【摘要】：隨著我國經(jīng)濟(jì)持續(xù)穩(wěn)定的發(fā)展,國內(nèi)熱泵熱水器(HPWH)的市場占有率急劇上升,尤其在我國南方,家用熱泵的普及率達(dá)到50%。為使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊,熱泵熱水器水箱采用內(nèi)置盤管式,這種結(jié)構(gòu)避免了因添加循環(huán)水泵和單獨(dú)設(shè)置冷凝器而帶來的能量損失。本文構(gòu)建的家用空氣源熱泵熱水器能基本實(shí)現(xiàn)全年提供150L/50°C的生活熱水,滿足三口之家全年的生活熱水需求。本文對(duì)空氣源熱泵熱水器的重點(diǎn)問題,水箱中冷凝盤管的結(jié)構(gòu)和性能優(yōu)化、系統(tǒng)蓄能/用能特性,進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究。首先,建立包括蒸發(fā)器、壓縮機(jī)、節(jié)流裝置和內(nèi)置換熱盤管的水箱在內(nèi)的整個(gè)熱泵熱水系統(tǒng)的耦合模型。求解耦合模型的關(guān)鍵點(diǎn)在于,通過管內(nèi)制冷劑與水箱內(nèi)的熱水進(jìn)行的熱交換將螺旋盤管模型和水箱模型聯(lián)系在一起。使用Fluent計(jì)算水箱內(nèi)溫度場和速度場,使用MATLAB編寫熱泵循環(huán)模型的計(jì)算程序。其次,采用溫度場分布和自然對(duì)流努塞爾數(shù)Nu作為評(píng)價(jià)冷凝盤管結(jié)構(gòu)對(duì)水箱熱性能影響的指標(biāo)。以變徑盤管結(jié)構(gòu)為例,使用耦合模型模擬分析了冷凝盤管的主要結(jié)構(gòu)因素:螺旋間距、螺旋直徑對(duì)水箱加熱性能的影響。通過分析,采用變徑盤管的熱泵熱水器在溫度分布和傳熱性能方面都優(yōu)于采用傳統(tǒng)等徑盤管的熱泵熱水器。減小螺旋間距和合理設(shè)計(jì)螺旋直徑均有利于提高水箱內(nèi)的溫度分布和盤管換熱特性。同時(shí)需注意控制壓降和冷凝盤管成本,以達(dá)到最優(yōu)設(shè)計(jì)。優(yōu)化設(shè)計(jì)并制作了變徑盤管,以R22為工質(zhì),采用某品牌外機(jī)搭配內(nèi)置盤管式保溫水箱,在南京地區(qū)搭建了該熱泵熱水器實(shí)驗(yàn)臺(tái),可以制取150L/50°C的生活熱水,可實(shí)現(xiàn)蓄能和用能過程。在南京地區(qū),實(shí)驗(yàn)測試不同進(jìn)口水溫條件下箱內(nèi)熱水溫度變化情況,檢驗(yàn)了耦合模型的精確性,模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值吻合較好。進(jìn)一步測試了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)中水箱的保溫性能,將熱水箱靜置于自然環(huán)境中,測試水箱中各層水溫的逐時(shí)變化情況,結(jié)果認(rèn)為該水箱具有良好的保溫效果�；谇拔慕⒌鸟詈夏Ｐ蛯�(duì)熱泵熱水器水箱的蓄能與用能過程進(jìn)行了仿真分析。以溫度場分布、傳熱性能、系統(tǒng)運(yùn)行效率等作為評(píng)價(jià)指標(biāo),對(duì)等徑盤管和變徑盤管結(jié)構(gòu)下的熱泵熱水器運(yùn)行性能進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果顯示:在蓄能過程中,當(dāng)采用變徑盤管時(shí),螺旋盤管相對(duì)曲率半徑不斷變小,管中的二次流變強(qiáng),從而提高了管內(nèi)流體的換熱系數(shù)。因此,變徑盤管結(jié)構(gòu)下的箱內(nèi)熱水平均溫度較高,且豎直方向上的最大溫差更小,冷凝器側(cè)傳熱系數(shù)提高了20.00%,系統(tǒng)COP提升了10.23%。在用能過程中,變徑盤管在底部加熱面積大,可以很好地中和來自水箱進(jìn)口的冷水,使水溫不至于下降得過快,對(duì)上層高溫水的保護(hù)作用增強(qiáng)。因此,變徑盤管的平均傳熱系數(shù)是665.8W·m~(-2)·K~(-1),略高于等徑盤管,雖然冷凝器側(cè)傳熱系數(shù)和系統(tǒng)COP提升幅度不大,但釋能效率和熱水輸出率分別比等徑盤管提高了7.74%和9.70%。以變徑盤管結(jié)構(gòu)下的熱泵熱水器為研究對(duì)象,對(duì)比分析了系統(tǒng)在不同進(jìn)口溫度、不同用水流量條件下的系統(tǒng)運(yùn)行特性,并在搭建的實(shí)驗(yàn)臺(tái)上實(shí)際測試了系統(tǒng)在多種環(huán)境工況下的實(shí)際性能。結(jié)果顯示:進(jìn)口水溫越低,加熱至設(shè)定溫度所需要的時(shí)間越長,而冷凝器側(cè)的平均換熱系數(shù)越大,整個(gè)加熱過程的平均COP越大。用水流量越小,熱水溫度迅速下降的時(shí)刻越靠后,單位釋能時(shí)間和有效用水時(shí)間越長,釋能效率和熱水輸出率越高。本文搭建的家用空氣源熱泵熱水器的綜合性能良好,根據(jù)各種工況下的實(shí)測數(shù)據(jù),機(jī)組的平均COP均能保持在3.68以上。
【圖文】：

呂傳超等[28]提出一種置于水箱底部的變直徑冷凝盤管結(jié)構(gòu)，研究結(jié)果表明，水溫分層現(xiàn)象得以改善，這種變直徑盤管結(jié)構(gòu)的提出，為水箱內(nèi)部盤管換熱性能的優(yōu)化提供了更多的參考。以上基于盤管換熱器結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)水箱內(nèi)部溫度場和速度場的影響研究中，盤管螺旋直徑的不同主要體現(xiàn)的是盤管水平方向上變化的影響，盤管間距的不同、盤管上下布置位置的不同主要體現(xiàn)的是盤管豎直方向上變化的影響。傳統(tǒng)的沉浸式盤管換熱器也存在一些缺點(diǎn)：換熱能力不夠；受盤管加熱的熱水上升時(shí)與箱內(nèi)的冷水摻混造成能量損失；加熱過程水溫不斷上升，使冷凝壓力不斷變化工作狀況不穩(wěn)定，尤其后期容易造成超壓危險(xiǎn)。為了克服沉浸式盤管換熱器的不足，避免冷熱水摻混，短時(shí)間內(nèi)就能在水箱上部獲取到熱水，，避免熱泵系統(tǒng)制冷劑超壓的危險(xiǎn)等，學(xué)者們不斷探索新型冷凝換熱盤管型式。Spur 等[29]分別建立了內(nèi)含雙層盤管、單層盤管和對(duì)折盤管的三種不同盤管結(jié)構(gòu)的水箱模型（如圖 1-3），研究了不同盤管結(jié)構(gòu)條件下水箱的用能性能。研究發(fā)現(xiàn)，雙層盤管水箱的熱水出流量比單層盤管水箱高 10%，而比對(duì)折盤管水箱的熱水出流量高 32%具有明顯優(yōu)勢。

(a) 等徑盤管 (b) 變徑盤管圖 2-5 盤管及水箱的網(wǎng)格劃分質(zhì)量即網(wǎng)格幾何形狀的合理性，直觀而言，網(wǎng)格各邊或各個(gè)內(nèi)角相差分扭曲的網(wǎng)格質(zhì)量好。對(duì)于本案例，F(xiàn)LUENT 輸出的網(wǎng)格質(zhì)量評(píng) Orthogonal Quality（最小正交質(zhì)量）、Max Ortho Skew（最大正交歪 Aspect Ratio（最大長寬比）。imum Orthogonal Quality：0.475。最差為 0，最好為 1，一般情況下要求 Ortho Skew：0.263。取值范圍為 0~1，越小越好。imum Aspect Ratio：4.4。最佳值為 1，一般不超過 5。. 邊界條件的設(shè)定AMBIT 中網(wǎng)格劃分完畢之后，對(duì)邊界條件進(jìn)行初步設(shè)定并生成網(wǎng)格條件類型見表 2.1。表 2.1 模型邊界類型的設(shè)定
【學(xué)位授予單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TU822

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 呂傳超;李瑛;劉穎;王融;鄂曉雪;顏帆;;熱泵熱水器蓄熱水箱的數(shù)值模擬與結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J];流體機(jī)械;2014年04期

2 王祥;劉穎;王芳;李國云;鄔志敏;;基于仿真的R417A熱泵熱水器蓄熱水箱優(yōu)化設(shè)計(jì)[J];流體機(jī)械;2010年09期

3 周智勇;彭三兵;付祥釗;何華;;夏熱冬暖地區(qū)強(qiáng)制間接循環(huán)太陽能熱水系統(tǒng)[J];煤氣與熱力;2009年08期

4 劉巖;巫江虹;;國內(nèi)家用熱泵熱水器的研究現(xiàn)狀和展望[J];節(jié)能與環(huán)保;2007年10期

5 劉金平;張治濤;劉雪峰;;空氣源熱泵熱水器儲(chǔ)水箱動(dòng)態(tài)性能試驗(yàn)研究[J];太陽能學(xué)報(bào);2007年05期

6 王偉;馬最良;姚楊;;空氣源熱泵機(jī)組穩(wěn)態(tài)仿真數(shù)學(xué)模型的建立與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[J];流體機(jī)械;2006年05期

7 江輝民;王洋;馬最良;姚楊;;蓄熱水箱的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)分析[J];建筑熱能通風(fēng)空調(diào);2006年02期

8 李舒宏,武文斌,張小松;多功能熱泵空調(diào)熱水器的實(shí)驗(yàn)研究[J];流體機(jī)械;2005年09期

9 江億;;大型公共建筑能耗過高應(yīng)引起重視[J];科教文匯;2005年04期

10 李嫵，陶文銓，康海軍，李惠珍，辛榮昌;整體式翅片管換熱器傳熱和阻力性能的試驗(yàn)研究[J];機(jī)械工程學(xué)報(bào);1997年01期

本文編號(hào)：2644597