蒸发器的发展研究论文文献

太阳能热泵系统的稳定性王海涛, 王造奇( 1. 安徽建筑工业学院 环境工程学院, 安徽 合肥 230027; 2. 中国科学技术大学 热科学和能源工程系, 安徽 合肥 230022)摘 要: 在相同的压缩机频率、冷凝水温和相同的电子膨胀阀开度下, 文章对 PV/ T- SAH P 系统的动态性能进行了实验和分析, 就不同太阳辐照度和环境温度对 PV/ T- SAH P 系统性能的影响进行了对比, 提出了光伏-太阳能热泵( PV/ T- SAH P)的系统稳定性原理, 指出 PV/ T- SAH P 系统需要解决的一些问题。关键词: PV/ T- SAH P 系统; 最小过热度; 稳定性中图分类号: TK519 文献标识码: A 文章编号: 1003- 5060( 2008) 07- 1008- 04在太阳能热泵系统中, 蒸发器所吸收的热能大多数来自太阳能, 太阳辐照度随着季节、早晚时差的不同而不同, 而压缩机的容量又是额定的, 因此文献[ 1] 指出, 在其他条件一定的情况下, 集热器的容量和压缩机的容量是否匹配直接影响系统的工作性能[ 1- 6] 。由于系统通常在非设计工况下运行, 按设计工况确定的集热器面积与压缩机的容量往往不匹配, 因此提出了一种新型的光热、光电综合利用的直接膨胀式太阳能热泵系统 , 该系统中光伏组件与热泵装置的蒸发器结合成一体, 同时在系统设计时采用变频压缩机和电子膨胀阀( electronic expansionvalve, 简称 EXV ) , 通过改变压缩机容量来解决非设计工况下的不匹配问题。但是在实验中, 该系统出现不稳定情况, 或者称为振荡, 即系统在一定的工况下压缩机功率、各处制冷剂压力和温度等系统参数均发生周期性振荡。系统振荡对其经济性和安全性都是不利的, 所以保证稳定性是系统配置和控制的必要条件。1 实验装置及电子膨胀阀PV/ T-SAHP 太阳能热泵系统如图 1 所示。实验台如图 2 所示, 主要包括温度测量、压力测量、功率测量、流量测量、辐照强度测量及风速测量等几大部分。共有测点 53 个, 除工质流量由商家自带软件单独测量, 其他测点全部由数据采集仪实时采集记录。( 1) 数据采集。数据采集仪 Agilent34970A,配置 HP 34901A 采集模块 3 个, 共 54 个电压采集通道, 6 个电流采集通道, 实验过程一般 30 s 采集数据一次。图 1 PV/ T-SAHP 太阳能热泵系统( 2) 温度测量。采用 01 2 mm 铜康铜热电偶; 蒸发器进口、蒸发器出口、冷凝器进口、冷凝器出口、储水箱、压缩机进口、压缩机出口及百叶箱等共 20 个; 光伏蒸发器内部各处共计 23 个。( 3) 压力测量。制冷压力专用传感器( Huba506, Sw eden) , 0~ 30 @ 102kPa, 精度? 11 0%,响应时间小于 5 ms, 负载频率小于 50 Hz; 数量 4个; 位于蒸发器进口、蒸发器出口、冷凝器进口及冷凝器出口, 用于观察压缩机、冷凝器、膨胀阀及蒸发器进出口的压力变化。( 4) 日照辐射仪。TBQ-2( 锦州, 阳光) 型日照辐射仪 1 台; 安装位置与光伏蒸发器平行, 该表为热电效应原理, 感应元件采用绕线电镀式多接点热电堆。( 5) 功率传感器。WBP112S91 和 WBI022S( 四川维博) , 数量 2 个; 分别测试压缩机输入功率( 交流) 和 PV 模块输出光伏电流( 直流) 。系统采用浙江三花 DFP( L) 11 6-12 型电子膨胀阀, 四相步进电机驱动, 开阀脉冲 32 ? 20, 全程脉冲 500, 使用介质 R22, 阀的开度由研制的控制器控制。2 实验结果及分析21 1 实验条件2006 年 10 月 14 日、2006 年 11 月 6 日和2006 年 12 月 2 日, 在合肥地区( 北纬 31b53. , 东经 117b15. ) 进行了 PV/ T-SAHP 系统在相同的电子膨胀阀开度( 开度脉冲 400) 、相同的冷凝水温( 30 e ) 下的性能测试。测试期间的瞬时气象参数和冷凝水温如图3、图 4 和图 5 所示。试验过程中, 阀1、阀2、阀5、阀 6 关闭, 阀 3、阀 4、阀 7、阀 8 开启, 工质流动方向如图2 所示。压缩机定频( 50 Hz) 运行, 由公共电网供电。PV 电流输出, 经逆变器逆变后, 由外界负载消耗。测试期间, 水箱储水 80 kg, 水冷板式换热器水侧流速 01 217 kg/ s。2. 2 测试结果及分析21 21 1 测试结果说明由于秋天上午易出现多云天气, 为了更好地观察和对比, 在 3 d 的上午先把水加热到 30 e ,然后保持冷凝水温不变, 从 11: 21 分开始正式记录数据。从图 3 和图 4 可以看出, 3 d 午后的太阳辐照度变化明显, 易于比较。从图 6 可以看出系统压缩机功率的变化。2006 年 10月 14 日测试期间平均环境温度较高( 271 56 e ) , 当冷凝水温不变时压缩机运行稳定。11 月 6 日测试期间平均环境温度( 201 71 e ) 比第 7 期 王海涛, 等: 太阳能热泵系统的稳定性 100910 月 14 日的平均环境温度降低了 61 85 e , 太阳辐照度和 10 月 14 日相比变化不大, 但压缩机的功率在测试期间出现了振荡现象。12 月 2 日平均环境温度( 81 85 e ) 较前 2 次更低, 而此时压缩机的功率振荡更加剧烈。如图 7 所示, 说明了系统在不同的太阳辐照度和环境温度时系统光电效率 Gel 的变化。光电效率随着环境温度的降低而升高, 环境温度较低时( 2006 年 12 月 2 日, 测试期间平均环境温度71 4 e ) , 最高光电效率达到 131 4% 。与普通光伏模块( 12%) 相比, 光电转换效率明显提高, 波动很小。这主要得益于工质蒸发对光伏模块的冷却作用, 使得 PV/ T-SAHP 系统的光伏电池在高辐照条件下也能维持在较低的工作温度, 从而保证较高的光电转换效率。图中 OPS 为蒸发器的工作过热度。图 7 测试期间光电效率变化21 2. 2 测试结果分析当蒸发器的几何尺寸和热工参数确定后, 在运行中存在一条最小稳定信号线( M inimum Stable Signal 线, 简称 M SS 线)[ 8] 。M SS 线以左, 蒸发器属于不稳定区; M SS 线以右为稳定工作区;在 MSS 线上则是临界值。图 8 表示了蒸发器MSS 线与不同静态过热度时的膨胀阀特性线, 当蒸发器负荷为 Q 时, 制冷系统工作于 A 点时处于临界稳定状态, 理论上讲为最佳稳定工作点。如果调小膨胀阀静态过热度, 使工作点处在不稳定区中, 系统将产生振荡。图 8 膨胀阀与蒸发器的匹配关系由 MSS 线理论很容易解释上述现象, 当环境温度很高时( 2006 年 10 月 14 日) , 集热/ 蒸发器出口制冷剂过热度很大, 此时系统工作在 MSS 线的右侧, 处于稳定工作区。当环境温度很低时( 2006年 12 月 2 日) , 集热/ 蒸发器出口制冷剂过热度很小, 此时系统工作在 MSS 线的左侧, 处于不稳定工作区, 压缩机出现剧烈振荡。PV/ T-SAHP 系统产生振荡, 对系统运行经济性与安全性均很不利, 由于对系统的稳定性缺少理论与定量研究, 为确保运行稳定性, 往往片面地增加蒸发器的运行过热度, 这就降低了蒸发器的利用率, 因为过热区制冷剂的放热系数还不到两相区最大放热系数的 1/ 5[ 8]。适当减小蒸发器的运行过热度, 可获得一定的节能效益, 但又不能1010 合肥工业大学学报( 自然科学版) 第 31 卷盲目地减少过热度, 追求运行经济性而导致系统产生振荡。只有对蒸发器和膨胀阀本身的动态特性做出定量分析, 并找出系统的临界稳定区( MSS线) 与条件, 找出影响系统稳定性的各种因素, 给出其定量关系, 才能在保证系统稳定性前提下, 最大限度地利用蒸发器的有效传热面积, 获得最高的经济性。3 本系统需要解决的问题PV/ T-SAHP 系统中配置变频压缩机和电子膨胀阀的关键问题, 是以保证系统稳定性和变容量范围内系统最佳运行工况为目标, 确定合理的控制方案和控制算法。在该系统的研究开发过程中, 还有许多理论问题和实际应用问题要解决。31 1 系统静态和动态特性深入了解控制对象的特性是寻求合理的控制方案和控制算法的基础。对系统中各部件的静态和动态特性进行理论分析和试验研究, 用理论建模的方法, 得出各部件的静态模型和动态模型。然后根据各部件参数之间关系, 建立系统静态和动态模型。根据模拟计算和试验研究的结果, 分析系统静态和动态特性。31 2 系统稳定性原则由于该系统有变频压缩机和电子膨胀阀 2 个流量调节装置, 所以同样存在系统稳定性问题。在以上系统静态和动态研究的基础上, 分析满足系统稳定性条件下的电子膨胀阀特性要求,得出系统稳定性区域。31 3 控制方案和控制算法为减少电子膨胀阀流量调节对过热度的响应滞后, 电子膨胀阀对蒸发器出口端制冷剂过热度的检测可通过热敏电阻或压力信号。用 2 只热敏电阻检测时, 一个测量蒸发温度, 另一个测量蒸发器出口温度; 采用压力信号对蒸发器出口端压力进行测量, 并经物性程序将其转化为蒸发温度。由于蒸发器内压力的变化比温度的变化迅速, 因此控制器能及时地反应过热度的变化。电子膨胀阀流量调节对过热度的响应滞后问题, 也可以采用前馈加反馈的复合调节方法解决。如将压缩机转速作为前馈信号, 根据转速变化调节电子膨胀阀供液量, 再结合反馈进行复合调节。由于系统的非线性特性, 采用模糊算法有一定优势。也可考虑 PID 控制算法和模糊控制算法结合使用, 发挥各自算法的优点, 达到较好的控制效果。4 结 论( 1) 变频压缩机和电子膨胀阀组成的 PV/ TSA HP 系统存在系统振荡问题。( 2) 变频压缩机和电子膨胀阀组成的 PV/ TSA HP 系统是一种最有发展前途的系统配置, 代表太阳能热泵系统的发展方向。需要对系统静态和动态特性进行深入了解,确定合理的控制方案和控制算法, 以保证系统稳定性和变容量范围内系统最佳运行。[ 参 考 文 献][ 1] Chaturvedi S K, Ab azeri M. T ransient simul ation of a capacit y-m odu lat ed, direc-t expan sion, sola-r assist ed heatpum p[ J] . Solar Energy, 1987, 39: 421- 428.[ 2] It o S, M iura N, Wan g K. Performance of a heat pump using dir ect expansion s ol ar collect ors [ J] . Solar Energy,1999, 65( 3) : 189- 196.[3] It o S , M iura N, T ak ano Y. Studies of h eat pu mps using direct expan sion t ype solar collect ors[ J] . J ou rnal of Solar Ener gy Engin eering, 2005, 127: 60- 64[ 4] Chatu rvedi S K, Chen D T , Kheireddin e A. T hermal perf orman ce of a variab le capacity direct ex pan sion s ol ar-assist ed heat pu mp [ J] . Energy Conversion and Manag ement,1998, 39( 3) : 189- 196.[ 5] H aw lader M N A, Chou S K, Ullah M Z. T he perf ormanceof a solar assist ed heat pum p w at er h eating syst em[ J] . Applied T hermal E ngineering, 2000, 21( 10) : 1049- 1065[6] H uang B J, Chyng J P. Performance charact eristic of int egral t ype sola-r assist ed h eat pump [ J] . 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蒸发冷却空调应用中存在问题及解决设想论文

摘要：

目前,集中式蒸发冷却式空调系统在我国西部地区得到了越来越广泛的应用, 但其缺点即风道大、使用灵活性差，而且不能实现多个房间分别进行调节控制。针对集中式系统的缺点本文提出采用有别于传统风机盘管加新风系统的半集中式蒸发冷却空调系统，并从理论上进行了可行性分析。

关键词：

蒸发冷却 半集中式 空调系统 环保 节能

1. 蒸发冷却技术现状

蒸发冷却过程是以水作为制冷剂的，由于不使用CFCs，因而对大气环境无污染，而且可直接采用全新风，极大地改善了室内空气品质。同通常的机械制冷的原理一样，由制冷剂的蒸发而提供冷量。但是对蒸发冷却来说，是利用水的蒸发取得能量，它不是将蒸发后的水蒸汽再进行压缩、冷凝回到液态水后再进行蒸发。一般可以直接补充水分来维持蒸发过程的进行。

据有关文献对蒸发冷却空调在乌鲁木齐、西安、哈尔滨、北京的应用分析可知：其运行能耗约为常规空调设备的1/5（机械制冷系统装机功率50w/m2左右，蒸发冷却系统装机功率10 w/m2，节电80%）；从初投资方面看，约为常规空调设备的1/2（机械制冷方式造价400元/ m2左右，蒸发冷却系统造价250元/ m2左右，节省投资30~50%），且具有加湿功能；从室内空气品质方面看，蒸发冷却系统由于按100%新风运行，因此明显优于常规空调系统，而且它以水为制冷剂，不使用CFCS，对大气环境无污染。

该技术在八十年代中期传入我国，在我国西部干旱地区（尤其是新疆地区）得到研究和应用，因为我国西北地区昼夜温差大，空气干燥，夏季室外空调计算4湿球温度较低（一般低于22度）；昼夜温差大，每日早晚与中午气温（干球温度）相差较大；冬季室外干球温度较低，多为干冷气候（若只对室内供热，室内空气相对湿度一般低于20%）。这些独特的气象条件为蒸发冷却技术提供了天然的应用场所，因为蒸发冷却是一种适宜在干燥地区使用的供冷技术，它利用水分蒸发吸热来降低送风温度，从而降低房间温度。正是由于西部的特殊气候条件使得蒸发冷却空调系统替代常规空调系统成为可能。目前蒸发冷却空调系统在新疆地区的宾馆、办公楼、餐饮、娱乐、体育馆、影剧院等公共与民用建筑以及一些工业建筑中已广泛应用，仅乌鲁木齐绿色使者中央空调有限责任公司在新疆地区完工的工程项目超过70余个[1]。

2. 蒸发冷却空调存在的问题

当前我国西部地区的许多高楼大厦、公共建筑内，仍广泛使用机械制冷空调系统。尽管这些系统提供了舒适的工作生活环境，但和蒸发冷却空调机组相比较其一次性投资巨大、运行费用昂贵、维修与养护复杂，而且会引发“病态建筑综合症”和造成环境污染。尤其是SARS疫情爆发后空调系统的安全性问题更加引起暖通界人士和卫生部的关注。室内空气品质越来越得到关注，而蒸发冷却系统由于按100%新风运行，不使用CFCS，对大气环境无污染，因此明显优于常规空调系统。目前在我国西部地区多采用集中式蒸发冷却系统, 其优点是使用时间长，便于维护，整个系统在需进行空气调节的场所仅有风道敷设而没有水路布置，故其设计简单成本低，因不需在吊顶中设置水管从而彻底消除了凝结水渗漏的问题。另外，该系统多采用全新风，大大改善室内空气品质，同时，在过渡季节采用全新风可节约能耗。

集中式蒸发冷却系统也有一些缺陷：首先，应用单元式直接蒸发冷却空调机会导致室内湿度较高（通过对乌鲁木齐已完工系统现场测试，室内湿度约75%）。其次，由于是采用冷空气对室内进行冷却而空气的比热较小，所以该系统风量较大，结果导致系统风道比一般半集中式空调系统风道占用空间大，导致其使用灵活性差。第三点，考虑到成本问题，目前尚没有物美价廉的末端产品来实现多个房间分别控制调节。但从设计和经济的角度考虑对温湿度控制精度要求不高的舒适性空调仍具有可行性，尤其对大型娱乐场所、餐饮、商场、体育场馆、会议中心、各种活动中心等公共场所具有很大优势。这也是集中式蒸发冷却空调系统在新疆地区近年来应用广泛的一个重要原因[2]。

3. 半集中式蒸发冷却空调系统的提出

由于集中式系统的缺点即风道大、使用灵活性差，而且不能实现多个房间分别进行调节控制。因此在某些场合限制了集中式空调系统的应用。因为传统的半集中式空调系统该系统能单独调节各个房间温度，适合风管不易布置和层高较低的场所,如宾馆客房和写字间等。故针对集中式系统的缺点本文提出了有别于传统风机盘管加新风系统的半集中式蒸发冷却空调系统，并从理论上进行了可行性分析。

半集中式蒸发冷却式空调系统

此系统和传统的风机盘管加新风系统略有不同，传统风机盘管加新风系统所用冷媒是冷水机组提供的冷水，故冷水机组是核心。而半集中式蒸发冷却系统的.核心是蒸发冷却段，是利用水的蒸发取得能量，它不是将蒸发后的水蒸汽再进行压缩、冷凝回到液态水后再进行蒸发,而是直接补充水分来维持蒸发过程的进行，系统中新风由蒸发冷却新风机组处理，根据室外设计参数和负荷特点可选用单级或多级蒸发冷却。具体图示见图3-1。

传统半集中系统 蒸发冷却半集中系统

图3-1 传统系统与蒸发冷却系统的比较

直接蒸发冷却处理过程中，新风被等焓加湿，循环水温近似等于进口空气湿球温度。例如在乌鲁木齐夏季室外空调计算湿球温度约18℃，当空气被直接蒸发冷却处理后，理论上循环水温亦能达到18℃。若使用间接-直接蒸发冷却过程，则新风首先经等湿冷却，然后等焓加湿，这样处理后循环水温可进一步降低达到13～16℃，虽然经上述两种方式处理后的水温均高于冷水机组的冷冻水温7～12℃，但只要加大水量，通入冷却盘管后仍然可以承担部分负荷。故半集中式蒸发冷却系统与传统系统的主要区别是它的所有负荷均由蒸发冷却过程承担，而不需要冷水机组和冷却水系统，其初投入大大降低，一次投资综合造价仅为传统制冷空调方式的40%～80%。

可行性分析

为了探讨半集中式蒸发冷却空调系统在西北地区使用的可行性,以乌鲁木齐气候为例，进行设计方案的探讨和比较。乌鲁木齐室内外状态点及参数见图3-2。

图3-2 室内外状态点

地点：乌鲁木齐夏季

季节：夏季

tgw：室外干球温度 ℃

tsw：室外湿球温度 18℃

tgn：室内设计温度 27℃

相对湿度 60%

大气压力 mbar

传统风机盘管+新风系统

从图3-2中可看出，夏季室外空气的含湿量dw小于室内空气的含湿量dn,即室外空气需要加湿处理，为实现这一目的，在传统的风机盘管加新风系统中一般是在送风机前安装蒸汽加湿系统对被处理空气进行等温加湿。见图3-3。

空气处理过程(W 室外空气状态点，N室内空气状态点，KL新风机温升)

图3-3 传统风机盘管加新风系统空气状态变化图

半集中式蒸发冷却系统[风机盘管+直接蒸发冷却新风机组] [3]

风机盘管+直接蒸发冷却新风机组的半集中式系统，则其空气变化过程如图3-4所示。

图3-4 风机盘管+直接蒸发冷却新风机组

直接蒸发冷却新风机组，直接蒸发冷却效率ηDEC最高可达90%，按ηDEC=90%计算：

（3-1）

注：tws 室外空气湿球温度

使用循环水处理的直接蒸发冷却是一等焓加湿过程，因此可确定L点的状态。循环水温最终被固定在机器露点L接近室外湿球温度。由式（3-1）可知:

tsh=tL=tw-(tw-tws)×90%

=()×90%=℃

注：tsh 直接蒸发冷却循环水水温

将循环水通入风机盘管，由于循环水水温略高于室内空气露点温度℃，所以只能对室内回风进行等湿冷却。

半集中式蒸发冷却系统[风机盘管+（间接+直接）蒸发冷却新风机组]

风机盘管+（间接+直接）蒸发冷却新风机组的半集中式系统，空气变化过程见图3-5。

图3-5 风机盘管+（间接+直接）蒸发冷却新风机组

间接+直接蒸发冷却新风机组。绿色使者中央空调有限公司生产的板翅式间接蒸发冷却器其效率ηIEC最高可达60～75%，如果按ηIEC=60%计算：

（3-2）

注：tws 室外空气湿球温度

间接蒸发冷却是一等湿降温过程，根据式（3-2）可确定P点的状态。

tP=tw-(tw-tws)×60%

=()×60%

=℃

由tp=℃可知其湿球温度tps=℃并且直接蒸发冷却入口温度就是℃。再根据式（3-1） 得： tsh=tL=tp-(tp-tps)×90%

=()×90%

=℃

注：tsh 直接蒸发冷却循环水水温

将循环水通入风机盘管，由于循环水水温低于室内空气露点温度℃，所以可对室内回风进行除湿冷却。

半集中式蒸发冷却系统[风机盘管+（间接1+间接2+直接）蒸发冷却新风机组]

风机盘管+（间接1+间接2+直接）蒸发冷却新风机组，空气变化过程如图3-6所示。

图3-6 间接1+间接2+直接蒸发冷却半集中式系统

采用带有表冷却段（冷却塔供冷的第一级间接蒸发冷却段）的三级蒸发冷却新风机组，其表冷段利用冷却塔的冷却水对新风进行冷却。这种将冷却水通入表冷器的冷却塔供冷方式同间接蒸发冷却一样实现了对空气的等湿降温处理。因此，这种带有冷却塔供冷的间接+直接蒸发冷却机组又被称为三级蒸发冷却机组（两级间接蒸发冷却+直接蒸发冷却）。如利用冷却塔的冷却水，冷却效率可达η冷却塔= 40～50%左右，空气终状态温度≈空气初状态湿球温度w+6～8℃. 按η冷却塔=50%计算有：

（3-3）

首先根据式（3-3）可确定P点的状态。

tP=tw-(tw-tws)×50%

=()×50%

=26℃

则间接蒸发冷却的入口干球温度就是26℃，根据焓湿图可知此时湿球温度tps为℃。根据式（3-2）可确定Q点的状态

tQ=tp-(tP-tPs)×60%

=26-()×60%

=℃

则直接蒸发冷却的入口干球温度就是℃，根据焓湿图可知此时湿球温度tQS为℃。再根据式（3-1）可确定L点的状态

tL=tQ-(tQ-tQS)×90%

=()×90%

=℃

将循环水通入风机盘管，由于循环水水温低于室内空气露点温度℃，所以可对室内回风进行除湿冷却。

4. 结束语

半集中式蒸发冷却系统用水作为制冷剂, 无冷水机组, 其中直接系统和(间接+直接)系统均无冷却水系统, 故它们的初投资均比传统半集中式系统低, 而且运行费用少。

由于半集中式蒸发冷却系统的供水温度较高，故供水量较大。其中直接蒸发冷却段的冷却水量的多少将直接影响到机组的制冷量，而负荷需要的冷却水量较大时又需要考虑补水和补水量等等，这些都需要进一步的探讨。

参考文献

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2． 刘鸣，蒸发冷却空调技术的工程应用问题，西北五省暖通空调制冷热能动力2002联合学术年会 84~87

3． 陈沛霖，蒸发冷却在空调中的应用，西安制冷，1999，1：1~7