泵设备在稳定的可允许的工作压力下运用,因热水出水温度高相应的冷凝压力较高,选用合理的制冷剂对于系统是非常重要。相对于普通水源热泵,中高温水源热泵很难找到一种很适用的工质。对于中高温工质的选择有两种趋势,一种是使用自然工质(CO2、NH3等),另一种是使用HCFCs、HFC及各成份组成的混合物。自然工质一般工作压力较高,或循环超过临界区,部分还具有可燃性及爆炸
性危险,系统一般都有相应的特殊措施去克服,所以我们倾向选用混合工质。根据预期的环保型中高温水源热泵的特点,确定了筛选原则,即综合环保性能好、以HFCs为主、合适的沸点、较好的热工性能、与R22机组的材料和冷冻油相容、尽量选用滑移温度小的混合物,以有利于减小成分迁移引起的可燃性和系统性能的变化,已在国内商业化生产。从而主要考虑了以下因素:环保方面:臭氧破坏潜能(ODP)、全球变暖潜能(GWP);安全方面:毒性、可燃性;材料方面:与冷冻油的互溶性、与金属和塑胶材料的兼容性、单位容积制热量;热工参数:蒸发压力、冷凝压力、排气温度、滑移温度;循环性能:能效比、压比、单位质量制热量。最终选择天津大学开发的由三个组元组成混合工质ZHR01。
对于常温水源热泵R22工况,其冷凝温度为55℃时对应的冷凝压力为2.175MPa,而高温水源热泵ZHR01的工况,其冷凝温度为85℃时,其冷凝压力仅为2.09MPa。说明从热力学性质来看,ZHR01如果采用原R22的压缩机,ZHR01排气压力比R22的还低,有利于系统的工作和延长寿命。
2.2 中高温水源热泵系统
中高温水源热泵系统的研究工作主要在系统循环的优化,换热器内换热的强化及系统控制方面。首先压缩机的整个系统的心脏部件,压缩机的可靠性直接影响机组的性能。压缩机的选择:目前热泵设备常用压缩机类型主要有螺杆压缩机、全封闭涡旋压缩机与半封闭活塞压缩机等,经过对不同类型压缩机工作特性及适用场所进行比较研究,目前中高温水源热泵一般选用螺杆压缩机。因中高温水源热泵冷冻水从15～60℃的低品位热水中回收热量,制取60～85℃的热水,压缩机处于压缩比变化工况下运行,需尽可能选取内容积比与实际工况相匹配的回转式压缩机,压缩机配置电机功率考虑最恶劣工况时的耗电量。不仅有效降低机组输入功率,且提高机组能效比及安全性。
蒸发器和冷凝器的换热机理、与系统的匹配及控制采集点对机组都尤其重要。设计中考虑合适的换热面积使蒸发温度和冷凝温度与冷冻水和冷却水温相匹配,中高温水源热泵系统使用ZHR01非共沸混合工质,非共沸混合工质显示出一种独特的性质,即压力一定时其饱和温度是干度的函数。也就是说,相变过程并非等温过程。非共沸工质相变时的温度变化称为滑动温度效应。
这个温度滑移的特性,利用其性能可对换热能够改善热交换器在效率以及热力循环效率。
中高温水源热泵的节流阀包括热力膨胀阀、电子膨胀阀及毛细管。节流阀的主要作用有:①节流降压②控制流量③控制过热度。考虑为非共沸混合工质,采用电子膨胀阀来进行节流降压,通过吸气过热度的控制来调节流媒流量保证系统匹配。
3 中高温水源热泵实验分析
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四、 本文研究内容
本文将从以下几个方面研究高温热泵设计：
（1）高温热泵的综述。
（2）高温热泵的组成、概念及工作原理。
（3）高温热泵设计计算，根据相关参数，进行高温热泵主要组成部件压缩机、冷凝器、节流机构、蒸发器、中间冷却器、卧式高压储液器、干燥过滤器的设计选型计算，并确定出系统方案。
（4）不同高温热泵工质的热力学性能分析。研究蒸发温度和冷凝温度对系统性能COP的影响，并对比研究了系统采用不同高温工质时性能变化情况。
(5)对高温热泵压缩机能量调节、中间冷却器和储液器液位及出水温度控制进行了概述分析。
高温热泵基础
一、 高温热泵的概念
（一） 高温热泵的概念
目前市场上占主导地位的热泵最高热水出水温度在55℃以下，高温热泵的“高温”是相对于这些传统热泵而言的，一般指在地（水）源温度10~15℃时，供热温度在60℃以上的产品，正常运行出水温度范围在62~72℃，可以满足所有的生活热水系统和中央空调的水温要求。虽然在供热出水温度上只有十几度的提高，但对于热泵技术来说却是一个极大的突破。一般的地源热泵机组在该工况下，性能会极大衰减甚至无法运行，因此高温热泵产品对制冷剂的使用和设备零部件的选择都有很高的要求，产品的研发和设计方面的成本也很高。
二、 高温热泵的系统组成
（一） 压缩机
本论文中选用的压缩机为螺杆式压缩机。螺杆式压缩机的构造与工作原理：螺杆式制冷压缩机主要由转子、机壳、轴承、平衡活塞、轴封及输气量调节装置组成。两个按一定传动比反向旋转又相互啮合的转子平行地配置在呈“∞”字形的汽缸中。转子具有特殊的螺旋齿形，凸齿形的称为阳转子，凹齿形的称为阴转子。一般阳转子为主动转子，阴转子为从动转子。汽缸的左右有吸气端座和排气端座，一对转子就支撑在左右端座的轴承上。转子之间及转子和汽缸、端座见留有很小的间隙。吸气端座和汽缸上部设有轴向和径向吸气孔口，排气端座和滑阀上分别设有轴向和径向排气孔口。压缩机的吸排气孔口是按其工作过程的需要精心设计的，可以根据需要准确的使工作容积和吸排气腔连通或隔断。
螺杆式压缩机的工作原理：螺杆式压缩机是依靠啮合运动着的一个阳转子与一个阴转子，并借助于包围这一对转子四周的机壳内壁的空间完成的。当转子转动时，转子的齿、齿槽与机壳内壁所构成的呈“V”字形的一对齿间容积称为基元容积，其容积大小会发生周期性的变化，同时它还会沿着转子的轴向有吸气口侧向排气口侧移动，将制冷剂气体吸入并压缩至一定的压力后排出。
螺杆式压缩机的特点和特性：就压缩气体的原理而言，螺杆式压缩机与往复活塞式压缩机一样，同属于容积式压缩机械；就其运动形式而言，螺杆式压缩机的转子与离心式压缩机的转子一样，做高速旋转运动。所以螺杆式压缩机兼有二者的特点。
螺杆式压缩机的优点：
（1）与往复活塞式压缩机相比，螺杆式压缩机的转速较高（通常在3000r/min）又有质量轻、体积小、占地面积小等一系列优点，因而经济性较好。
（2）螺杆式压缩机没有往复质量惯性力，动力平衡性能好，故基础可以很小。
（3）螺杆式压缩机结构简单紧凑，易损件少，所以运转周期长，维修简单，使用可
靠，有利于实现操作自动化。
（4）螺杆式压缩机对进液不敏感，可采用喷油或喷液冷却，故在相同的压力比下，排气温度比往复活塞式压缩机低的多，因此单级压力比高。
（5）与离心式压缩机相比，螺杆式压缩机具有强制输气的特点，即输气量几乎不受排气压力的影响。在较宽的工况范围内，仍可保持较高的效率。
（6）采用了滑阀调节，可实现能量的无级调节。
（7）没有余隙容积，因而容积效率高。
螺杆式压缩机的缺点：
（1）制冷剂周期性的高速通过吸、排气孔口，通过缝隙的泄露的泄露等原因，使压缩机有很大噪声，需要采取消音减噪措施。
（2）螺旋形转子的空间曲面，加工精度要求高，需用专用的设备和刀具来加工。
（3）由于间隙密封和转子刚度等的限制，目前螺杆式压缩机还不能像往复式压缩机那样达到较高的终了压力。
（二） 冷凝器15
冷凝器按其冷却介质不同，可分为水冷式、空气冷却式、蒸发式和淋水式四类。本文选自水冷式卧式冷凝器。
水冷式冷凝器是以水作为冷却介质，靠水的温升带走冷凝热量。冷却水一般循环使用，但系统中需设有冷却塔或凉水池。水冷式冷凝器按其结构形式又可分为壳管式冷凝器和套管式冷凝器两种，常见的是壳管式冷凝器：立式壳管式冷凝器，立式冷凝器的主要特点是：由于冷却流量大流速高，故传热系数较高，一般K=600～700(kcal/m2?h?℃)。垂直安装占地面积小，且可以安装在室外。冷却水直通流动且流速大，故对水质要求不高，一般水源都可以作为冷却水。管内水垢易清除，且不必停止制冷系统工作。但因立式冷凝器中的冷却水温升一般只有2～4℃，对数平均温差一般在5～6℃左右，故耗水量较大。且由于设备置于空气中，管子易被腐蚀，泄漏时比易被发现。
卧式壳管式冷凝器与立式冷凝器有相类似的壳体结构，主要区别在于壳体的水平安放和水的多路流动。卧式冷凝器不仅广泛地用于氨制冷系统，也可以用于氟利昂制冷系统，但其结构略有不同。氨卧式冷凝器的冷却管采用光滑无缝钢管，而氟利昂卧式冷凝器的冷却管一般采用低肋铜管。这是由于氟利昂放热系数较低的缘故。值得注意的是，有的氟利昂制冷机组一般不设贮液筒，只采用冷凝器底部少设几排管子，兼作贮液筒用。
（三）蒸发器15
根据被冷却介质的种类不同，蒸发器可分为两大类：冷却液体载冷剂的蒸发器。用于冷却液体载冷剂――水、盐水或乙二醇水溶液等。这类蒸发器常用的有卧式蒸发器、立管式蒸发器和螺旋管式蒸发器等；冷却空气的蒸发器。这类蒸发器有冷却排管和冷风机。本设计采用干式氟利昂蒸发器。
在干式氟利昂蒸发器中，制冷剂在管内流动,而载冷剂在管外流动。节流后的氟利昂液体从一侧端盖的下部进入蒸发器，经过几个流程后从端盖的上部引出，制冷剂在管内随着流动而不断蒸发，所以壁面有一部分为蒸气所占有，因此，它的传热效果不如满液式。但
是它无液柱对蒸发温度的影响，且由于氟利昂流速较高(≥4m/s)，则回油较好。此外，由于管外充入的是大量的载冷剂，从而减缓了冻结的危险。这种蒸发器内制冷剂的充注量只需满液式的1/2～l/3 或更少，故称之为“干式蒸发器”。干式蒸发器式一种制冷剂液体在传热管内能够完全汽化的蒸发器。器传热管外侧的被冷却介质式载冷剂或空气,制冷剂则在管内吸热蒸发,器流量约为传热管内容积的百分之二十到三十.增加制冷剂的质量流量,可增加制冷剂液体在管内的湿润面积。同时其进出口处的压差岁流动阻力增大而增加,以致使制冷系数降低.干式蒸发器按其被冷却介质的不同分为冷却液体介质型和冷却空气介质型两类。而冷却空气的干式蒸发器又可分为冷却自由运动空气的蒸发器和冷却强制流动空气的蒸发器。自由运动型一般被制成光管蛇形管管组，通常称作冷却排管，一般用于冷藏库和低温的实验装置中。强制对流型则是在自由型的管外设置肋片以提高传热系数。其多用于空气调节装置和大型冷藏库以及大型低温实验环境场合。
（四）节流装置15
节流是压缩式制冷循环不可缺少的四个主要过程之一。制冷装置的节流机构在实现制冷剂液体膨胀过程的同时，还具有以下两方面的作用：一是将制冷机的高压部分和低压部分隔开，防止高压蒸气串流到蒸发器中：二是对蒸发器的供液量进行控制，使其中保持适量的液体，使蒸发器的换热面积全面发挥作用。因其激流机构无外功输出，即无效率的概念可言。一般仅根据上述两方面的功能来判断其特性。
常用的节流机构有手动膨胀阀、浮球式膨胀阀、热力膨胀阀以及阻流式膨胀阀(毛细管)等。它们的基本原理都是使高压液态制冷剂受迫流过一个小过流截面，产生合适的局部阻力损失(或沿程损失)，使制冷剂压力骤降，与此同时一部分液态制冷剂汽化，吸收潜热，使节流后的制冷剂成为低压低温状态。
热力膨胀阀是氟利昂制冷装置中根据吸入蒸气的过热程度来调节进入蒸发器的液态制冷剂量，同时将液体由冷凝压力节流降压到蒸发压力的。热力膨胀阀的型式很多，但在结构上大致相同。按膨胀阀中感应机构动力室中传力零件的结构不同，可分为薄膜式和波纹管式两种；按使用条件不同，又可分为内平衡式和外平衡式两种。目前常用的小型氟利昂热力膨胀阀多为薄膜式内平衡热力膨胀阀。
（五） 辅助部件15
1.中间冷却器
中间冷却器是两级压缩热泵装置的关键设备，同时用于冷却低压级压缩机的排气和高压制冷剂液体，使之获得较大的过冷度。中间冷却器内具有的压力称作中间压力，该压力下制冷剂液体保持一定的液面高度。低压压缩机排气经顶部的进气管直接通入制冷剂液面以下，被冷却后与所蒸发的制冷剂气体由上侧的接管送到高压压缩机的吸气侧。用于冷却高压制冷剂液体的盘管置于中冷器底部的制冷剂液体中，其进出口一般经过下封头伸出壳外。进气管上部开有一个平衡孔，以防止中冷器内制冷剂液体在停机后压力升高时进入低压级压缩机排气管。氟利昂用中间冷却器结构比较简单，其供液量由其配用的热力膨胀阀控制。盘管内的液体过冷为单向流动，管外制冷剂属大空间内的蒸发，按相应的放热准则
式计算即可。
2.油分离器
高温热泵压缩机工作时需要润滑油在机内起润滑、冷却和密封作用。系统在运行过程中润滑油往往随压缩机排气进入冷凝器甚至蒸发器，使它们的传热效果降低，影响整个热泵系统性能的发挥。因此需要润滑油的分离设备，即油分离器。
3.高压贮液器
高压贮液器的作用是储存高压液体，设置在冷凝器之后，保证热泵系统在冷负荷变化时制冷剂供液量的调节的需要。也有利于减少定期检修时向系统补充制冷剂的次数。设计高压贮液器时，其容量应按系统小时循环量的1/3~1/2计算，最大充满度不超过筒体直径的80%。对于小型氟利昂机组，因气密性较好，容量可小些或直接将贮液器设计到冷凝器的下部。小型制冷设备不单独设置高压贮液器，如电冰箱、空调器等。
4.干燥过滤器
氟利昂用干燥过滤器，采用无缝钢管作为壳体，内装0.1~0.2mm网孔的黄铜丝网或不锈钢丝网，两端盖用螺纹与筒体连接并用锡焊焊牢。一般安装在液管段的供液电磁阀前的管道中。同时在筒体标有流向指示符号，以避免安装错误。在实际的氟利昂系统中，干燥剂一般采用无水氯化钙、硅胶、活性氧化铝和分子筛，以吸收制冷剂液体中的水分。
三、 高温热泵的原理
高温热泵是这样一种设备，它的作用是将低温热源提高品位后提供高温热源。从结构上看，高温热泵同低温蒸汽压缩式制冷机相同，只是两者之间有两点不同：
（1）两者的运行工况不同。高温热泵在较高的温度工况下运转而制冷机在较低温度工况下运转。
（2）两者的目的不同。高温热泵是利用冷凝器提供热量，而低温制冷机是利用蒸发器提供冷量。
高温热泵的主要部件是压缩机、冷凝器、节流机构和蒸发器，中间冷却器、高压储液器、油分离器、干燥过滤器，它们之间通过管道相互连接。系统中充填着工质，即热泵系统中的制冷剂，在工作过程中工质交替的处于液相和气相。压缩机消耗机械能，对气态工质进行压缩，此时工质温度升高，并在较高温度和压力的情况下进入冷凝器。冷凝器是一种换热器，工质在冷凝器中放出冷凝热，并凝结呈液态。工质在节流机构中降低压力，并在蒸发器中吸取热量，在较低压力下蒸发。在蒸发器中，工质吸取热源的热量成为气体，随后又进入压缩机中。总之，工质通过蒸发器吸取低温热源的热量，在冷凝器中将高温热量在较高的温度下传给载热剂。
如下图2.1所示为高温热泵原理图，
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