充注量对R290热泵热水器特性有何影响？

       

       

        当前，环保型制冷剂备受关注。因此本期我们将来研究探讨下充注量对  M (  Ｒ 744 / Ｒ 290 ( 12 /88) )  直热式热泵热水器系统的循环性能和冷凝器中换热流体的温度分布的影响。        

       

   

（1） 实验装置及测试系统

实验系统主要由压缩机、冷凝器、蒸发器、膨胀阀、冷却水箱、加热水箱、干燥过滤器和水泵等 组成，如图 1 所示。

 

选型如下：

压缩机：专用 1 ． 5 hP 定频回旋式压缩机；

两器：为了利用非共沸工质的温度滑移特性来改善换热流体间的温度匹配，冷凝器和蒸发器均采用了由长度为 1 ． 2 m 的同轴紫铜套管段焊接组成的逆流式套管换热器。冷凝器和蒸发器的管长分别为 21 ． 6 m 和 9 ． 6 m ，且其对应的结构尺寸见表 1 。

M 在冷凝器和蒸发器的内管管内流动，热汇和热源分别在冷凝器和蒸发器的环形通道内流动。膨胀阀选用了耐高压的手动膨胀阀。冷却水箱和加热水箱均为高精度恒温水槽。

表 2 给出了实验中涉及的直接测量参数及其对应的测量仪器的基本性能。 M 热泵系统的 Qh 和 COP 均属于间接测量参数，可分别由式 ( 1) 和 ( 2) 计算得到。采用二次幂法来计算间接测量参数的不确定度， Qh 和 COP 对应的不确定度分别为 2 ． 77% 和 3 ． 15% 。

 

图 1 给出了热泵系统主要测点的布置位置，其中沿着冷凝器和蒸发器的管长分别均匀的布置了 38 和 18 个 T 型热电偶，旨在研究换热器中换热流体的沿程温度分布规律。

 

 

（2）实验工况   

如表 3 所示，参照 GB /T 23137 － 2020 设定了两种热泵热水器实验工况下的环境侧和工质侧参数。为简化实验操作，标准工况和高温工况下热源流量保持不变。当热泵热水器系统达到稳定状态后，实验数据采集时间不少于 30 分钟，时间间隔为 20 秒。

1 、 充注量对系统性能的影响    

1．1 COP 和过冷度   

充注量对 COP 和过冷度的影响规律，如图 2 所示。

在标准工况和高温工况下， M 热泵系统的 COP 随着充注量的增大均呈现先增大后减小的变化趋势，且均存在最优充注量 ( 1 ． 0 kg) 使 COP 分别达到最大值 ( 4 ． 731 和 3 ． 956) ，这就意味着热汇温升对最优充注量的影响并不显著。

 

同一工况下，充注量的增多导致过冷度总体呈逐渐升高趋势，这是因为，充注量的增加会强迫大部分多余的工质停留在靠近冷凝器的出口区域，相应的一方面可能会导致冷凝器出口工质温度的降低，另一方面会导致排气压力 ( 冷凝温度 ) 的升高。

 

M 热泵系统在标准工况和高温工况下对应的最优过冷 度分别为 18 ． 54 ℃和 26 ． 86 ℃，即标准工况对应的 最优过冷度明显低于高温工况，这就意味着热汇温升对最优过冷度具有显著的影响。

 

最优充注量和最优过冷度存在的理论基础是工质充注量的增加会引起过冷度和排气压力的升高，分别如 图 2 和 4 所示，其中前者的升高有助于热泵系统能效的提升，而后者的升高则会产生相反的作用。

 

1．2 制热量和功耗   

 

图 3 展示了充注量对制热量和功耗的影响规律。 M 热泵系统的制热量在两种工况下随着充注量的增大均先快速增加后缓慢下降，并均在最优充注量下达到最大值。

 

究其原因，当充注量较小时，冷凝器出口处工质的过冷度减小或出现两相状态，冷凝器的换热能力没有得到充分发挥，导 致系统制热量较低 ; 而当充注量较多时，有大量的工质积存在冷凝器中，使换热器的有效换热面积减少，传热性能衰减，导致系统制热量减小。

 

两种工况下， M 热泵系统的功耗均随着充注量的增加出现缓慢增加的趋势。这主要是因为，当充注量较小时，压缩机中可压缩的工质较少，压缩机的负荷较小，此时表现为功耗较小 ; 反之，则表现为功耗较大。

 

1．3 系统压力  

排气压力和吸气压力随充注量的变化规律，如图 4 所示。 M 热泵系统的排气压力在两种工况下均随着充注量的增加逐渐升高，这主要是因为 充注量的增加使压缩机中可压缩的工质增多，而 冷凝器中积存了大部分多余工质使得用于工质冷凝相变的有效换热面积缩减，从而造成排气压力 的升高 ; 两种工况下，吸气压力变化曲线几乎重合，且充注量的增加导致两者均先升高后降低，但 变化幅度较小，这是因为蒸发器侧工况参数仅存在微小的变化。

 

1．4 压比和排气温度   

 

充注量对压比和排气温度的影响规律，如图 5 所示。两种工况下， M 热泵系统的压比均随着充注量的增加呈现先稍微降低后升高的趋势，且均在最优充注量下出现最小值，这是排气压力和吸气压力共同作用的结果，如图 4 所示。

 

随着充 注量的增加，排气温度在两种工况下均先降低再 升高，并在最优充注量下出现最低排气温度，这与压比的变化趋势相似。因此，不难推测，此时压比 成为影响排气温度高低的主导因素。

 

 

2 、 充注量对换热流体的温度分布的影响    

为便于表述，按照非共沸工质 M 的流动方向 来界定冷凝器的进口和出口，并将冷凝器的进口 作为其集成管长的起始端。在标准工况下，冷凝器中不同充注量下 M 和 相应热汇的温度随集成管长的分布曲线，如图 6 所示。

 

由图可知，充注量的变化对 M 和热汇的温 度曲线的影响是显著的 ; 在不同充注量下， M 的 传热曲线均包括过热蒸气冷却段、冷凝段和过冷 液体冷却段三部分，且充注量的增加会导致过冷液体冷却段的显著扩增，这主要是由多余的工质积存在冷凝器的出口区域引起的 ;

 

随着充注量的升高， M 和热汇的温度曲线分别在 14 ． 4 ～ 20 ． 4 m 、 8 ． 4 ～ 14 ． 4 m 和 3 ． 6 ～ 8 ． 4 m 的集成管长范围内呈现出近似平行的变化趋势 ;

当充注量不足 ( 0 ． 80 kg) 和 过量充注 ( 1 ． 20 kg) 时，热汇的温度分别在集成管长为 3 ． 6 ～ 7 ． 2 m 和 13 ． 2 ～ 21 ． 6 m 的范围内呈现缓慢升高的趋势，分别对应着传热量变化较小的露点附近和冷凝器出口区域，究其主要原因，分别是由较低的传热温差和较小的传热系数决定的，这会导致相应条件下循环工质与热汇间的温度匹配水平下降，相应的增大冷凝器的 损失。

 

图 7 展 现了标准工况下冷凝器中不同充注量下 M 和热 汇间的传热温差随集成管长的变化。由图 6 和 7 可见，不同充注量下冷凝器中均存在两个传热窄点，第一传热窄点均出现在露点附近，而第二传热 窄点则均出现在冷凝器出口附近 ; 充注量的增多 会引起第一传热窄点的出现位置向冷凝器进口端迁移。

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