无霜型空气源热泵系统的理论与实验研究

摘要

传统空气源热泵系统利用室外换热器从空气中吸热或向空气放热，传热效果较差，所以传统空气源热泵系统在夏季用于供冷时在相同工况下其性能系数比水冷式冷水机组低，而水冷式冷水机组在冬季尤其是当室外空气温度低于0℃时不能正常运行。虽然传统空气源热泵系统在冬季能工作，但运行时常常因为室外换热器表面结霜而制热效果差，甚至无法正常运行，这就极大地制约了空气源热泵的推广使用。本文提出了一种新的无霜型空气源热泵系统，该系统夏季以水冷模式运行，能充分发挥水冷冷水机组的优势，而冬季又能利用原系统从环境中吸取热量，作空气源热泵使用，且能避免系统结霜，可连续运行。
　　无霜型空气源热泵系统由三个子系统组成：压缩制冷(热泵)子系统、溶液吸热子系统。溶液再生子系统。和传统空气源热泵系统相比，新系统增加了溶液系统，而溶液系统中最关键的部件为再生器，因此，首先需掌握冬季工况下再生器的热质传递规律，本文详细研究了冬季工况下再生器的性能。
　　利用搭建的冬季工况下溶液再生器性能实验台，实验研究了冬季工况下以LiCl溶液为再生溶液时入口空气温度、质量流量、含湿量以及溶液温度、质量流量、质量分数对溶液再生器性能的影响，分析了以上各入口参数对再生量和全热效率的影响。根据实验数据，回归出了冬季工况下再生量和全热效率的计算关联式。
　　为了分析冬季工况下再生器内热质传递规律，建立了再生过程的热质传递模型，并把这些数学模型离散化进行了数值求解。为了使再生器内热质传递分析和计算简化和通用化，根据实验数据，得到了再生器在冬季工况下的无量纲形式的热质传递准则关系式，该关系式可用于冬季工况下再生器的设计与优化等。
　　利用建立的无霜型空气源热泵系统热力计算的数学模型，分别分析了室外空气温度、室外空气湿度、溶液塔入口溶液温度、溶液塔入口溶液浓度、蒸发器中溶液与制冷剂质量流量之比、溶液塔中空气与溶液质量流量之比、再生器中空气与溶液质量流量之比、溶液塔的全热效率、再生器的全热效率等参数对系统性能的影响。从分析结果可以看出，和传统空气源热泵系统相比，在相同工况下，无霜型空气源热泵系统在冬季工况下的COP高于传统空气源热泵系统。
　　搭建了无霜型空气源热泵系统性能实验台，实验研究了环境空气温度、冷凝温度、蒸发器内溶液流量、溶液塔入口的溶液浓度、再生器入口溶液流量、溶液塔内的风量、空气湿度变化对系统性能的影响。结果显示：根据所建模型得出的计算结果和实验结果一致性较好，且本课题提出的无霜型空气源热泵系统在冬季传统空气源热泵容易结霜的温区范围内可实现制热且无需除霜，可连续运行。