一台典型空气源热泵热水器产品的火用分析

张银潇,李科群,汤 盛

(上海理工大学动力工程学院,上海200093)

空气源热泵热水器具有高效节能的优点,其耗电量约为同等容量电热水器的1/4,而且加热时间短、水电完全分离,作为一种节能的新产品虽然开发时间不长,但已经得到了市场的认可,近年来发展迅速。当然,与电热器相比空气源热泵热水器的结构和运行过程比较复杂,每一个部件和每一步运行都可能影响到最后的热效率。为进一步了解空气源热泵热水器系统的性能,本文将对一台典型的空气源热泵热水器产品进行热力学分析,包括对产品主要部件的运行进行火用分析,探索改进的目标。

1 空气源热泵热水器结构、运行工况参数

本文的分析对象,是某公司的生产的KQR-76型空气源热泵热水器,热水器的额定输入功率为17.6 kW,额定产热量 75.8 kW,额定热水温度55℃,产水量1.63 m3/h。

1.1 结构和运行

空气源热泵热水器主要由压缩机、热水交换器、膨胀阀和空气热交换器组成,如图1所示。热水器在运行时通过液态工作介质(KQR-76型采用制冷剂R22)在低温低压的蒸发器内吸收外界空气中的热量(4→1过程),蒸发成蒸气。经压缩机压缩成高温高压蒸气(1→2过程)。高温高压蒸气再通过冷凝器放热(2→3过程),加热换热器另一侧的水。制冷剂经过膨胀阀降压降温后(3→4过程),再回到蒸发器吸热,如此反复循环。这样,空气中的低品位能量就能变为高品位能量,提供给用户[1]。

1.2 各状态点的热力学参数

根据空气源热泵热水器在运行时,系统各点(即图1中所示各点)测得的温度 T和压强p等参数值,到制冷剂R22的压焓图查得状态点1,2,3,4点的比焓h和比熵s,到未饱和水与过热蒸汽表里查得状态点5和6点的比焓h和比熵s,到空气焓-熵图查(或蒸汽焓-熵图)得状态点7和8点的比焓h和比熵s,再根据计算公式得比火用ex,而比火用ex与各运行系统的质量流量乘积就是火用EX。图1中各状态点的热力学参数见表1。

1.3 效能指标

和电动热泵型空调或者其他常用的制冷设备一样,目前的空气源热泵热水器效能指标也采用性能系数(COP)和制冷系数(EER)来进行评价。

图1 空气源热泵热水器的结构和运行原理

表1 空气源热泵热水器各个点的工况参数

但是本文将运用性能系数(COP)与一次能源利用率(PER)对热泵进行评估,后者是指供热量与热泵消耗功量折合成一次能量的比值[2]。

假设系统处于稳定状态,由于流体在输送过程中能量损失和流动损失比较小,因此对其予以忽略。性能系数:

式中:Q h为制热量,根据产品说明本案取75.8 kW;W0为热水器的额定输入功率,本案为 17.6 kW;ηεy为电厂的供电效率(供电量与燃料的发热量之比),一般为35%左右;ηi为压缩机的指示效率,取 0.95;ηm为压缩机的摩擦效率,取0.95;ηd为传动效率,取0.95;ηo为电动机的效率,取0.95。

根据式(1)和式(2),KQR-76型空气源热泵热水器的COP为3.51,PER为1.23。

2 空气源热泵热水器的火用计算

火用效率是指把系统或设备中作为收益的火用与作为代价的火用之比值,即作为收益的火用/作为代价的火用。火用损失包括在不可逆过程中产生的火用耗散和在系统与环境的相互作用中产生的火用损失。空气源热泵热水器的火用损失为系统各部件的各项火用损失之和:

火用损失系数是指用能系统或设备的某一环节的火用损失占全部火用损失的比例,因此它明确了系统或设备的火用损失分布情况。热力学完善度则是指某一过程或环节的输出火用与输入火用的比值ε,显然0≤ε≤1。ε越小的环节不可逆损失越大,是用能改进的主要目标[4]。

根据文献[5-9],可得压缩机的火用损失、火用损失系数、火用效率的计算公式;热水交换器的火用损失、火用损失系数、火用效率、热力完善度的计算公式;膨胀阀的火用损失、火用损失系数、热力完善度的计算公式;空气热交换器的火用损失、火用损失系数、火用效率、热力完善度的计算公式;空气源热泵系统的火用效率、热力完善度的计算公式。

2.1 压缩机

输入压缩机的功量W 为21.6 kW,压缩机中工质进口的火用值EX1,根据表1为15.42 kW;压缩机中工质出口的火用值EX 2,根据表1为24.53 kW。

由此可以得到压缩机的火用损失为12.49 kW。

式中:∑EX为空气源热泵热水器系统的火用损失23.38 kW,

可以得到压缩机的火用损失系数为0.534 2。

(3) 火用效率

由此可以得到压缩机的火用效率为0.421 7。

(4) 热力学完善度

由此可以得到压缩机的热力学完善度为0.662 6。

2.2 热水交换器

EX 2为热水交换器中工质入口的火用值,也是压缩机中工质出口的火用值,根据表1为24.53 kW;EX 3热水交换器中工质出口的火用值,也是膨胀阀中工质入口的火用值,根据表1为18.78 kW;EX 5和EX 6分别为热水交换器中冷却水进出口火用值,根据表1分别为0 kW和3.71 kW。

(1) 火用损失

EXcond=(EX2-EX3)-(EX6-EX5)由此可以得到热水交换器的火用损失为2.04 kW。

(2) 火用损失系数

式中:∑EX为空气源热泵热水器系统的火用损失23.38 kW。

由此可以得到热水交换器的火用损失系数为0.087 3。

(3) 火用效率

由此可以得到热水交换器的火用效率为0.645 2。

(4) 热力学完善度由此可以得到热水交换器的热力学完善度为0.916 8。

2.3 膨胀阀

工质在膨胀阀中的节流过程是一个等焓过程,h3=h4。EX3热水交换器中工质出口的火用值,也是膨胀阀中工质入口的火用值;EX4为膨胀阀中工质出口的火用值,也是空气热交换器中工质入口的火用值。

(1) 火用损失

由此可以得到膨胀阀的火用损失为1.93 kW。

(2) 火用 损失系数

由此可以得到膨胀阀的火用损失系数为0.082 55。

(3) 热力学完善度

由此可以得到热水换热器的热力学完善度为0.897 2。

2.4 空气热交换器

EX1为压缩机中工质进口的火用值,也是空气热交换器中工质出口的火用值;根据表1为15.42 kW。EX 4为膨胀阀中工质出口的火用值,也是空气热交换器中工质入口的火用值,根据表1为16.85 kW。EX 7和EX8分别为空气热交换器前后火用值,根据表1分别为0 kW和-8.35 kW。

(1) 火用 损失

由此可以得到空气热交换器的火用损失为6.92 kW。

(2) 火用损失系数

式中:∑EX为空气源热泵热水器系统的火用损失23.38 kW。由此可以得到空气热交换器的火用损失系数为0.296 0。

(3) 火用 效率

由此可以得到空气热交换器的火用效率为0.171 3。

(4) 热力学完善度

由此可以得到空气热交换器的热力学完善度为0.419 58。

2.5 空气源热泵系统

EX5和EX6分别为空气源热泵系统中冷却水进出口火用值,根据表1分别为0 kW 和3.71 kW。

EX7和EX 8分别为空气源热泵系统前后火用值,根据表1分别为0 kW和-8.35 kW,W 为输入压缩机的功量,kW,根据上面得21.6 kW。

(1) 火用效率

由此可以得到空气源热泵系统的火用效率为0.171 8。

(2) 热力学完善度

由此可以得到空气源热泵系统的热力学完善度为0.558 3。

3 火用计算结果的分析

上述的计算结果可以总结如表2。

表2 空气源热泵和各部件的火用计算结果

从表可以看出,在运行时,系统的火用效率低于大多数设备的火用效率,这是由空气源热泵热水器系统的特性和火用效率计算的原理决定的。设备的火用效率反映了设备的热力过程的不可逆性,在系统效率的计算中,反映了系统的不可逆程度,而系统的不可逆是各个设备不可逆性的综合,这就使得系统的火用效率低于大多数设备的火用效率。

热水交换器的热力学完善度为0.916 8,而火用效率为0.645 2,说明热力完善度高的设备火用效率不一定很高。膨胀阀的热力学完善度为0.90,而火用效率为0,可以推知,当设备的火用效率为零时,其热力学完善度可以不等于零,表明此设备的热力学完善性不一定最差,如对输出的无效火用进行再生或再利用的话,仍可以获得节能效益,只有当设备的火用效率和热力学完善度都很低的时候才能判断该设备的性能较差。所以评价设备或系统的用能性能时,应该把热力学完善度和火用效率结合起来加以考虑。

压缩机和空气热交换器的热力学完善度较低,不可逆损失较大,应是用能改进的主要目标;空气热交换器的火用效率(0.171 3)是系统火用效率最低的,并且热力完善度(0.419 6)也是系统热力完善度最低的,这表明,要想提高整个系统的用能效率,就必须先提高空气热交换器设备的效率。

4 结论

(1)KQR-76型空气源热泵热水器的性能系数COP(3.51)虽然高,但不能够表明系统各部件对能量品质利用已经很合理了,还必须通过对空气源热泵热水器的各部件进行火用效率、火用损失、火用损失系数、热力学完善度的分析,明确系统各部件对能量品质利用的情况。

(2)空气热交换器的火用效率是系统火用效率最低的,并且热力完善度也是系统热力完善度最低的,表明系统中还可能有不合理处,可以通过对空气热交换器进行技术改造,提高其换热性能,可以进一步节约能源。

(3)空气源热泵系统包括热泵机组、空气源系统和末端热水用户系统三个主要部分,本文主要对热泵机组、空气源系统进行了热力学分析,要使整个系统的能源利用进一步完善,还需对末端热水用户系统进行进一步研究。

(4)本文的热力学分析方法,不只是能分析空气源热泵热水器类产品,对于其它(空调、冰箱、冷库等)系统,只要能测出各部件前后运行状态点参数,就可按照本文对空气源热泵热水器的热力学分析方法去评价系统各部件对能量品质利用的情况。

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