直膨式太陽能熱泵熱水器設(shè)計【含CAD圖紙+文檔】

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學(xué)生姓名 專業(yè) 班級 指導(dǎo)教師姓 名 課題名稱 直膨式太陽能熱泵熱水器設(shè)計 個人作息時 間 上午 自8 時 至 12 時 下午 自 15 時 至 18 時 晚上 自 19 時 至 21 時 工作地點(diǎn) 上午 教學(xué)樓 下午 圖書館 晚上 計算中心 個人精力實際投入 日平均工作時數(shù) 9 周平均工作時數(shù) 45 迄今缺席天數(shù) 0 出勤 率% 90% 指導(dǎo)教師每周指導(dǎo)次數(shù) 3 每周指導(dǎo) 時間（小時） 8 備注 有問題隨時可以找老師咨詢 畢業(yè)設(shè)計（論文）工作進(jìn)度 已完成的主要內(nèi)容 % 待完成的主要內(nèi)容 % 文獻(xiàn)綜述 開題報告表、學(xué)生自查表 英文翻譯 熱力計算 系統(tǒng)圖設(shè)計 50% 冷凝器系統(tǒng) 蒸發(fā)器系統(tǒng) 節(jié)流等系統(tǒng) 說明書 圖紙 50% 存在問題 1、單獨(dú)熱水系統(tǒng)蒸發(fā)器的設(shè)計計算。 2、管路設(shè)計不合理。 3、套管冷凝器的結(jié)構(gòu)。 4、配件的選擇。 中期自查表 畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書 題目 直 膨 式 太 陽 能 熱 泵 熱 水 器 設(shè) 計 專業(yè) 學(xué)號 姓名 一、原始資料及技術(shù)條件 1. 工質(zhì) R134a 2. 氣候環(huán)境類型： N（空氣干球溫度0℃），設(shè)計風(fēng)速1米/秒 3. 蒸發(fā)溫度： -9℃， 4. 太陽輻射強(qiáng)度800W。 5. 蓄水溫度40℃，進(jìn)水溫度15℃。 6. 蓄水桶容積950升。制熱出力50升熱水/10分鐘， 7. 使用環(huán)境相對濕度：≤85％ 8. 電源： 220V 50Hz AC 蒸發(fā)器放置室外，要考慮蒸發(fā)器的輻射和對流換熱。蒸發(fā)器表面有選擇性涂層。采用套管式冷凝器。 二、主要內(nèi)容 1. 設(shè)計計算：幾何參數(shù)計算、隔熱計算、冷負(fù)荷計算、壓縮機(jī)選擇計算及說明、冷凝器設(shè)計計算、蒸發(fā)器換熱設(shè)計計算。 2. 零部件選擇：其他零部件選擇。 3. 設(shè)計圖樣：系統(tǒng)流程圖、冷凝器部裝圖、蒸發(fā)器部裝圖，蓄水桶部裝圖、其他零部件圖。 三、基本要求 1. 閱讀文獻(xiàn)寫出文獻(xiàn)綜述。 2. 按統(tǒng)一格式完成開題報告。 3. 閱讀英文文獻(xiàn)，并譯成中文(不少于5000漢字)。 4. 設(shè)計計算至少有兩部分為上機(jī)計算。 5. 規(guī)范繪制圖樣，上機(jī)繪圖不少于二張裝配圖、一張零件圖。 6. 英中文對照摘要，中文不少于400 字。 7. 按統(tǒng)一格式編制設(shè)計說明書，不少于 30000字。 8. 有全部設(shè)計的紙介質(zhì)文檔和電子文檔。 9.‘完 成 期 限： 指導(dǎo)教師簽章： 專業(yè)負(fù)責(zé)人簽章： 文獻(xiàn)綜述 題 目 直膨式太陽能熱泵熱水器的簡單分析 學(xué)生姓名 專業(yè)班級 學(xué) 號 院 （系） 指導(dǎo)教師(職稱) 完成時間 直膨式太陽能熱泵熱水器的簡單分析 摘要: 從可持續(xù)發(fā)展的立場出發(fā)，介紹了發(fā)展太陽能熱泵技術(shù)對節(jié)能與環(huán)保的意義。在回顧現(xiàn)有太陽能熱泵熱水系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，指出目前存在的問題，提出了一個切實可行的解決方案，時于促進(jìn)太陽能熱泵熱水技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化具有參考價值。通過將太陽能熱水系統(tǒng)和空調(diào)熱泵系統(tǒng)結(jié)合，設(shè)計出直膨式太陽能熱泵熱水器系統(tǒng)。針對該新型系統(tǒng)中的熱泵空調(diào)熱水子系統(tǒng)進(jìn)行研究，在標(biāo)準(zhǔn)工況下，分別對該系統(tǒng)的3種模式下的換熱性能進(jìn)行試驗，實驗結(jié)果表明該系統(tǒng)比傳統(tǒng)系統(tǒng)更為高效。 關(guān)鍵詞: 吸收式制冷系統(tǒng);太陽能集熱器;空調(diào)系統(tǒng);熱泵 Abstract: From the viewpoint of sustainable development,the author explainedth-e important of developing solar energy air conditioning technology in order to save energy and protect environment.After reviewing nowadays status,the auth-or found out the shortcomings and proposed a feasible prototype that paperhangers high reference value in promoting the industrialization of solar energy air-conditioning&hot water technology. The research presents a solar-assisted air-conditioner with water heater in which solar water heater and heat pump air-cohibition-er are combined. The performance of heat pump in the new system is experimentally investigated. The performance of heat pump working at 3 modes under standard condition is measured. Keyword： Abortion refrigeration system；solar energy collector； air conditioning system； heat pump 引言 太陽能是取之不盡, 用之不竭, 可再生的清潔能源。生物質(zhì)能、風(fēng)能、海洋能、水力能等都來自太陽能，廣義地說，太陽能包括以上各種可再生能源。大規(guī)模利用太陽能是世界各國政府和學(xué)者都十分重視的研究課題。太陽能熱水器現(xiàn)已發(fā)展到非常成熟的水平, 它是以獲取生活熱水為目的的。但這種應(yīng)用方式與人們的生活需求正相反, 當(dāng)夏季太陽輻射強(qiáng)、氣溫高的時候, 太陽能熱水器產(chǎn)生的熱水量最大, 而此時最需要的是空調(diào)降溫而不是熱水, 這使得其熱利用的經(jīng)濟(jì)性不高。充分利用太陽能熱水器的成熟技術(shù)與吸收式制冷技術(shù)的良好結(jié)合, 開發(fā)直膨式太陽能熱泵熱水系統(tǒng), 符合人們對空調(diào)與生活熱水的需求,也使太陽能得到更充分合理的利用, 是太陽能熱利用技術(shù)的發(fā)展趨勢之一, 具有廣闊的發(fā)展前景。 建立在太陽能熱水器基礎(chǔ)上的太陽能空調(diào)熱水系統(tǒng),可充分利用夏天的太陽能,在制冷和供暖的同時還能提供生活熱水，為用戶減少電費(fèi)支出,節(jié)省購買空調(diào)和熱水器而增加的初投資,因而具有較高的經(jīng)濟(jì)性。目前國內(nèi)的太陽能空調(diào)熱水技術(shù)還處于實驗階段,商業(yè)化前景不樂觀。和傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)相比,太陽能空調(diào)系統(tǒng)初投資過大,系統(tǒng)過于復(fù)雜。 要使太陽能空調(diào)熱水系統(tǒng)能真正實現(xiàn)商業(yè)化,必須從集熱系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)三個方面著手,研制新的系統(tǒng),優(yōu)化系統(tǒng)性能，提高性價比。 直膨式太陽能熱泵熱水系統(tǒng)的設(shè)想 在目前的情況下,太陽能在制冷方面最有可能實現(xiàn)大型商業(yè)化或小型家庭化的組合是將太陽能集熱器和吸收式制冷機(jī)結(jié)合起來,在制冷和供暖的同時提供生活熱水。為了能充分利用太陽能這樣的低品位熱源,國內(nèi)外在循環(huán)系統(tǒng)的改進(jìn)和創(chuàng)新、制冷工質(zhì)對的選擇等方面開展了越來越活躍的研究。 我認(rèn)為,應(yīng)該研制出一種用壓縮機(jī)進(jìn)行輔助的太陽能空調(diào)系統(tǒng),因為壓縮機(jī)是現(xiàn)在應(yīng)用在制冷裝置中最為廣泛和成熟的裝置,具有運(yùn)行穩(wěn)定、易于控制的特點(diǎn)。這樣,系統(tǒng)的制冷溫度的范圍和穩(wěn)定性將會得到大幅度的改善。而且,用壓縮機(jī)進(jìn)行輔助的系統(tǒng)也將比現(xiàn)有的太陽能空調(diào)熱水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更為簡單。這樣,太陽能空調(diào)技術(shù)才有可能較快地實用化和商業(yè)化。作者沿用該思路,構(gòu)思出了一種新型的采用壓縮機(jī)進(jìn)行輔助的太陽能單效吸收壓縮復(fù)合式空調(diào)系統(tǒng)[6]。 直膨式太陽能熱泵熱水系統(tǒng)的組成 1 系統(tǒng)的工作原理 圖1 直膨式太陽能熱泵熱水器循環(huán)原理圖 圖1顯示的是直膨式太陽能熱泵熱水器系統(tǒng)（A）在此研究中的示意圖。此系統(tǒng)是由一個無光太陽能集熱器作為蒸發(fā)器，一個制冷劑為R-22的旋轉(zhuǎn)式封閉壓縮機(jī)，一個帶有再繞式銅管的熱水槽作為蒸發(fā)器，一個恒溫膨脹閥（TEV）和一些輔助配件組成的。 這些壓縮的的制冷劑液體從冷凝器通過膨脹閥直接進(jìn)入太陽能集熱/蒸發(fā)器，并在那里得到入射太陽能（和/或周圍環(huán)境大氣能量）的加熱。周圍環(huán)境的空氣作為熱源或者冷源取決于制冷劑的溫度是否低于或高于周圍環(huán)境的溫度。從蒸發(fā)器出來的制冷劑通過壓縮機(jī)的壓縮，最后高溫高壓的制冷劑蒸汽被輸送到冷凝器，在那里得到冷凝。這些能量在冷凝器中被冷卻介質(zhì)水吸收，通過一種（銅管線圈型）熱交換器把能量轉(zhuǎn)換成水槽中水的能量。 圖2 熱水箱由熱泵得熱過程示意圖 圖表2顯示的是制冷劑在理想外界條件下的一個特定的熱泵循環(huán)。在圖中，1-2,2-3,3-4和4-1分別代表壓縮過程，冷凝過程，節(jié)流過程和蒸發(fā)過程。制冷劑相應(yīng)的熱力狀態(tài)點(diǎn)1,2,3，和4分別代表蒸發(fā)壓力下的過熱蒸汽，冷凝壓力下的過熱蒸汽，冷凝壓力下的過冷液體和蒸發(fā)壓力下的過冷液體。如圖2所示，由于太陽能集熱/蒸發(fā)器的壓力是下降的，1點(diǎn)的蒸發(fā)壓力總比在4點(diǎn)蒸發(fā)壓力小。只要加熱集熱/蒸發(fā)器中的制冷劑，水槽中的水也將得到加熱，類似的周期反應(yīng)也會反過來發(fā)生。 2.2 直膨式太陽能熱泵熱水系統(tǒng)的主要構(gòu)建形式 圖表1 系統(tǒng)A主要部件參數(shù) 名稱 規(guī)格及型號 備注 壓縮機(jī) 滾動式轉(zhuǎn)子 額定功率0.75KW，排氣量13.40cm3 /rev,蓄水150L，內(nèi)置沉浸式。 熱水箱 承壓式保溫水箱 長60m的銅盤管（9.900.75mm）作為冷凝換熱器 。 太陽能集熱/蒸發(fā)器 鋁板 4板式集熱板，分2個流程并聯(lián)，總集熱面積為4.20m3 熱力膨脹閥 TEX-2型由 外部平衡型 Danfoss, Denmark制造 一系列沒有任何玻璃或背絕緣熱源設(shè)備的太陽能集熱器 （總面積為4.20m2)，以R22作為制冷劑的蒸發(fā)器。它包括4個鋁集熱板，分2個流程并聯(lián)，這種網(wǎng)絡(luò)式的管道設(shè)計經(jīng)特殊工藝使兩片鋁板能夠粘合在一起，從而形成肋片，以至于流體能夠在周圍流動。其結(jié)果是，鋁集熱/蒸發(fā)器重量輕，非常薄，所以它可以輕松地安裝在任何地方。本實驗研究中，我們把集熱/蒸發(fā)器面朝南部，固定在一個傾斜度為31.220（上海緯度）的屋頂上，如圖3所示。為了提高其吸收率，我們在集熱/蒸發(fā)器表面涂有選擇性的涂層。系統(tǒng)中使用R22的額定輸入的功率為750W旋轉(zhuǎn)式全封閉壓縮機(jī)，為避免過載，在壓縮機(jī)上裝有過熱保護(hù)器和低高切斷開關(guān)。冷凝器銅管（9.900.75mm）線圈總長度約60米，它們被放置在水箱中（水量150L和聚氨酯保溫層厚度38mm）。打開和關(guān)閉電源的的直膨式太陽能熱泵熱水器系統(tǒng)是由位于水箱內(nèi)的溫度計控制的，所以熱力膨脹閥（外部平衡型）控制制冷劑的流量是通過太陽能集熱/蒸發(fā)器來實現(xiàn)的。 3 直膨式太陽能熱泵熱水器存在的問題 目前國內(nèi)的太陽能空調(diào)熱水技術(shù)還處于實驗階段，商業(yè)化前景并不樂觀。和傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)相比，太陽能空調(diào)系統(tǒng)初投資過大，系統(tǒng)過于復(fù)雜，具體有以下幾個方面[10]: 1) 集熱系統(tǒng)效率比較差，集熱面積過大，集熱溫度一般不超過100 0C，難以高效地驅(qū)動制冷系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)，而且需要龐大的儲熱裝置。 2) 制冷系統(tǒng)一般采用以Liar-Hz0為工質(zhì)對的雙效或雙級吸收式系統(tǒng)，無法制取零度以下的溫度，而且系統(tǒng)比較復(fù)雜，初投資很高。 3) 需要輔助熱源，增加了初投資，使系統(tǒng)過于龐大。 4 可能遇到的困難及解決的途徑 4.1 工質(zhì)對的選擇及其用量的確定[12] NH3-LiN03，不需要精餾，是良好的制冷工質(zhì)對。同NH3-H20相比它可以在低的熱源溫度下工作，即允許在太陽能集熱器的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行溫度下工作;它還可以在低的蒸發(fā)溫度to=-5-20℃下得到較高的熱力系數(shù)=0.47-0.7。實驗證明，這種工質(zhì)對可在太陽能驅(qū)動或輔助加熱系統(tǒng)工作，所以作者初步考慮也采用這種工質(zhì)對來作為本系統(tǒng)的工質(zhì)對。 由于本系統(tǒng)是吸收式與壓縮式的復(fù)合系統(tǒng)，其運(yùn)行狀態(tài)可能比較復(fù)雜，吸收式與壓縮式可能單獨(dú)工作，或者同時工作。為了在每種工作狀態(tài)下都能確保其制冷量的穩(wěn)定，就必須確保工質(zhì)對的用量在極限工作狀態(tài)下是充足的，具體的用量則需要依靠實驗和數(shù)值模擬的方法來確定。 4.2 壓縮機(jī)的選擇 由于該系統(tǒng)采用的制冷工質(zhì)為氨，這樣就給壓縮機(jī)的潤滑帶來了困難，因為氨和常規(guī)的潤滑油不互溶。目前已研制出能溶于氨的合成潤滑油，也研制出能耐氨和該種潤滑油的鋁導(dǎo)線和絕緣材料。為了擴(kuò)大氨在制冷裝置中的應(yīng)用，當(dāng)務(wù)之急是開發(fā)氣體冷卻的半封閉或全封閉壓縮機(jī)。 4.3 自控系統(tǒng)的設(shè)計 由于本系統(tǒng)是吸收式與壓縮式的復(fù)合，在實際運(yùn)行過程中，可能出現(xiàn)從吸收式，吸收壓縮聯(lián)合式到壓縮式連續(xù)變化的復(fù)雜過程，其要求的自控系統(tǒng)可能很復(fù)雜。要想系統(tǒng)在整個運(yùn)行過程中能始終保持穩(wěn)定最優(yōu)的運(yùn)行狀態(tài)，必須為其設(shè)計一套好的控制系統(tǒng)。 5 直膨式太陽能熱泵熱水器的經(jīng)濟(jì)分析 太陽能熱水器的經(jīng)濟(jì)性早已為人所熟知,以下僅就太陽能空調(diào)系統(tǒng)作一分析。純粹為了空調(diào)的太陽能空調(diào)系統(tǒng)顯然是不經(jīng)濟(jì)的, 其主要原因是太陽能集熱系統(tǒng)的投資占了大部分, 而空調(diào)的應(yīng)用只有半年時間,系統(tǒng)的利用率低。但如果與熱水系統(tǒng)相結(jié)合,由于同樣的投資可以全年充分利用, 就有較好的經(jīng)濟(jì)效益。 [27]網(wǎng)上資料顯示，以江門市太陽能空調(diào)熱水系統(tǒng)為例, 該系統(tǒng)除滿足全年熱水供應(yīng)外, 還可提供600 多m2辦公場所的空調(diào), 100kW 兩級吸收式制冷機(jī)系統(tǒng)部分投資30 萬元, 較同樣面積常規(guī)空調(diào)投資增加一倍, 以年空調(diào)運(yùn)行4000h、電價0.50元/ kWh 計, 所增投資不到兩年即能回收。就用戶而言, 如果需用大量的熱水, 并利用夏季多余的太陽能制冷供空調(diào), 那么采用太陽能空調(diào)熱水系統(tǒng)是很好的選擇,經(jīng)濟(jì)效益較好。 單純的太陽能制冷空調(diào)系統(tǒng)由于要用較多的集熱器面積，往往初投資較大，改善系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的途徑就是提高太陽能集熱器的利用率，如冬季用于建筑采暖、全年供應(yīng)熱水，夏季空調(diào)等。采暖、熱水供應(yīng)與強(qiáng)化自然通風(fēng)復(fù)合能量利用系統(tǒng)，特點(diǎn)是能夠?qū)崿F(xiàn)太陽能全年高效利用。冬季利用集熱器產(chǎn)生的40℃以上的熱水通過地板輻射采暖末端進(jìn)行供暖，夏季利用60℃以上的熱水驅(qū)動吸附制冷機(jī)進(jìn)行空調(diào)降溫，全年供應(yīng)熱水，過渡季節(jié)利用太陽能加熱強(qiáng)化室內(nèi)自然通風(fēng)改善室內(nèi)熱環(huán)境。該項目入選了國際Wisions可再生能源推廣計劃。復(fù)合能量系統(tǒng)技術(shù)被認(rèn)為是建筑結(jié)合規(guī)模化、低成本利用太陽能的重要方向。 6.結(jié)論 總的來看，太陽能集熱轉(zhuǎn)換及與之匹配的制冷空調(diào)方式和蓄能方式有機(jī)結(jié)合是未來太陽能制冷空調(diào)技術(shù)進(jìn)一步高效化、低成本、規(guī)?；瘧?yīng)用的關(guān)鍵所在，也是將來一段時間太陽能空調(diào)制冷技術(shù)領(lǐng)域研究和應(yīng)用的重點(diǎn)。 目前太陽能空調(diào)主要依靠太陽的熱能進(jìn)行制冷，與純粹利用電能為動力的壓縮式制冷系統(tǒng)相比，可以明顯地降低電耗。但太陽能集熱器采光面積與空調(diào)建筑面積的配比受到限制，目前只適用于層數(shù)不多的建筑。隨著太陽能集熱器及制冷機(jī)的工藝制造和工質(zhì)等技術(shù)不斷改進(jìn)，太陽能空調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用將得到廣泛的推廣。它的應(yīng)用意義在于保護(hù)自然環(huán)境，節(jié)約常規(guī)能源。隨著能源政策對清潔能源的傾斜，太陽能空調(diào)系統(tǒng)的前景將無限美好[30]。 由于太陽能的密度低、不穩(wěn)定、非連續(xù), 使如何開發(fā)戶式新型太陽能空調(diào)系統(tǒng)成為實現(xiàn)普遍應(yīng)用的關(guān)鍵。目前, 要實現(xiàn)其商品化生產(chǎn), 還有許多問題需要進(jìn)一步解決。但是, 隨著技術(shù)的革新以及人們節(jié)能與環(huán)保觀念的增強(qiáng), 戶式太陽能空調(diào)熱水系統(tǒng)必將有更廣闊的發(fā)展空間。 參考文獻(xiàn) [1] 李 晨1 ,鄭祖義1,2 ,陳煥新1, 金聽祥2 . 太陽能復(fù)合能源空調(diào)熱水系統(tǒng)中熱泵系統(tǒng)換熱性能的試驗研究.制冷學(xué)報. 2011年8月. 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Furthermore, some methods are suggested to improve the performance of each component, especially the collector/evaporator. A methodology for the design optimization of the collector/evaporator was introduced and applied. In order to maintain a proper matching between the heat pumping capacity of the compressor and the evaporative capacity of the collector/evaporator under widely varying ambient conditions, the electronic expansion valve and variable frequency compressor are suggested to be utilized for the DX-SAHPWH. r 2006 Elsevier Ltd. All rights reserved. 摘要：在這項研究中，我們對額定輸入功率為750W的“直膨式太陽能熱泵熱水器”系統(tǒng)進(jìn)行了測試和分析，通過在春季運(yùn)行工況下的實驗研究和系統(tǒng)性能的熱力學(xué)分析，對于系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計我們提出了一些合理化建議。根據(jù)分析結(jié)果，研制了額定輸入功率為400W的小型化“直膨式太陽能熱泵熱水器”系統(tǒng)并加以試驗驗證和分析。我們把以上兩個系統(tǒng)分別命名為A和B，通過對比分析發(fā)現(xiàn)，兩套系統(tǒng)各主要部件的火用損失以壓縮機(jī)和集熱/蒸發(fā)器為最大，然后依次是冷凝器和熱力膨脹閥。此外，我們還對提高各部件性能尤其是集熱器和蒸發(fā)器的性能提出了一些方法和建議。為了保持熱泵壓縮機(jī)的容量和集熱/蒸發(fā)器的蒸發(fā)量之間的合理匹配，我們在“直膨式太陽能熱泵熱水器”系統(tǒng)中應(yīng)用了電子膨脹閥和變頻壓縮機(jī)。 2006Elsevier Ltd公司保留專利所有權(quán)。 關(guān)鍵詞: 熱泵；熱水器；性能系數(shù)；太陽能集熱效率；火用。 1.引言： 太陽能是一種免費(fèi)可再生能源，它像是空氣熱源的熱泵。為了提高熱泵的COP，來自世界各地的研究人員已經(jīng)提出了把熱泵系統(tǒng)與太陽能應(yīng)用系統(tǒng)相結(jié)合的觀點(diǎn)。所謂直膨式太陽能熱泵，就是把集熱器和蒸發(fā)器組合成一個單元（集熱/蒸發(fā)器），在熱泵循環(huán)系統(tǒng)中,制冷劑被入射的太陽能（和/或周圍空氣的能量）蒸發(fā)吸收。直膨式太陽能熱泵系統(tǒng)與傳統(tǒng)的太陽能熱泵系統(tǒng)相比有很多優(yōu)勢，如優(yōu)越的熱力性能，較低的系統(tǒng)制造成本和集熱/蒸發(fā)器較長的使用壽命。 據(jù)估計，在中國太陽能熱水器每年的銷售額約達(dá)100億元人民幣。另據(jù)報道，在2000年中國約有500萬家庭安裝了太陽能熱水器，并且它的發(fā)展速度越來越快。與傳統(tǒng)的熱泵熱水器相比，直膨式太陽能熱泵熱水器憑借其優(yōu)勢將在中國有一個巨大的潛在市場。 直膨式太陽能熱泵系統(tǒng)的概念是由Sporn和Ambrose在西弗吉尼亞州[1]首次提出的。通過他們的共同努力，他們在過去27年里記錄報道很多理論和實驗性研究的結(jié)果。此領(lǐng)域的審查文件表示，在不同的試驗條件下，當(dāng)直膨式太陽能熱泵系統(tǒng)的COP測試值從2到9變化的時候，集熱/蒸發(fā)器的效率將從45%變化到75%。系統(tǒng)組成的匹配程度對系統(tǒng)的COP和集熱器的效率高低由一定的影響，尤其是集熱/蒸發(fā)器與壓縮機(jī)系統(tǒng)組成的匹配程度。因此，每個組件之間的適當(dāng)匹配對直膨式太陽能熱水泵熱水器的的性能有很重要的影響。 幾何參數(shù) 符號 Ac 太陽能集熱/蒸發(fā)器面積，m2 集熱/蒸發(fā)器的吸收率 COP 性能系數(shù) （火用）損系數(shù) Cpw 常壓下水的比熱容，kJ/kg.K 集熱/蒸發(fā)板發(fā)射率 D 管道外直徑， m 效率 EQW 火用熱水率，KW v 容積效率 Erad 太陽輻射，KW v1 吸入制冷劑蒸氣的比容m3/kg e 具體的火用 ，kJ/kg 斯忒藩常數(shù)W/m2K4 F 翅片效率 時間，或時間間隔，s F’ 集熱效率因子 下腳標(biāo) H 焓值率，KJ 0 環(huán)境的參數(shù) H 比焓，kJ/kg comp 壓縮機(jī) Hw 風(fēng)的傳熱系數(shù)，W/m2K coll 集熱/蒸發(fā)器 Irr （火用）損率，kW cond 冷凝或冷凝器 IT 太陽輻射總強(qiáng)度，W/m2 eva 蒸發(fā)或集熱/蒸發(fā)器 mr 制冷劑的質(zhì)量流量，kg/s ex （火用） Mw 水箱中水的質(zhì)量，kg f 制冷劑液體 N 壓縮機(jī)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，rpm p 集熱/蒸發(fā)器板 P 壓力，Pa rad 太陽輻射 QCond 冷凝中制冷劑散熱量，KW r 制冷劑 Qeva 蒸發(fā)中制冷劑散熱量，KW sa 溶膠-空氣 S 熵, kJ/K v 膨脹閥 S 特殊條件下的熵, kJ/kgK w 水箱的熱水 T 絕對溫度，k i 進(jìn)氣口，或DX-SAHPWH系 ULcond 冷凝器熱損系數(shù)，W/m2K 統(tǒng)的第i個組件 Vd 排水量cm3/rev j 第j段的數(shù)據(jù)采集間隔 Vw 周圍環(huán)境風(fēng)速，m/s o 出口 W 集熱/蒸發(fā)器的管間距，m 1,2,3,4 狀態(tài)點(diǎn) Wi 壓縮機(jī)的指示功率，kW Wcomp 壓縮機(jī)總輸入功率, kW 目前，在制冷和空調(diào)行業(yè)，除集熱/蒸發(fā)器外，其余的直膨式太陽能熱泵熱水器系統(tǒng)均采用普通的材料和部件。為了使直膨式太陽能熱泵熱水器系統(tǒng)的能得到更好地發(fā)展，我們對集熱/蒸發(fā)器性能增強(qiáng)的研究顯得更有重要意義。 在這項研究中，我們的主要目的在于開發(fā)出一種更高性能的直膨式太陽能熱泵熱水器系統(tǒng)，以適應(yīng)潛在的中國市場。目前，這兩個系統(tǒng)原型（直膨式太陽能熱泵熱水器系統(tǒng)（A）和（B））被依次放置在中國教育部太陽能發(fā)電及制冷工程研究中心（上海交通大學(xué)，北緯31.22'N，東經(jīng)121.48。）。在季節(jié)性試驗中，我們分別用熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律對直膨式太陽能熱泵熱水器系統(tǒng)（A）和（B）進(jìn)行了火用分析。同時我們對集熱/蒸發(fā)器系統(tǒng)也提出和運(yùn)用了一些優(yōu)化設(shè)計方法。 應(yīng)當(dāng)指出的是，這項研究中使用的制冷劑R-22，在發(fā)展中國家，例如中國，盡管它將會在2040年前被淘汰，但是現(xiàn)在它仍然廣泛應(yīng)用于熱泵系統(tǒng)。為了促使發(fā)展中國家能夠節(jié)省能源，運(yùn)用R-22作為制冷劑來提高熱泵系統(tǒng)的熱力性能對我們來說顯得尤為重要。另一方面，我們可以運(yùn)用同樣的分析方法來分析其他類型的制冷劑熱泵系統(tǒng)。 2. 系統(tǒng)描述和實驗裝置 2.1直膨式太陽能熱泵熱水器的熱力循環(huán) 圖1 直膨式太陽能熱泵熱水器循環(huán)原理圖 圖1顯示的是直膨式太陽能熱泵熱水器系統(tǒng)（A）在此研究中的示意圖。此系統(tǒng)是由一個無光太陽能集熱器作為蒸發(fā)器，一個制冷劑為R-22的旋轉(zhuǎn)式封閉壓縮機(jī)，一個帶有再繞式銅管的熱水槽作為蒸發(fā)器，一個恒溫膨脹閥（TEV）和一些輔助配件組成的。 這些壓縮的的制冷劑液體從冷凝器通過膨脹閥直接進(jìn)入太陽能集熱/蒸發(fā)器，并在那里得到入射太陽能（和/或周圍環(huán)境大氣能量）的加熱。周圍環(huán)境的空氣作為熱源或者冷源取決于制冷劑的溫度是否低于或高于周圍環(huán)境的溫度。從蒸發(fā)器出來的制冷劑通過壓縮機(jī)的壓縮，最后高溫高壓的制冷劑蒸汽被輸送到冷凝器，在那里得到冷凝。這些能量在冷凝器中被冷卻介質(zhì)水吸收，通過一種（銅管線圈型）熱交換器把能量轉(zhuǎn)換成水槽中水的能量。 圖2 熱水箱由熱泵得熱過程示意圖 圖表2顯示的是制冷劑在理想外界條件下的一個特定的熱泵循環(huán)。在圖中，1-2,2-3,3-4和4-1分別代表壓縮過程，冷凝過程，節(jié)流過程和蒸發(fā)過程。制冷劑相應(yīng)的熱力狀態(tài)點(diǎn)1,2,3，和4分別代表蒸發(fā)壓力下的過熱蒸汽，冷凝壓力下的過熱蒸汽，冷凝壓力下的過冷液體和蒸發(fā)壓力下的過冷液體。如圖2所示，由于太陽能集熱/蒸發(fā)器的壓力是下降的，1點(diǎn)的蒸發(fā)壓力總比在4點(diǎn)蒸發(fā)壓力小。只要加熱集熱/蒸發(fā)器中的制冷劑，水槽中的水也將得到加熱，類似的周期反應(yīng)也會反過來發(fā)生。 2.2.樣機(jī)設(shè)計 直膨式太陽能熱泵熱水器系統(tǒng)（A）的實驗樣機(jī)的設(shè)計和制造如圖 3所示。在表1中列出的每個主要組件規(guī)格。 圖3 試驗樣機(jī)安裝的照片 圖表1 系統(tǒng)A主要部件參數(shù) 名稱 規(guī)格及型號 備注 壓縮機(jī) 滾動式轉(zhuǎn)子 額定功率0.75KW，排氣量13.40cm3 /rev,蓄水150L，內(nèi)置沉浸式。 熱水箱 承壓式保溫水箱 長60m的銅盤管（9.900.75mm）作為冷凝換熱器 。 太陽能集熱/蒸發(fā)器 鋁板 4板式集熱板，分2個流程并聯(lián)，總集熱面積為4.20m3 熱力膨脹閥 TEX-2型由 外部平衡型 Danfoss, Denmark制造 一系列沒有任何玻璃或背絕緣熱源設(shè)備的太陽能集熱器 （總面積為4.20m2)，以R22作為制冷劑的蒸發(fā)器。它包括4個鋁集熱板，分2個流程并聯(lián)，這種網(wǎng)絡(luò)式的管道設(shè)計經(jīng)特殊工藝使兩片鋁板能夠粘合在一起，從而形成肋片，以至于流體能夠在周圍流動。其結(jié)果是，鋁集熱/蒸發(fā)器重量輕，非常薄，所以它可以輕松地安裝在任何地方。本實驗研究中，我們把集熱/蒸發(fā)器面朝南部，固定在一個傾斜度為31.220（上海緯度）的屋頂上，如圖3所示。為了提高其吸收率，我們在集熱/蒸發(fā)器表面涂有選擇性的涂層。系統(tǒng)中使用R22的額定輸入的功率為750W旋轉(zhuǎn)式全封閉壓縮機(jī)，為避免過載，在壓縮機(jī)上裝有過熱保護(hù)器和低高切斷開關(guān)。冷凝器銅管（9.900.75mm）線圈總長度約60米，它們被放置在水箱中（水量150L和聚氨酯保溫層厚度38mm）。打開和關(guān)閉電源的的直膨式太陽能熱泵熱水器系統(tǒng)是由位于水箱內(nèi)的溫度計控制的，所以熱力膨脹閥（外部平衡型）控制制冷劑的流量是通過太陽能集熱/蒸發(fā)器來實現(xiàn)的。 2.3 測試設(shè)備 環(huán)境溫度由鉑熱電偶溫度計（A級精度)測量，不同系統(tǒng)的收集器表面溫度和制冷劑溫度是有另一熱電偶(T型，具有不確定性0.5。C）測量的。水的溫度是有位于熱水槽的溫度熱敏電阻測量的。壓力的高低是由壓力傳感器測定的。為了測定集熱/蒸發(fā)器流程中的壓降，我們在集熱/蒸發(fā)器的里外各裝了一個低壓壓力傳感器（不確定性0.5bar）。在冷凝器的外面裝了裝了一個高壓的壓力傳感器。為了測量太陽輻射的瞬間強(qiáng)度，我們在集熱/蒸發(fā)器周圍安裝了一個太陽輻射強(qiáng)度計（具有敏感性7.464V/Wm2，不確定性為10W/m2）。我們用電子功率測量計（準(zhǔn)確性級別0.5，不確定性約為10-15W）測量壓縮機(jī)的瞬間功耗。以上過程是由基于D-A系統(tǒng)的個人電腦指導(dǎo)和控制的。為了以后分析的方便，數(shù)據(jù)記錄器（Keithley Model-2700數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)）分析記錄了這些數(shù)據(jù)。 3.系統(tǒng)的熱力學(xué)分析 熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律是比較簡單的熱力學(xué)分析方法?；鹩梅治鰧嶋H上是能量分析的一部分?；鹩梅治龅睦碚撌菍嵸|(zhì)上的可用的能源分析?；鹩檬浅爻合孪到y(tǒng)最大有用功的一種測量方式。在直膨式太陽能熱泵熱水器系統(tǒng)中熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律比較簡單的運(yùn)用體現(xiàn)在系統(tǒng)的合理設(shè)計上。這些結(jié)果會使工程設(shè)計者更容易有效地識別組件的火用損失，為進(jìn)行進(jìn)一步的修改提供合理的量化的指導(dǎo)。 3.1 .熱力學(xué)第一定律分析 在這項研究中，直膨式太陽能熱泵熱水器系統(tǒng)的能量守恒可以表示為 (1) 其中表示傳熱量，下標(biāo)cond表示冷凝器，eva表示集熱/蒸發(fā)器。i代表壓縮機(jī)的指示功率。 集熱/蒸發(fā)器從周圍環(huán)境中的熱量可以表示為制冷劑從集熱/蒸發(fā)器入口到出口焓值的變化。 (2) 對于恒定速率運(yùn)行下的壓縮機(jī)來說，在壓縮機(jī)中循環(huán)流過的制冷劑的質(zhì)量的為 (3) 其中發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速為N，制冷劑流量為, 型號為2830, 13.40cm3/rev，91%的直膨式太陽能熱泵熱水器系統(tǒng)（A）上的旋轉(zhuǎn)封閉式壓縮機(jī)的容積效率v。壓縮機(jī)入口處的比體積是由壓力Peva和通過管道的制冷劑溫度T1決定的。 壓縮機(jī)的指示功率可有通過壓縮機(jī)入口和出口處制冷劑的焓差決定的。 (4) 其中為壓縮機(jī)總輸入功率，為壓縮機(jī)的效率，效率0.75用于下文中直膨式太陽能熱泵熱水器系統(tǒng)（A）的計算。 冷凝器的傳熱量可以由以下焓值變化來表示 (5) 節(jié)流過程可近似認(rèn)為是等焓過程： (6) 由熱力學(xué)第一定律知，太陽能集熱器的效率coll和直膨式太陽能熱泵熱水器系統(tǒng)的性能系數(shù)COP可以定義為 (7) (8) 公式中代表的是以上提到的2分鐘的時間采集間隔，下標(biāo)j代表第j段的時間間隔，代表太陽能集熱器的面積代表太陽總的輻射強(qiáng)度，代表水從冷凝器獲得的熱量，它可以近似認(rèn)為是冷凝器制冷劑的散熱量，也就是說熱水通過覆有38mm厚的聚氨酯的水槽到外界環(huán)境的熱量損失可以忽略不計。 3.2 熱力學(xué)第二定律的分析 一個熱力系統(tǒng)的(火用)平衡方程式： (9) 表示火用的輸入量，表示火用的輸出量，表示火用損失，表示火用變化。 直膨式太陽能熱泵熱水器的用平衡方程式可以表示為： (10) 其中表示火用，其下標(biāo)rad表示太陽能輻射，下標(biāo)表示從冷凝器到水的熱交換。表示直膨式太陽能熱泵熱水器系統(tǒng)的壓縮機(jī)總的火用損失。下標(biāo)i代表直膨式太陽能熱泵熱水器系統(tǒng)第i個壓縮機(jī)。 每個壓縮機(jī)的火用損失可以按以下方式估算： 我們可以得到在集熱/蒸發(fā)器中的火用損失 (11) 其中表示入射的太陽能的火用，[14]，表示總的太陽輻射強(qiáng)度，表示集熱/蒸發(fā)器平板表面的溫度。 壓縮機(jī)的火用損失可以總結(jié)為 (12) 冷凝器的火用損失可以總結(jié)為 (13) 膨脹閥的火用損失為 (14) 由熱力學(xué)第二定律的評價指標(biāo)知，火用效率并沒有標(biāo)準(zhǔn)化。在本文中，直膨式太陽能熱泵熱水器系統(tǒng)火用效率可以定義為 (15) 通過火用損失效率的概念我們可以比較清楚的算出系統(tǒng)中每個壓縮機(jī)的火用損失，火用效率可以定義為 (16) ex和ex的關(guān)系為 (17) 4．試驗結(jié)果及討論 目前，我們選擇2005年4月的一個天氣晴朗的日子，在上海對系統(tǒng)A的性能進(jìn)行了一系列研究。其試驗數(shù)據(jù)結(jié)果如表2所示。它顯示了對于150L的水從14-20加熱到50度大概需要90-98分鐘，壓縮機(jī)的總耗功為0.98-1.06KW。平均的性能系數(shù)和效率分別為5.21-6.61和88-105%。它表明當(dāng)蒸發(fā)溫度低于環(huán)境溫度時，集熱/蒸發(fā)器的效率是可能大于1。這個特點(diǎn)對于太陽能集熱/蒸發(fā)器性能的提高是有很大作用的。 圖表2 系統(tǒng)A在春季里的試驗結(jié)果 2005年4月22，我們用一組典型工況下的試驗數(shù)據(jù)分析直膨式太陽能熱泵熱水器系統(tǒng)（A）的性能。 圖4 系統(tǒng)A的太陽能輻射強(qiáng)度和溫度隨時間的變化 從圖4的數(shù)據(jù)中我們可以得到，在此試驗條件下太陽能輻射的平均值IT和環(huán)境的平均溫度分別為812W/m2和24.4度。瞬間的環(huán)境沒有太大變化，但是由于云的影響太陽輻射的變化是難以預(yù)測的。 4.1 直膨式太陽能熱泵熱水器系統(tǒng)的性能系數(shù)和效率 從2005年4月22日的研究結(jié)果中我們可以看出，直膨式太陽能熱泵熱水器系統(tǒng)（A）的性能系數(shù)和效率分別為5.21和88%。 我們把系統(tǒng)A開始運(yùn)行30分鐘后直到一小時后運(yùn)行結(jié)束的階段稱之為“相對穩(wěn)定階段”。在這個階段，系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，例如Tcond,i, Tcond,o, Teva,o, Teva,i, Tw, Tp等，都隨時間的增加而直線上升。 為了研究直膨式太陽能熱泵熱水器系統(tǒng)的性能系數(shù)是隨時間而變化的，在本實驗中，我們把穩(wěn)態(tài)工作的時間分成七個小的時間段。他們是a占前1/8的時間段，b-1/4,c-1/2,d為整個時間段，e為后1/2,f-1/4，g-1/8。直膨式太陽能熱泵熱水器系統(tǒng)（A）a-g七個間隔的平均性能系數(shù)和效率可以有方程式計算出。圖5顯示的就是7和8及7個間隔所對應(yīng)的階段。 圖5 系統(tǒng)A的COP和TW隨時間變化的特性 圖6 系統(tǒng)A的Pcond，Peva，in和Peva，out隨時間的變化特性 從圖5中我們可以看出系統(tǒng)A的集熱/蒸發(fā)效率幾乎達(dá)到90%，它們比常規(guī)的太陽能集熱器的效率高的多，并且其波動范圍變化不大。但是性能系數(shù)的增加主要是因為Tw 和Tcond的減少。 值得注意的是，圖5中的TW的的測量值是瞬時值。根據(jù)實驗測定，當(dāng)TW達(dá)到55°C時，壓縮機(jī)將自動停止工作，熱泵中的循環(huán)水將會在水槽中與熱水混合。根據(jù)實驗結(jié)果，平衡水水的溫度TW2將比測量值低約4.8°C。 如上所述，為了測定集熱/蒸發(fā)器的壓降，在集熱/蒸發(fā)器的里外各裝兩個低壓傳感器。為了測量冷凝壓力，我們在冷凝器的外面安裝了一個高壓傳感器。圖6顯示的是三個壓力的測定值。從圖6中我們可以注意到，Pcond和 Peva都隨TW的增加而增加，并且Pcond的增加速率比較快。壓縮機(jī)的排氣溫度越來越高。當(dāng)實際的Tw,2的值達(dá)到50.5°C時排氣溫度將達(dá)90.4°C。因此，過高的溫度TW將會對直膨式太陽能熱泵熱水器系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性產(chǎn)生負(fù)面影響。 4.2 系統(tǒng)部件的不可逆性 在以上提到的7個中間環(huán)節(jié)中，直膨式太陽能熱泵熱水器系統(tǒng)（A）火用效率和和用損失系數(shù)可以有公式估算得到。實驗數(shù)據(jù)決定了9-17中的狀態(tài)參數(shù)，結(jié)果如圖7所示。 在圖7中，系統(tǒng)A的火用效率隨著時間的也逐漸增加。那是由于周圍環(huán)境比較低的熱力學(xué)能通過系統(tǒng)A以熱水的形式轉(zhuǎn)換成比較高的熱力學(xué)能。然而，除了膨脹閥每個系統(tǒng)的火用損失系數(shù)都是減小的。如圖7所示，最高的火用損失發(fā)生在壓縮機(jī)中，然后分別是集熱/蒸發(fā)器，冷凝器，和膨脹閥。這些計算結(jié)果證明Hawlader等人的觀點(diǎn)是正確的。 直膨式太陽能熱泵系統(tǒng)的組件是相當(dāng)匹配的，尤其是壓縮機(jī)的泵送能力和蒸發(fā)器的蒸發(fā)能力之間的匹配程度是提高其性能的關(guān)鍵。 最高的火用損失發(fā)生在壓縮機(jī)中，它首先表明的是壓縮機(jī)并不是影響產(chǎn)品性能最主要的因素。其次，由于壓縮機(jī)的功耗很大程度上取決于進(jìn)口和出口壓力，所以，使冷凝和蒸發(fā)溫度比較接近可以壓縮機(jī)的火用損失。因此，較高的太陽能輻射，較高的環(huán)境溫度都有助于提高壓縮機(jī)的性能。由于直膨式太陽能熱泵熱水器系統(tǒng)（A）提供的是家用熱水，過高的水溫是沒有必要的，推薦使用Tw2的終溫為45-50°C。 集熱/蒸發(fā)器系統(tǒng)在較低的溫度下運(yùn)行將導(dǎo)致更多的火用損失。如果可能的話應(yīng)該提供較高的蒸發(fā)溫度。直膨式太陽能熱泵最明顯的優(yōu)勢在于它能夠通過入射的太陽能來提高蒸發(fā)溫度。 圖7 系統(tǒng)A的i和ex隨時間的變化 在下文中，我們將介紹直膨式太陽能熱泵熱水器系統(tǒng)（B），它含有一種新型的有較低的壓力損失的集熱/蒸發(fā)器。 水槽中熱水的熱損失和周圍空氣的熱損失最終導(dǎo)致了火用損失。在本文中，熱量損失可以忽略不計，因此，在圖7中估算出的冷凝器的火用損失比實際的是偏低的。為了減少火用損失，我們可以提高水槽的絕熱性能，增加熱交換和優(yōu)化冷凝器的外形和在水槽中的位置。 如圖6所示，隨著Tw的增加壓縮速率逐漸增加，節(jié)流損失也逐漸增加。因此較低終點(diǎn)設(shè)置溫度Tw2是非常有利的。我們計算出的膨脹閥的火用的大約為2-14%。 4.3 最佳的蒸發(fā)溫度 集熱/蒸發(fā)器從周圍環(huán)境中吸收的熱量為 (18) 其中Ac為集熱器的面積，S表示常溫的條件下集熱/蒸發(fā)器從外界吸收的太陽輻射與向外界散發(fā)的太陽輻射的差值。S=IT-q0，表示集熱/蒸發(fā)器的吸收率，表示集熱/蒸發(fā)器發(fā)射率，q0表示單位面積常溫下黑體輻射的太陽能與外界的輻射能的差值。T表示溫度，下標(biāo)p代表集電板，eva代表制冷劑的蒸發(fā)量，0代表周圍環(huán)境，F(xiàn)代表集電器的效率因子。 集熱/蒸發(fā)器的火用增加等于吸收的太陽輻射乘以ZCarnot，集熱/蒸發(fā)器的火用效率可以定義為 (19) 通過比較，我們可以得到最大的火用效率， (20) 在方程式右邊的第二項提到了空氣的溫度 (21) 結(jié)合方程式（20）和（21）我們可以得到 (22) 2005年4月22的試驗結(jié)果表明，周圍環(huán)境的平均溫度和蒸發(fā)器的平均溫度分別為24.4和19.8°C。最佳的蒸發(fā)溫度為39.1°C。如圖8所示，隨著Tw的逐漸增加，Teva,optimum和Teva差值逐漸減少。這實際上與圖7中集熱/蒸發(fā)器火用損失效率逐漸降低是一致的。 圖8 系統(tǒng)A的Teva，optimum，Teva和T0隨時間的變化 4.4 集熱/蒸發(fā)器的優(yōu)化設(shè)計 根據(jù)以上估算，蒸發(fā)器的最佳蒸發(fā)溫度比實際的蒸發(fā)溫度要高得多。因此，我們需要比較高的蒸發(fā)溫度。但是，實際的蒸發(fā)溫度取決于外形設(shè)計和系統(tǒng)的運(yùn)行調(diào)件。 然而，效率的提高和系統(tǒng)的穩(wěn)定性是相互沖突的。壓縮機(jī)的排氣溫度也許不能承受過高的蒸發(fā)溫度。根據(jù)查圖維迪等人的觀點(diǎn)，蒸發(fā)溫度也許低于或高于T0，主要取決于系統(tǒng)的設(shè)計和外界條件。他們認(rèn)為帶有無蓋的容器和變頻壓縮機(jī)的太陽能熱泵系統(tǒng)有一個最佳的性能系數(shù)，它使蒸發(fā)溫度維持在超過環(huán)境溫度5-10°C的范圍。但是黃認(rèn)為太陽能熱泵系統(tǒng)在Teva小于T0的條件下運(yùn)行時，對于壓縮機(jī)有較低的排氣溫度和來自太陽和周圍環(huán)境的雙熱源是十分有利的。在本實驗研究中，我們根據(jù)壓縮機(jī)的吸氣壓力，把蒸發(fā)溫度設(shè)定為比環(huán)境溫度低5°C左右。 如圖6所示，由于制冷劑復(fù)雜的流程，在集熱/蒸發(fā)器入口和出口處的壓力損失越大。因此，為了減少制冷劑在流動過程中的壓力損失，在集熱/蒸發(fā)器中我們應(yīng)該設(shè)計比較合適的流程。 集熱/蒸發(fā)器的設(shè)計步驟如下所示 在本實驗中，我們選擇的測試地點(diǎn)是上海，提供的環(huán)境的平均溫度為25°C，太陽能平均輻射強(qiáng)度為800W/m2，平均風(fēng)速為3.1m/s，集熱/蒸發(fā)器的吸收率和發(fā)射率大約為0.9。 比較方程式（7）和（18），我們可以得到 (23) 從方程式中我們可以算出和分別為-5°C和90%。的估計值為0.94。 集熱器的有效因子可以表述為 (24) 其中F表示肋效率，F(xiàn)=tanUb/Ub， W表示管子節(jié)距，D表示管子的外直徑，p =236W/mK表示集熱/蒸發(fā)板的導(dǎo)電率，p=1.60mm為厚度，D和W分別為12.0和130.0mm。最后Ac是由方程式（18）決定的。 理論上，集熱/蒸發(fā)器優(yōu)化設(shè)計的原理圖如圖9所示。 圖9 集熱/蒸發(fā)器優(yōu)化設(shè)計的原理圖 圖10 系統(tǒng)B集熱/蒸發(fā)器的原理圖 但是，由于市場上提供產(chǎn)品的限制，目前實際使用的集熱/蒸發(fā)器是由8個太陽能集熱板構(gòu)成，如圖10所示。集熱器的總面積為2.08m2，集熱/蒸發(fā)器板是由厚度為0.18mm的銅板構(gòu)成，它的表面涂有被太陽能選擇吸收的黑漆材料。銅管內(nèi)外直徑分別為11.0mm和12.0mm，它被焊接在銅管的背面，他們之間的距離為140.0mm。它朝南安裝在了與地面呈31.22°的屋頂上。 基于對直膨式太陽能熱泵系統(tǒng)（A）的分析和研究，我們開發(fā)出了種小型的，輸入功率為400W的直膨式太陽能熱泵熱水器系統(tǒng)（B），在此研究中，用于估算直膨式太陽能熱泵熱水器系統(tǒng)（B）的壓縮機(jī)效率為0.60。 直膨式太陽能熱泵熱水器系統(tǒng)（B）主要組成部分的規(guī)格列于表3中。 圖表3 系統(tǒng)B的主要部件參數(shù) 名稱 規(guī)格及型號 備注 壓縮機(jī) 滾動式轉(zhuǎn)子 額定功率0.40KW，排氣量7.40cm3 /rev 熱水箱 承壓式保溫水箱 蓄水150L，內(nèi)置沉浸式，50m的銅盤管（9.900.75mm）作為冷凝換熱器 太陽能集熱/蒸發(fā)器 鋁板 8個薄板（由0.18mm厚的銅板焊接在一起其直徑12.00,50mm），總集熱/蒸發(fā)器面積為2.08m3 熱力膨脹閥 TEX-2型由 外部平衡型 Danfoss, Denmark制造 4.5 系統(tǒng)（A）和（B）的試驗性比較 為了檢驗系統(tǒng)B性能，我們于2005年10月的秋天在上海做了一系列的試驗與系統(tǒng)A進(jìn)行分析和比較。試驗數(shù)據(jù)如表4所示。 圖表4 系統(tǒng)B在秋季里的試驗數(shù)據(jù) 通過表2和表4的比較，我們意識到在相同的外界條件和取得相同的熱水條件下，系統(tǒng)B與系統(tǒng)A相比需要比較長的時間。然而，系統(tǒng)A和B消耗的電能都不會超過1KWh。在相似的運(yùn)用成本下，較低的成本和較小的面積對于安裝在房頂或者墻上的系統(tǒng)來說是非常有利的，因此，體統(tǒng)B在這方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于系統(tǒng)A。 為了進(jìn)一步的分析，我們在2005年10月15對系統(tǒng)B在典型工況下進(jìn)行的分析結(jié)果與2005年4月22對系統(tǒng)A的分析結(jié)果做出了比較。 從圖11中我們可以看到，在試驗期間，太陽能的平均輻射IT和環(huán)境的平均溫度T0分別為795W/m2和24.7°C，與圖4中相似，環(huán)境溫度幾乎是不發(fā)生變化的。然而，瞬間太陽輻射在沒有云影響的情況下是成正玄曲線變化的。 從2005年10月15的實驗結(jié)果中可以得到，系統(tǒng)B的性能系數(shù)COP和集熱/蒸發(fā)器的效率分別為4.94和86。 圖11 系統(tǒng)B的IT和T0隨時間的變化 圖12 系統(tǒng)B的coll，COP，和TW隨時間的變化 如圖12所示，系統(tǒng)B的coll，COP，TW,的變化特性與系統(tǒng)A是十分相似的。主要的不同在于，十分鐘后系統(tǒng)B進(jìn)入跨穩(wěn)態(tài)工作條件的階段。從圖5與圖12的比較中我們可以看出，系統(tǒng)B的性能系數(shù)和集熱效率都比系統(tǒng)A較低。在圖12中TW時瞬間溫度。當(dāng)實驗設(shè)備運(yùn)行的過程中，一旦TW的溫度達(dá)到54°C時，壓縮機(jī)將會自動停止運(yùn)行，熱泵中的循環(huán)水將會與槽中的熱水混合。根據(jù)實驗結(jié)果，實際平衡時水的溫度Tw2要比實際測量的低約4°C。 通過比較表2和表4，我們可以得出系統(tǒng)B中的集熱/蒸發(fā)器的壓（溫）降要比系統(tǒng)A的要小。從圖13中我們可以得出出口和入口處的壓力損失大概為0.083Mpa。這對提高集熱/蒸發(fā)器的效率是非常有用的。 圖13 系統(tǒng)B的Pcond，Peva，in和Peva，out隨時間的變化 圖14 系統(tǒng)B的i和ex隨時間的變化 用以上同樣的分析方法，我們可以在圖14中查出每個組件的火用損失效率和系統(tǒng)B的火用效率。與系統(tǒng)A不同，它最大的火用損失發(fā)生在集熱/蒸發(fā)器，而不是壓縮機(jī)。 盡管隨著制冷劑的流動集熱/蒸發(fā)器壓降問題得到了 改善，但是因為市場可利用產(chǎn)品的限制，我們在系統(tǒng)B中集熱/蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)采用的是板上管而不是單跨管。板上管結(jié)構(gòu)并不能使集熱/蒸發(fā)器與外界環(huán)境的熱交換變得更加充分。從表4中可以估算出，在2005年10月15進(jìn)行的數(shù)據(jù)測定F大概為0.67。 圖標(biāo)15 系統(tǒng)B的Teva，optimum，Teva和T0隨時間的變化 4.6 進(jìn)一步改善系統(tǒng)性能的方法 隨著熱負(fù)荷與氣候，季節(jié)和全年性的工作條件的變化，直膨式太陽能熱泵熱水器系統(tǒng)的也是不斷變化的。由于變化的工作條件引起的直膨式太陽能熱泵熱水器系統(tǒng)每個組件的不匹配（尤其是壓縮機(jī)與集熱/蒸發(fā)器的不匹配），都將會導(dǎo)致火用損失。 如果我們能夠自動控制制冷劑在集熱/蒸發(fā)器的流動Teva,optimum 和Teva的不同將會減少，那么系統(tǒng)的火用損失也將會減少。如果在沒有超過壓縮機(jī)最大吸氣壓力的情況下，我們將采用比較高的蒸發(fā)溫度。在相同蒸發(fā)溫度的條件下，稍高的性能系數(shù)和直膨式太陽能熱泵熱水器系統(tǒng)有較好穩(wěn)定性是相互矛盾的。值得提出的是，適度的蒸發(fā)壓力是由實際工況決定的。 為了保持較高的性能系數(shù)和系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制蒸發(fā)溫度保持一個穩(wěn)定的范圍，我們將在未來在直膨式太陽能熱泵熱水器系統(tǒng)上安裝一個可變速的壓縮機(jī)和電子膨脹閥控制器。我們將應(yīng)用于一些適當(dāng)?shù)目刂品椒?，有效地結(jié)合這兩種可控元件，在全年廣泛不同環(huán)境條件下保持壓縮機(jī)吸熱能力和集熱/蒸發(fā)器的蒸發(fā)量之間的適當(dāng)匹配。然后，壓縮機(jī)和集熱/蒸發(fā)器的較高的火用損失也必然得到減少。此外，直膨式太陽能熱泵熱水器系統(tǒng)的熱力性能和穩(wěn)定性也會得到提高。 5. 結(jié)論 通過對直膨式太陽能熱泵熱水器系統(tǒng)A（輸入功率為750W）在春季里的實驗性研究和熱力學(xué)分析，我們對于系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計提供了一些合理化建議。然后，我們研制了一種裝有新型集熱/蒸發(fā)器的小型直膨式太陽能熱泵熱水器系統(tǒng)B（輸入功率為400W），通過測試和分析，并使之與系統(tǒng)A進(jìn)行比較。 系統(tǒng)A和B消耗的電能至多為1KWh，在相似的預(yù)期成本下，較小的系統(tǒng)需要較低的運(yùn)營成本，并且較小的集熱/蒸發(fā)面積也有利于系統(tǒng)在房頂?shù)陌惭b。 通過對系統(tǒng)A和B的每個組件進(jìn)行火用分析，我們可以得到，最大的火用損失發(fā)生在壓縮機(jī)和集熱/蒸發(fā)器上，緊接著是冷凝器和膨脹閥。 此外，為了提高系統(tǒng)中每個組件的性能，我們提出了一些合理的方法和建議。集熱/蒸發(fā)器的優(yōu)化一些設(shè)計方法得到了應(yīng)用和實施。 在可變的工況條件和實際市場可利用產(chǎn)品的限制條件下，壓縮機(jī)和集熱/蒸發(fā)器的選擇并不像設(shè)計中的那么匹配。在大范圍變動的外界條件下，為了能使壓縮機(jī)的泵送能力和集熱/蒸發(fā)器的蒸發(fā)能力有合適的匹配度，在下一步的工作中我們將對系統(tǒng)A采用變頻壓縮機(jī)和電子膨脹閥。 致謝 中國科學(xué)技術(shù)部（合同編號2005BA908B07）和上?？茖W(xué)技術(shù)委員會（合同編號05dz05807）對此項研究在一定程度上的支持。作者還要特別感謝馬強(qiáng)先生提供的技術(shù)支持和孫云康先生，王泰華先生對他們在試驗研究中的幫助。 參考文獻(xiàn) [1] Sporn P, Ambrose ER. 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