采用微通道换热的直膨式太阳能热泵性能研究

摘要

随着能源的日益消耗和全球范围内对温室气体排放及可持续发展的日益重视，节能减排已成为全社会的共同目标。热泵作为一种利用低品位热源的装置，在节能方面具有巨大优势。本论文以直膨式太阳能热泵热水器为研究对象，以天然工质丙烷（R290）作为热泵工质，采用微通道集热/蒸发器和微通道冷凝器，通过模拟分析与实验研究相结合的方式，研究了采用微通道换热的直膨式太阳能热泵热水系统的热力性能。
　　构建了工质 R290热力学性质与迁移特性模型。运用分布参数法建立了微通道太阳能集热/蒸发器和微通道冷凝器的均相流动数学模型，运用集中参数法建立了压缩机和电子膨胀阀的数学模型。编制了采用微通道换热的直膨式太阳能热泵热水器仿真模拟程序。
　　运用系统仿真模拟程序，分析了不同环境参数（太阳辐射强度、环境温度、室外风速）、结构参数（微通道集热器集热面积、蓄热水箱容积）和运行参数（压缩机转速、初始水温、工质充注量）对系统热力性能的影响，并研究了工质 R290在系统主要部件中的分布与迁移特性。
　　依据系统仿真程序的模拟结果，设计了微通道太阳能集热/蒸发器、微通道冷凝器和蓄热水箱，搭建了直膨式太阳能热泵热水系统实验平台，设计了实验数据采集与控制系统，开发了基于VI的系统数据采集与控制软件，实现了数据实时采集与存储功能。
　　将理论模拟值与实验数据对比分析表明，不同工况下的模拟值与实验值误差均小于10%，结果一致性良好，从而验证了仿真模型的准确性与稳定性。在设计工况下，系统平均性能系数为5.1，系统平均制热功率为3.3 kW，集热器平均集热效率为0.94。实验研究了不同辐射强度和环境温度下系统性能的变化特性。另外，实验研究了电子膨胀阀开度对系统除霜性能影响，增大电子膨胀阀开度可以提高蒸发温度从而达到除霜效果，但同时压缩机吸气过热度降低，使得压缩机易吸气带液。本文研究结论为实现系统安全高效运行提供了可靠的理论和技术支持。

目录

声明

1 绪 论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 直膨式太阳能热泵技术研究现状

1.3 微通道换热器的研究现状

1.4 工质R290在热泵中的应用现状

1.5 本文主要研究工作

2 直膨式太阳能热泵热水器系统数学模型建立与求解

2.1 工质R290热力学特性模拟

2.2 直膨式太阳能热泵热水器系统主要部件数学模型建立

2.3 系统模型构建及程序求解流程

2.4 本章小结

3 直膨式太阳能热泵热水器系统性能模拟分析

3.1 系统参数设定

3.2 环境参数对DX-SAHPWH系统的影响

3.3 结构参数对DX-SAHPWH系统的影响

3.4 运行参数对DX-SAHPWH系统的影响

3.5 本章小结

4 直膨式太阳能热泵热水器性能实验系统

4.1 直膨式太阳能热泵热水器工作原理

4.2 直膨式太阳能热泵热水器的部件与整机构建

4.3 直膨式太阳能热泵热水器实验数据采集与控制系统

4.4 本章小结

5 直膨式太阳能热泵热水器系统实验研究

5.1 模拟结果与实验数据对比分析

5.2 实验结果对比分析

5.3 除霜工况研究

5.4 本章小结

6 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间从事科学研究及发表论文情况

附录