原创《R32变频热泵热水器性能的实验》
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摘 要：搭建了R32变频热泵热水器的实验台,对冷却水流量、电子膨胀阀开启度、压缩比、过冷度、过热度等与频率(40-90Hz)之间的关系进行了试验研究.结果表明,在定压缩机频率下,R32变频热泵热水器存在最佳的冷却水流量和最佳的电子膨胀阀开度,对应系统的COP最大,系统的压缩比和过热度随压缩机频率的增大而增大,而过冷度随压缩机频率的增大而减小.
关键词：压缩机频率,热泵热水器,性能,R32
Experimental Study on Performance of R32 Variable Frequency
Heat Pump Water Heater
Luo Deyu,Li Guohua
(Gunngdong Luckingstnr New Energy CO., LT, Donggunn 510640)
Abstracts: The performance factors of a R32 variable frequency heat pump water heater are experimentallystudied. The performance factors including cooling water flow rate, Electric Expansion Valve (EEV) openings,compression ratio, degree of super heat and degree of sub cooling with the frequencies changing from 40Hz to90Hz are discussed. The results show that the EEVopenings is kept at a corresponding opening and the coolingwater flow rate is kept at the best value under a certain compressor frequency, COP is the largest. In addition,the compression ratio, degree of superheat is direct ration with frequency, but the degree of subcooling is reversewith it.
Keywords: compressor frequency; heat pump water heater; performance ; R32
1引言
R32,化学名为二氟甲烷,分子式CH2F2,便宜,ODP为零,GWP值为675,热力性能与常规制冷剂相比有明显的优势[l-2].R32一直都是作为某些多元混合制冷剂的组成部分被使用,近年来些学者提出了R32单独替代R22的思路,但直接充注R32制冷剂会出现系统运行压力、排气温度升高等现象,根据联合国环境规划署对制冷剂GWP上限300的控制[3],局部限制了R32作为纯质制冷剂的使用[4].
张龙等人[5]从理论上对制冷剂R32的环保性、循环性能和安全性进行分析,得出R32在循环性能上与常用制冷剂相当,满足普通家用空调器使用安全要求,环保性优于常用制冷剂,因此对于常用制冷剂来说是种可行性很高的替代品.黄玉优等人[6]采用同轴套管换热器与空调室外机组相匹配,使用电子膨胀阀作为节流装置,实验测试R32和R410A在同套空气源次加热式热泵热水器样机上的性能,实验结果表明,R32的充注量仅为R410A充注量的74%左右在各种实验条件下,R32空气源热泵热水器的能效比不低于R410A系统,在3℃低温环境下,R32样机的性能系数提高31.1%,但排气温度达到101.9 ℃,不利于R32制冷剂在低温条件下的应用,因容积制热量较大,在相同设计能力下R32压缩机的排气量可以比R410A系统降低4.5%.饶荣水[7]介绍了R32、R22和R407C以及R410A四种制冷剂的流动特性和热力学特性,并对采用这4种制冷剂的空气源热泵热水器进行理论循环分析,从计算结果可以看出,与采用其他3种制冷剂的系统对比,采用R32制冷剂的系统具有较低的压缩比,较高的理论C.P以及容积制热量,在当前阶段,R32是用于空气源热泵热水器的一种较好的制冷剂.张子琦等人[8]对R22、R410A和R32用于泳池热泵热水器中的性能进行了理论分析和实验验证,结果表明,在相同的工况下,R32在热泵热水器中作为R22的替代物制热能力提高约9.4%,水循环一次循环出水温度提高0.3 ℃.范晓伟等人[9]对R32/R290二元混合制冷剂在不同质量配比下热泵循环系统特性进行了热力学计算分析,得出混合制冷剂R32/R290的最优质量配比为16/84,系统制热性能系数C.P为4.644,较R22系统提高了6.7%,分别比纯质的R32和R290系统高出3.2%和16.8%．Payne等人[10]在住宅用水一水式热泵系统中比较了R22、R290和非共沸混合工质R32/R290、R32 /R152a的性能,得到在制冷模式下,R32/R290(50/50)的C.P比R22高8%,而在制热模式下,R32 /R290的C.P比R22低13%的结论.本文搭建R32变频热泵热水器的实验台,并探讨了不同频率(40-90Hz)下冷却水流量、电子膨胀阀开启度、压缩比、过冷度、过热度等对R32热泵热水器性能的影响,为设计和应用R32变频热泵热水器提供参考.2实验系统
在实验中,热泵热水器的压缩机采用滚动转子式直流变频压缩机,变频范围20~120Hz,制冷剂为R32,立式热水箱的容积为300L,水泵的额定流量为5m3/h,电子膨胀阀的开度驱动脉冲数范围0~500脉冲.温度传感器采用Pt电阻；压力传感器的量程0~4MPa,精度&plun;0.5%；流量传感器采用LWGY-25型涡轮流量传感器,流量范围0.1 ~l.m3/h,精度为0.5%.实验时需要记录的相关数据有冷凝器的水流量和温度,压缩机的频率、电流、排气温度、功率及耗电量,电子膨胀阀的开启度等.本实验的测试原理见图1所示.
实验工况为标准工况：干球温度为20℃．湿球温度15℃,初始水温度20℃,终止水温度55℃.实验时,由于变频压缩机有一定的最佳工作频率范围,本实验压缩机频率的工作范围选择在40~90Hz,通过调节电子膨胀阀（150-350步）的开度和冷却水流量进行实验,并记录系统的性能参数.
实验时,首先在进水温度(20&plun;l.C)稳定的情况下,固定某一压缩机的输入频率,调节冷凝器侧水流量(200、300、400、500、600和200kg/h,误差在&plun;2..kg/h),测量在热泵系统中各测点的温度、压力、流量等参数.当完成一组数据后,改变压缩机的输入频率(40、50、60、70、90Hz),同时保持进水温度和冷却水流量基本不变,重复进行试验并记录数据.3实验结果与分析
图2和图3表示热泵热水器的C.P随压缩机频率和冷却水流量的变化关系.由图2可知,当压缩机的频率从40Hz升高到90Hz时,系统的C.P逐渐降低.当冷却水流量为500kg．h-l,压缩机的频率从40Hz升高到90Hz时,系统的C.P从3.3下降到2.2,下降幅度达33.33%0这是因为,当压缩机频率降低时,套管换热器中制冷剂的流速减小,延长了制冷剂与热水的换热时间,从而提高了换热效率.
由图3分析可知,随着冷却水流量的增加,系统的COP逐渐增加到某一定值后开始减小.在一定压缩机频率下,热泵热水器存在最佳的冷却水流量,对应的COP最大.在本实验中,当压缩机的频率为90Hz时,对应最佳的冷却水流量为700kg．h-l,对应的COP为2.95.另一方面,COP的最大值随着压缩机频率的增大而变小.原因分析：由于套管换热器的换热面积是固定的,在某一频率下,随着冷却水流量的增大,COP会随之增长,但当冷却水流量达到某一定值后,换热器的面积逐渐不能满足完全换热要求,水与制冷剂之间传热温差急剧变小,导致制冷剂不能被完全冷凝,造成换热量开始减小,同时功耗上升,系统的COP开始下降.
图4表示在固定频率( f等于60HZ)时,不同冷却水流量下电子膨胀阀开度对系统COP的影Ⅱ向.当压缩机频率不变时,系统COP的变化趋势随着电子膨胀阀开度变化呈先升后降的曲线形状变化.对于不同的冷却水流量,存在一个电子膨胀阀最佳开度,使系统的COP达到最大值.例如在冷却水流量为300kg．h-l下,电子膨胀阀最佳开度为250步时,对应COP为3.25;当冷却水流量增加到600kg．h-l时,电子膨胀阀最佳开度为280步时,对应COP为3.3.另一方面,随着冷却水流量加,COP最大值对应的电子膨胀阀开度也随之增大.这是因为在压缩机频率一定时,电子膨胀阀要保持与室外换热器和冷凝盘管换热负荷相匹配的最佳开度,系统的换热能力最大.
从图5可以看出,压缩比随着压缩机频率的增加而增大.当冷却水流量为500kg．h-l时,压缩机的频率从40Hz升高到90Hz,压力比也从2.4上升到3.8.这是因为压缩机频率增大,制冷剂流量增加,导致压降和功耗升高.此外,当冷却水流量从300kg．h-l上升到500kg．h-l,压缩比也随之升高,这是由于冷却水流量的增加导致部分制冷剂不能被完全冷凝,造成系统的冷凝压力和排气压力上升.这与图2分析的结果一致.
图6为系统过热度、过冷度随压缩机频率的变化关系,对应的冷却水流量为500kg．h-l.从上图可以看出,当压缩机频率从40Hz增大到90Hz时,系统的过热度从4.1 0C上升到13.80C,过冷度则从6.30C左右降低到4.80C.原因分析：一方面,随着压缩机频率的增加,制冷剂的流速增大,蒸发压力和蒸发温度减小,从而减小制冷剂侧和水侧的换热时间,造成蒸发器出口制冷剂的温度减小,但是由于蒸发温度减小的幅度大于蒸发器出口制冷剂温度减小的幅度,所以系统过热度是逐渐增大的.另一方面,由于压缩机频率的增大,导致冷凝压力和冷凝温度增大,而冷凝器的换热面积是不变的,制冷剂流量的增加会造成换热效果下降,冷凝温度升高的幅度小于由于换热不充分造成冷凝器出口温度升高的幅度,所以系统的过冷度是逐渐减小的.
4结论
(1)在一定压缩机频率下,热泵热水器存在最佳的冷却水流量,对应的COP最大.在实际设计时,换热器面积必须与水泵相匹配,才能够发挥系统的最大换热能力.
(2)在某一固定频率和冷却水流量下,存在一个电子膨胀阀最佳开度,与室外换热器和冷凝盘管换热负荷相匹配,对应系统的换热能力最大.
(3)R32变频热泵热水器系统的压缩比和过热度随输入频率的增加而增大,而过冷度随输入频率的增大而减小.
参考文献
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作者简介：骆德育,工程师,男,广东河源人,1970.7-,主要从事热泵技术方面的研究.E-mail:981035723@.com
实验研究论文参考资料：
本文点评,此文是一篇关于实验研究方面的大学硕士和本科毕业论文以及热泵热水器和实验研究和变频相关实验研究论文开题报告范文和职称论文写作参考文献资料。
