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熱泵型空調(diào)器的制冷概況
文獻綜述
題 目 28kW分體式水源熱泵
空調(diào)機組
學生姓名
專業(yè)班級
學 號
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熱泵型空調(diào)器的制冷概況
摘要:節(jié)能和環(huán)保是21世紀科學技術發(fā)展的兩大議題。我國的環(huán)境污染在世界上較為嚴重,必須推廣節(jié)能環(huán)保新技術,對于制冷和空調(diào)行業(yè),應在降低能耗的基礎上,注重新技術的研發(fā)和應用,以適應21世紀的能源戰(zhàn)略新需求。通過對熱泵型空調(diào)器的發(fā)展進程、工作原理以及新型工質(zhì)的了解,讓我們更加掌握熱泵型空調(diào)器的各項性能參數(shù)隨外界環(huán)境變化時的變化情況?;谛滦涂照{(diào)制冷技術應用發(fā)展狀況展望其未來發(fā)展應用趨勢,促進空調(diào)制冷研發(fā)的科學發(fā)展有重要的實踐意義。
關鍵詞:熱泵型空調(diào)器;空調(diào)與制冷;新工質(zhì);研究狀況;發(fā)展趨勢
1 前言
市場經(jīng)濟的飛速發(fā)展,社會的持續(xù)進步令人們物質(zhì)文化生活水平實現(xiàn)了迅猛提升,為優(yōu)化舒適環(huán)境人們對空調(diào)制冷技術的需求應用范疇越來越廣泛,當前空調(diào)制冷技術已全面滲透至各個科學研究、生產(chǎn)技術領域,用于調(diào)節(jié)氣溫、冷藏冷凍、加工食品等層面,為服務生產(chǎn)環(huán)境營造了必要的恒溫條件。同時在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中可用于對特殊種子作物做低溫處理,在建筑施工中利用空調(diào)制冷技術可有效實現(xiàn)開采凍土,另外空調(diào)制冷技術還應用于尖端科學、現(xiàn)代醫(yī)學中,例如生物技術、微電子技術、宇宙開發(fā)領域等,由此可見現(xiàn)代社會的科學發(fā)展需要空調(diào)制冷的輔助支持[1]。人們廣泛應用的制冷空調(diào)和熱泵系統(tǒng),由于本身耗能和傳統(tǒng)制冷劑對環(huán)境的破壞,系統(tǒng)的節(jié)能和制冷劑的替代成為前言課題。怎樣令空調(diào)制冷系統(tǒng)消耗最小的能源、最大化產(chǎn)出制冷量,營造高效制冷效果則成為行業(yè)專家歷經(jīng)多年共同研發(fā)、不斷探索的課題,并研發(fā)出了較多新型節(jié)能制冷技術,令空調(diào)制冷行業(yè)實現(xiàn)了穩(wěn)步向前發(fā)展。
2 我國熱泵的發(fā)展概況
1950年代初,天津大學的一些學者最早開始從事熱泵的研究。
1965年上海電冰箱廠研制成我國第一臺制熱量3720w的熱泵型窗式空調(diào)器,但因換向閥的工作可靠性等原因,長期未有發(fā)展。
1970年代后期,由于能源危機所推動的世界性熱泵熱也影響了我國學術界。
1990年上海市通用機械技術研究所首次進行了第二類吸收式熱泵的模擬試驗,同年上海交通大學、上海第一冷凍機廠聯(lián)合研制了350kw第二類吸收式熱泵。
2000~2003年,專利總數(shù)287項,其中發(fā)明專利119項。多項創(chuàng)新成果問世,如土壤蓄冷與土壤耦合熱泵集成系統(tǒng)、空氣源熱泵蓄能熱氣除霜系統(tǒng)、三套管蓄能型太陽能與空氣源熱泵集成系統(tǒng)等。
2005年全國共有地源熱泵工程項目3869項,同年11月31日,建設部發(fā)布了《地源熱泵系統(tǒng)的工程技術規(guī)范》(GB50366-2005),并于06年1月1日起正式實施。
2008年的北京奧運會和2010年的上海世博會使得熱泵技術在我國的應用越來越廣泛。
3 熱泵型空調(diào)器的工作原理
3.1 熱泵型空調(diào)器概述[2]
熱泵型空調(diào)器具備夏季制冷及冬季制熱的雙重功能,目前已受到越來越多的用戶歡迎。但這種空調(diào)也有一定局限性,例如在某些地區(qū)冬季運轉(zhuǎn)時,由于室外溫度較低,蒸發(fā)器的表面非常容易結(jié)霜,就會影響正常供熱;同時,室外空氣溫度的持續(xù)降低使室內(nèi)熱負荷隨之增大,但空調(diào)機組的供熱能力卻逐漸較弱,根本無法滿足基本使用要求。因此,如何提高熱泵型空調(diào)器在低溫環(huán)境下的制熱與制冷能力越來越受到關注。分體式熱泵型空調(diào)機組在低溫條件下可提高室外機組周邊空氣溫度及機組蒸發(fā)溫度,有助于提高制冷力,從而滿足制冷與制熱需求。它主要采取了以下方法:將分體式熱泵型空調(diào)機組的室外換熱器布置在建筑房頂專用的室內(nèi),并在其中設置另外的空氣換熱器,讓部分可能流經(jīng)蒸發(fā)器的低溫空氣和部分回風實現(xiàn)熱交換,進而提高蒸發(fā)器進風的溫度及機組的蒸發(fā)溫度。
在普通空調(diào)器的基礎上,安裝一個四通換向閥,改變閥的操作,可以使原來空調(diào)器的蒸發(fā)器和冷凝器的功能互相對換,從而把冷卻室內(nèi)空氣的功能改變?yōu)榧訜崾覂?nèi)空氣的功能。我們把這種冬季可以從室外較低空氣中抽取熱量,用來加熱室內(nèi)空氣,夏季可把室內(nèi)空氣的熱量除去,傳送到室外的空氣調(diào)節(jié)器叫做熱泵式空調(diào)器。
它的特點是一機兩用,夏季可以制冷降溫,冬季可以制熱升溫。結(jié)構(gòu)簡單,控制方便,價格便宜,適用于-5~43℃環(huán)境。帶除霜器的熱泵式空調(diào)器,適用于-5~43℃環(huán)境。
3.2 工作原理
熱泵型分體式空調(diào)器原理圖
常用的熱泵空調(diào)系統(tǒng)由壓縮機、四通換向閥、室外換熱器、節(jié)流機構(gòu)(毛細管或膨脹閥)、室內(nèi)換熱器、集液器及連接管路組成。
當熱泵型空調(diào)器運行于制冷工況時,四通閥換向使圖中實線接通。這時,室內(nèi)換熱器成為蒸發(fā)器,而室外換熱器成為冷凝器。從室內(nèi)換熱器來的低溫低壓過熱氣經(jīng)四通閥和消聲器進入氣液分離器.分離出液體后,干過熱氣被壓縮機吸入壓縮成為高溫高壓的氣體徘出,氣體經(jīng)四通閥進入室外換熱器放熱冷凝,成為過冷液。過冷液經(jīng)毛細管阻力降壓后成為低溫低壓兩相流體,進入室內(nèi)換熱器蒸發(fā)吸熱(此時室內(nèi)空氣被降溫),再一次經(jīng)四通閥和氣液分離器進入下一循環(huán)。
當熱泵型空調(diào)機運行于制熱工況時,四通閥換向線接通。這時室內(nèi)換熱器成為冷凝器,室外換熱器成為蒸發(fā)器。從室外換熱器來的低溫低壓過熱氣經(jīng)四通閥和消聲器進入氣液分離器,分離出液體后,干過熱氣被壓縮機吸入壓縮成為高溫高壓的氣體徘出,氣體經(jīng)四通閥進入室內(nèi)換熱器放熱冷凝(此時,室內(nèi)空氣被加熱).成為過冷液,過冷液經(jīng)毛細管阻力降壓后成為低溫低壓兩相流體.進入室外換熱器蒸發(fā)吸熱,隨后過熱氣經(jīng)四通閥和氣液分離器進入下一循環(huán)。
為防止制熱時因除霜導致室內(nèi)舒適性下降,采用了熱氣旁通不間斷制熱除霜方式。除霜時,運行原理基本與制熱相同,只是將融霜電磁閥打開。從壓縮機出來的高溫高壓的過熱氣有一部分被分流到室外換熱器的人口,迅速把室外換熱器的溫度提高到O℃以上,融掉室外換熱器上的霜層,使換熱器保持良好的換熱效率。
4 制冷工質(zhì)研究進展
制冷工質(zhì)或制冷劑的選擇對制冷循環(huán)或制冷機的性能有重大影。
1834年由美國人發(fā)明的世界上第一臺制冷機采用乙醚做制冷劑,1866年二氧化碳被用作制冷劑,1872年英籍美國人波義耳又發(fā)明了以氨為制冷劑的壓縮機。從本世紀30年代起,一系列的氟利昂陸續(xù)出現(xiàn),大大促進了制冷與空調(diào)業(yè)的發(fā)展。但是由于像R11、R12等氟氯化碳或稱氟氯烴(CFC)的大量使用會破壞臭氧層,并且造成溫室效應,引起全球氣候變暖等問題,所以尋找一種對環(huán)境安全的制冷劑是當前制冷行業(yè)首要解決的問題,制冷劑的替代也由無臭氧層破壞到到同時滿足臭氧層保護和阻止全球變暖的雙重要求上來。由于R22對臭氧層的耗損作用和較高的室溫效應值,因此展開了對HCFC22替代技術的研究。
4.1 R22比較成熟的HFCS替代物有以下幾種[3~7]:
(1)R407c:是眾多候選替代制冷劑中呼聲較高的R22替代物,這是由于R407c的熱力性質(zhì)與R22比較相似,工作壓力和制冷量都比較接近。
(2)R410a: 其熱力性能十分接近單工質(zhì),雖然它與R22 的熱力性質(zhì)不很相似,但卻可能是R22最有前途的HFC類替代物。使用R410a的制冷系統(tǒng)需徹底改型,但改型后的機器變得更為緊湊。它的另一優(yōu)勢是液相的熱導率高、粘度低,使其具有優(yōu)于R22的傳輸特性。
(3)R134a:與R22 相比,壓力、冷量都會降低,大多數(shù)的管道包括換熱器在內(nèi)都應擴大以減少壓力損失,壓縮機的排量也要增加。用它代替R22后系統(tǒng)的制冷量有大幅度的下降,能效比也略有下降。系統(tǒng)的改型費用較高,因此對于小型住宅或商用空調(diào)不太可能用它,但對大型冷水機組尤其是用螺桿或離心式壓縮機時比較合適。
(4)R1270: 通過對R1270與R22的熱物理性質(zhì)和熱力循環(huán)性進行比較,碳氫化合物R1270的環(huán)境接受性能好,主要的熱物理性質(zhì)與R22相似,其氣化潛熱比R22和R290都要高,傳熱效率高,并且R1270的可燃可爆性也可以通過生產(chǎn)過程和制冷裝置中安全措施的完善而得到克服。與R22系統(tǒng)潤滑油及其它部件均能兼容,并且與R22容積制冷量相差不大,不需要壓縮機進行改型。具有高制冷量, 高循環(huán)性能系數(shù),充注量大大減少的優(yōu)點,總體考慮是一種性能優(yōu)良的制冷劑。
4.2 自然工質(zhì)的研究
替代工質(zhì)研究的另一方面是放棄使用化工合成物,采用和環(huán)境相容的純天然工質(zhì),HFC替代物雖然解決了臭氧層的消耗問題,但其較高的GWP值仍然是困擾人們的一個不可忽視的問題。如果從環(huán)境的可接受性考慮,天然制冷劑無疑是解決問題最徹底而又最完滿的途徑。目前在天然制冷劑中以氨、丙烷與其他烴的混合物及二氧化碳制冷技術[8~9], 其中二氧化碳制冷技術最有可能成為R22的長期替代物。由于CO2的高密度和低粘度,CO2的流動損失小,傳熱效果好。通過強化傳熱可以彌補它循環(huán)不高的缺點,增加回熱器或者采用兩級壓縮即可達到與常規(guī)制冷劑相似的效率,而不設膨脹機,這也是各公司開發(fā)CO2小型制冷或者汽車空調(diào)的研究方向。
4.3 混合工質(zhì)的研究
在關注純物質(zhì)和自然工質(zhì)研究的同時,混合工質(zhì)[10~11]也成為工質(zhì)研究的重要方向,混合工質(zhì)在近期替代CFCs方面具有很大的潛力和應用前景,可以滿足各種不同設備的特定性能要求。所謂混合工質(zhì)是指由兩種或兩種以上的純工質(zhì)按一定比例混合而成的溶和物,按照混合后的溶液是否具有共沸的性質(zhì)可分為以下三種[12]:
(1) 共沸混和物(azoetropic):它和單一物質(zhì)一樣,在一定壓力下發(fā)生相變是具有一定的相變溫度,而且氣相和液相始終保持相同的成分。
(2) 近共沸混和物(near azoetropic):是一種泡露點溫度差足夠小的非共沸混和物,在某些特定場合分析時,忽略這個溫度差也不會產(chǎn)生明顯誤差。
(3) 非共沸混和物(nonazoetropic):沒有共沸點,在定壓力下蒸發(fā)或凝結(jié)時,氣象和液相的成分不同,溫度也在不斷變化。
在廣泛開展實驗研究的同時,許多學者對混合工質(zhì)制冷循環(huán)的節(jié)能特性進行了模擬計算[13],Stoecker和Walukas[14]給出了R12/R114的計算結(jié)果,他們假定低溫蒸發(fā)器的熱負荷是高溫蒸發(fā)器的兩倍,結(jié)果顯示:當R114質(zhì)量百分數(shù)為50%,系統(tǒng)可以節(jié)能12%。Kruse[15]采用R22/R114和R13B1/R114也做理論計算,利用RKS狀態(tài)方程計算混和物的性質(zhì),結(jié)論是:對于R22/R114(R22質(zhì)量濃度為0.4),系統(tǒng)的COP可以提高18%~20%;對于R13B1/R114(R13B1占0.7),COP提高20%。R32/ 134a: 這種非共沸混合物在30/70%時,有最佳的熱力學性能。許多報告指出,經(jīng)系統(tǒng)沖量、注熱交換器的優(yōu)化后的空調(diào)設備采用這一混合工后的制冷量完全可與R22相當,而能效比還可提高幾個百分點。其缺點是雖然它在正常工作條件下是不可燃的,但在某種條件下呈可燃性。
最近,國際制冷協(xié)會提出用天然制冷劑(像氨、二氧化碳及碳氫化合物等)來替代CFCs與HCFCs,這涉及制冷系統(tǒng)及機器結(jié)構(gòu)的改變,是未來制冷劑發(fā)展的趨向。
5 結(jié)語
空調(diào)制冷技術發(fā)展前景趨勢整體來講,環(huán)保、節(jié)能、智能化與健康化是空調(diào)制冷系統(tǒng)技術未來的科學發(fā)展趨勢,行業(yè)近期主要針對其顯著熱點技術進行深入研究,包括直流變頻、自動清潔、靜音、節(jié)能、彩板、加濕、新冷媒、網(wǎng)絡遠程控制及鋁替銅技術[16]。
熱泵空調(diào)系統(tǒng)是一種高效、節(jié)能、環(huán)保型產(chǎn)品,但并不是在任何條件下都可以應用。其制約條件是電源和冷源。目前。我國電力供應較充足,容易解決。而水源式冷源則是其主要限制條件,沒有適合可靠的水源,就不能使用水源型熱泵。例如有些工程規(guī)模大,制冷或制熱負荷大,所需水源水量很多,雖然工程場地有一定面積,也可以鉆井,但是水資源量不足.難以完全滿足工程負荷需要 有些工程所在場地下面雖然有地下水,但是由于該工程地處繁華市區(qū),場地面積狹小,無處布井取水,場地環(huán)境條件限制了水源熱泵系統(tǒng)的應用[17~18]。
水源熱泵主要的特點和優(yōu)點是冬季供熱,夏季供冷,與一般的水冷機組比較沒有太多的優(yōu)點,故水源熱泵用在北方有供暖要求的地方才是比較合適。
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