一種新型熱泵換熱器系統
                               中國電力企業聯合會科技服務中心　李建鋒
                         清華大學熱科學與動力工程教育部重點實驗室　呂俊復
    摘要：通過對現有熱泵系統的分析,提出了一種新的熱泵室外機系統。該系統以鹽水為冷媒,采用二級換熱結構,可以有效防止冬季供暖過程中室外機的結霜。
    關鍵詞：熱泵　結霜　換熱器
    0　引言
    隨著生活水平的逐漸提高,人們對生活質量的要求也不斷提高,空氣源熱泵系統作為冬季的供暖設備具有效率高、能耗低的特點,獲得了越來越多的應用。但是,熱泵系統存在蒸發器換熱表面容易結霜的問題[1-4],在我國南方等空氣濕度較大的地區這個問題尤為嚴重。空氣源熱泵機組在冬季運行時,空氣側換熱器表面結霜會降低換熱器的傳熱系數,增加空氣側的流動阻力減小機組的供熱能力;結霜嚴重時蒸發壓力過低,常使機組停止運行。
    對于壓縮式熱泵,常用的做法是采用壓縮機反轉以及四通換向閥轉換的方式進行除霜,但這樣會浪費較多的電能。有文獻報道,在一個供暖季節熱泵系統因除霜多消耗的電能約為10.2%[5]。不過對于吸收式熱泵系統[6-7],則不可能采用這種壓縮機反轉的方式進行除霜,而如果采用電熱的方式除霜,那么浪費的電能更多,從而嚴重影響機組的經濟性。
    1·新系統介紹
    為了解決熱泵冬季運行時的結霜問題,本文提出了采用二級換熱方式的方案。方案示意如圖12所示。
             
    圖1,2中,蒸發器并不直接和室外空氣換熱,而是與鹽水換熱,冷卻后的鹽水通過氣水混合的方式在換熱器內直接與室外空氣換熱,此時的熱力過程相當于冷卻塔熱力過程的反過程。
    作為換熱媒介的鹽水可以是CaCl2溶液,也可以是NaCl溶液,只要其冰點低于熱泵本身的蒸發溫度即可,這樣可以避免結冰,確保系統安全運行。
    在水泵出口安裝調節閥旁路的主要目的是調節換熱器的負荷、增加換熱器內的循環水量,從而使鹽水更好地與室外空氣換熱。
    在調節閥旁邊安裝除水器的主要目的是防止在機組的運行過程中空氣中的水蒸氣使鹽水濃度降低,從而避免蒸發器換熱表面結冰影響系統性能。除水器的結構與工作原理如圖3所示。
           
    如圖3所示,在除水器中,鹽水從進水口進入,如果進水因為凝結水太多而濃度降低,那么將降低鹽水的滲透壓,從而使得一部分水通過滲透膜析出,從下出水口流出;經過滲透后的高濃度鹽水則從上出水口流出。調節閥在運行過程中能維持滲透膜前面的壓力穩定。另外,為了防止滲透出來的水結冰,除水器應該放置在室內,或者增加一個小型的加熱裝置,以便于將水溫提高到0℃以上。為了防止滲透膜被雜質堵塞,在滲透裝置前還應該有過濾裝置。
    2·換熱器的熱平衡
    對于換熱器,要防止空氣二次進入和防止飄水,減少或消除風機電耗,可以采用順流式換熱方式,見圖4。在空氣-鹽水之間的換熱過程中,空氣不斷被冷卻,最終將達到飽和,如果此時進一步降溫,那么其中的一部分水蒸氣將會凝結成水。所以鹽水吸收的熱量實際上包含兩部分,一部分是空氣與水蒸氣因為溫度降低而放出的顯熱;另一部分是空氣溫度低于飽和溫度時水蒸氣凝結放出的潛熱。
            
    對于換熱器,如果換熱較為充分,空氣出口溫度與出水溫度值近似相等,根據能量守恒可得：
(1)
    經整理得
(2)
    事實上,如果空氣中水蒸氣的含量較少,那么可以忽略水蒸氣的顯熱,此時式(2)可以簡化成:
    
    式(1)~(3)中　mg為空氣質量流量,kg/s;cg為空氣比定壓熱容,kJ/(kg·℃);t為空氣出口(出水)溫度,℃;d0為環境空氣的含濕量,g/kg;tg為d0所對應的空氣飽和溫度,℃;d為出口空氣含濕量,g/kg;mw為鹽水質量流量,kg/s;cw為鹽水比熱容,kJ/(kg·℃);t0為環境空氣溫度,℃;r為水的汽化潛熱,kJ/kg;cwg為水蒸氣比定壓熱容,kJ/(kg·℃);tw為入口鹽水溫度,℃。
    對于熱泵蒸發器而言,換熱媒介將由原來的蒸汽-空氣轉變成蒸汽-鹽水。一般而言,水-壁面的換熱系數比空氣-壁面的換熱系數大一到幾個數量級,而金屬壁面的導熱熱阻又可以忽略不計,所以在相同的換熱溫差以及相同的換熱量條件下,換熱面積可以大幅度縮小,從而也就減少了蒸發器的投資費用。
    另外,從式(2)或式(3)可以看出,在空氣流量mg足夠大的情況下,t趨近于t0,由此可見,盡管系統采用了二級換熱,但換熱溫差并沒有太多的減小。
    3　結論
    3.1　以鹽水為媒介,采用二級換熱結構能夠有效解決熱泵蒸發器的結霜問題。
    3.2　蒸汽-鹽水之間的換熱系數遠大于蒸汽-空氣之間的換熱系數,因此能夠有效減小蒸發器的換熱面積,從而減少蒸發器的投資。與此同時,空氣-鹽水直接換熱可以增加換熱量,降低換熱器的投資費用,從而降低整個系統的投資費用。而增加一級換熱并不會使換熱溫差減小太多。
    3.3　因為采用鹽水為媒介,所以要注意解決蒸發器的防腐蝕問題。
參考文獻:
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