熱泵熱水器外盤微通道冷凝器與外盤銅管冷凝器特性比較

巫江虹，李會喜，游少芳

(1.華南理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣東 廣州510641;2.青島海信日立空調(diào)系統(tǒng)有限公司，山東 青島266071)

0 引言

空氣源熱泵熱水器按照冷凝器與水的換熱途徑可分為沉浸式(內(nèi)盤)冷凝器和非沉浸式(外盤)冷凝器［1］，沉浸式冷凝器優(yōu)點(diǎn)是導(dǎo)熱速度快，熱水器加熱時間短，但冷凝器在長時間高溫狀態(tài)下直接與水接觸，容易導(dǎo)致銅管腐蝕結(jié)垢，水質(zhì)安全性受到影響;非沉浸式冷凝器盤繞在水箱外壁，銅管不易受腐蝕，使用壽命更長，為了達(dá)到安全健康用水的目標(biāo)，現(xiàn)在國際上更傾向于非沉浸式(外盤)冷凝器的設(shè)計。

傳統(tǒng)外盤銅管冷凝器與水箱外壁線接觸，換熱接觸面積小，換熱效率低，且銅管在管壁上纏繞多為單管纏繞，冷凝器壓降較大。多孔微通道換熱扁管與水箱的接觸為平面與平面之間的接觸，換熱接觸面積加大，另一方面采用微通道扁管集流管設(shè)計，制冷劑流動通道長度大大減少，冷凝器壓降減少，同時還兼具體積小、質(zhì)量輕、良好的耐壓性等優(yōu)點(diǎn)，是替代熱泵熱水器傳統(tǒng)外盤銅管的理想選擇［2-4］。

張茂勇［5］公開了一款復(fù)合平行流微通道換熱器的熱泵熱水裝置，采用鋁制微通道平行流冷凝器結(jié)構(gòu)，管道材料節(jié)省30% ～40%以上。浙江康盛股份有限公司［6］公開一種熱泵式熱水器用微通道冷凝器，用兩個外盤微通道冷凝器把內(nèi)膽水箱包裹起來，兩個外盤微通道冷凝器之間設(shè)有若干條供制冷介質(zhì)流通的多孔扁管。楊亮等［7］建立外盤微通道冷凝器熱泵熱水器的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)模型，發(fā)現(xiàn)微通道冷凝器的最優(yōu)流程數(shù)為3，且分液均勻性更好。Park等［8］比較了微通道扁管換熱器和圓管換熱器的熱力性能。與圓管換熱器比較，擁有相同熱力性能的微通道扁管換熱器表面積和體積都較小。

本文探討了外盤微通道冷凝器和外盤銅管冷凝器在同一套空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)中的性能差異，研究將微通道冷凝器應(yīng)用于熱泵熱水器的可行性及可能存在問題。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)方案

微通道空氣源熱泵熱水器的系統(tǒng)原理圖如圖1所示，實(shí)驗(yàn)樣機(jī)如圖2所示，微通道冷凝器如圖3所示。系統(tǒng)主要包括轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)、外盤微通道冷凝器、油分離器、四通換向閥、相變蓄熱器、雙向熱力膨脹閥、干燥過濾器、管翅式蒸發(fā)器等［9-10］。

圖1 微通道蓄熱型空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)原理圖Fig.1 System of heat pump water heater with micro-channel heat storage

圖2 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)實(shí)物圖Fig.2 Photo of experimental prototype

圖3 外盤微通道冷凝器實(shí)物圖Fig.3 Outer-coil micro-channel condenser

為了能從制冷劑側(cè)計算空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)制熱量，在壓縮機(jī)的出口安裝數(shù)顯式渦輪流量計，測量制冷劑流量。在壓縮機(jī)、外盤微通道冷凝器的進(jìn)出口、熱氣旁通閥出口、膨脹閥進(jìn)出口安裝壓力測點(diǎn)，分別在壓縮機(jī)進(jìn)出口、四通閥和熱氣旁通閥(截止閥)的進(jìn)口、管翅式蒸發(fā)器的制冷劑進(jìn)出口、外盤微通道換熱器表面均勻布置熱電偶，用于溫度測量。圖4所示為外盤微通道測溫點(diǎn)布置圖。溫度測量采用熱電偶，用安捷倫34970A 數(shù)據(jù)采集儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。壓力測量采用高低壓壓力表和壓力傳感器，數(shù)據(jù)顯示采用數(shù)字信號巡檢儀。各測試項(xiàng)目所用儀器的型號、量程、精度等參數(shù)如表1所示。

圖4 外盤微通道冷凝器測溫點(diǎn)布置圖Fig.4 Temperature measurement points on outer-coil micro-channel condenser

表1 測試儀器的參數(shù)表Tab.1 Parameters of test instrument

為比較空氣源熱泵熱水器分別在靜態(tài)和動態(tài)水循環(huán)兩種不同加熱模式下的系統(tǒng)特性，在水箱的進(jìn)出口之間安裝循環(huán)水泵，通過控制水泵的開閉來實(shí)現(xiàn)上述兩種加熱模式的轉(zhuǎn)化。

根據(jù)GB/T 23137—2008《家用和類似用途熱泵熱水器》［11］國家標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)方法，制定分別在名義工況(20 ℃/15 ℃)、夏季工況(33 ℃/27 ℃)和最小工況(7 ℃/6 ℃)等3 個條件下測試熱泵熱水器的性能。

2 外盤微通道冷凝器和外盤銅管冷凝器性能比較分析

式中:mr為制冷劑的質(zhì)量流量(kg/s);h2為壓縮機(jī)出口制冷劑比焓(J/kg);s2為壓縮機(jī)出口制冷劑比熵(J/(kg·℃));To為室外空氣溫度(℃);h0為環(huán)境溫度空氣比焓(J/kg);s0為環(huán)境溫度空氣比熵(J/(kg·℃))。

式中:h3為冷凝器出口制冷劑比焓(J/kg);s3為冷凝器出口制冷劑比熵(J/(kg·℃))。

圖5 熱泵熱水器循環(huán)原理圖Fig.5 Exergy loop diagram of heat pump water heater

式中:mw為水箱水的質(zhì)量流量(kg/s);h8為水箱中的水初始比焓(J/kg);s8為水箱中的水初始比熵(J/(kg·℃));h9為水箱中的水結(jié)束比焓(J/kg);s9為水箱中的水結(jié)束比熵(J/(kg·℃))。

表2所示為外盤微通道熱泵熱水器和外盤銅管熱泵熱水器在不同工況下的系統(tǒng)性能參數(shù)。結(jié)果顯示，外盤微通道冷凝器的壓降遠(yuǎn)小于外盤銅管的，在名義工況下，外盤微通道冷凝器的壓降比外盤銅管的壓降小78%. 這是因?yàn)槲⑼ǖ辣夤懿捎眉鞴茉O(shè)計，制冷劑流動通道長度大大減少。且系統(tǒng)制冷劑充注量也減少了13.4%. 在熱泵系統(tǒng)主機(jī)相同的條件下，外盤微通道冷凝器制熱量高于外盤銅管器，夏季工況高37.5%，名義工況高8.7%，最小工況高19.6%. 微通道系統(tǒng)的冷凝壓力較銅管系統(tǒng)低，單位流量下系統(tǒng)能效比較高。當(dāng)水箱處于循環(huán)加熱模式，水箱整體水溫較均勻，達(dá)到出水溫度的時間較久，外盤微通道冷凝器水箱循環(huán)加熱時間較靜態(tài)加熱模式長21%，水箱的加熱時間與系統(tǒng)的制熱量呈正比。在不同工況和加熱模式下，外盤微通道冷凝器熱泵熱水器和外盤銅管冷凝器熱泵熱水器的耗功差小于10%，采用外盤微通道冷凝器的熱泵熱水器的制熱性能系數(shù)(COP)要高于外盤銅管的熱泵熱水器系統(tǒng)。在名義工況下，外盤微通道冷凝器的效率比外盤銅管冷凝器的效率高20%，冷凝器效率之差隨著環(huán)境溫度的降低而增大。微通道扁管的水力直徑遠(yuǎn)小于銅管，換熱系數(shù)與水力直徑呈反比關(guān)系，故外盤微通道冷凝器的換熱器效率優(yōu)于外盤銅管冷凝器的，其能量利用率更高。

表2 外盤微通道和外盤銅管熱泵熱水器系統(tǒng)性能參數(shù)表Tab.2 Performance parameters of heat pump water heater with outer-coil micro-channel and copper pipes

圖6 名義工況外盤微通道和外盤銅管冷凝器靜態(tài)加熱效率變化趨勢Fig.6 Changing trends of exergy efficiency of condenser with outer-coil micro-channel and copper pipes in normal condition

圖7 名義工況外盤微通道和外盤銅管冷凝器靜態(tài)加熱損失變化趨勢Fig.7 Changing trends of exergy loss of condenser with outer-coil micro-channel and copper pipes in normal condition

圖8 名義工況外盤微通道和外盤銅管冷凝器進(jìn)出口溫差變化趨勢Fig.8 Changing trends of temperature difference between inlet and outlet of condenser with outer-coil microchannel and copper pipes in normal condition

圖9 名義工況外盤微通道和外盤銅管冷凝器靜態(tài)加熱系統(tǒng)制熱量變化趨勢Fig.9 Changing trends of heating capacity of heat pump system with outer-coil micro-channel and copper pipes in normal condition

圖10 為名義工況外盤微通道扁管表面平均溫度分布情況，外盤微通道冷凝管表面溫度在上半層分布較均勻，下半層溫度分布跨度較大。從表3可以看出，前3 層的溫度維持在52 ～49 ℃之間，第4 層的平均溫度降為36.3 ℃。主要是因?yàn)樵谏习雽又评鋭┦峭ㄟ^相變冷凝進(jìn)行換熱，所以溫度變化較小，制冷劑是以氣態(tài)的方式進(jìn)入，換熱器中的流量分布較為均勻。在下半層制冷劑是以顯熱方式換熱，溫度變化較明顯。

3 結(jié)論

圖10 名義工況外盤微通道靜態(tài)加熱扁管表面平均溫度分布Fig.10 Surface temperature distribution of outer-coil micro-channel condenser in normal condition

表3 微通道冷凝器表面平均溫度Tab.3 Average surface temperature of micro-channel condenser

1)在熱泵系統(tǒng)主機(jī)相同的條件下，采用外盤微通道冷凝器水箱的制熱量要高于采用外盤銅管冷凝器的水箱，夏季工況提高37.5%、名義工況提高8.7%和最小工況提高19.6%，而二者的耗功基本相同，采用外盤微通道冷凝器的熱泵熱水器的COP要高于傳統(tǒng)的熱泵熱水器系統(tǒng)。

2)名義工況下，外盤微通道冷凝器的壓降較外盤銅管冷凝器的小78%，外盤微通道和外盤銅管冷凝器的平均壓降分別為0.05 MPa 和0.23 MPa.

3)外盤銅管冷凝器的進(jìn)出口傳熱溫差隨著室外溫度的降低而降低效率ηcd隨著水溫的升高而降低，損失EXcd，l隨著水溫的升高而升高。微通道冷凝器進(jìn)出口傳熱溫差隨著室外溫度變化沒有明顯波動，且外盤微通道冷凝器的ηcd和EXcd，l隨著水溫度升高沒有明顯的增大或者減小的趨勢。

微通道換熱器在熱泵熱水器系統(tǒng)中性能優(yōu)異，但微通道換熱器的鋁合金材質(zhì)與系統(tǒng)銅管之間、與水箱外壁的材質(zhì)之間的電化學(xué)腐蝕是外盤微通道應(yīng)用需解決的問題。

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