泵驱动回路热管式能量回收系统的模拟分析与研究.docx

摘要：为有效回收空调系统排风携带的能量以降低新风负荷，对气泵驱动回路热管系统和液泵驱动回路热管系统应用于排风热回收进行模拟计算，定量分析了系统在夏、冬季不同室内外温差运行工况下的换热量、温度效率和C分析结果表明，在夏、冬季工况下，两种系统具有显著的能量回收效果，换热量随着室内外温差的增大而增大，在小温差工况下，气泵驱动回路热管性能优于液泵驱动回路热管，而在大温差工况下，液泵驱动回路热管则更具优势。关键词：建筑节能；模拟；热工性能；能量回收装置。引言利用有效的能量回收装置从排风中所带走的能量（热量、冷量）中回收部分能量处理新风，可以节约本来由制冷或制热机组承担的新风负荷，降低空调系统能耗，这是空调系统节能的一项有效措施。泵驱动回路热管式能量回收装置利用相变换热，具有非常好的传热能力，其驱动方式有两种，分别是由液相管路上的液泵驱动和由气相管路上的气泵驱动。张双等设计了一种用于数据中心自然冷却的液泵驱动回路热管机组，实验得出机组换热量与室内外温差呈近似线性关系，当温差为18°C时，GP达10.41,节能效果显著。马国远等设计出一种泵驱动回路热管能量回收装置，实验探究了系统的工作特性和影响装置性能的因素，结果表明，该装置夏季运行工况的性能系数可达11.07,冬季运行工况的性能系数可达23.82。本文采用编程迭代计算方法建立气泵驱动回路热管系统和液泵驱动回路热管系统的数学模型，计算分析两种能量回收系统在夏、冬季运行工况下的换热特性，对比得出两种系统各自适用的工况条件。1系统工作原理及理论模型1.1 气泵驱动回路热管系统工作原理气泵驱动回路热管系统主要由新风换热器、排风换热器、气液分离器、气泵、四通换向阀、风机及其连接管路组成。图1为气泵驱动回路热管系统原理图，循环工质为R22。夏季工况下，气态制冷剂离开气泵出口后进入排风换热器冷凝放热，吸收室内排风中的冷量，之后进入新风换热器气化吸热，从而对室外新风进行预冷。冬季工况下，通过调节四通换向阀，制冷剂先进入新风换热器中冷凝放热，预热室外新风，再进入排风换热器中气化吸热，吸收室内排风的热量。排风换热器新风换热器图1气泵驱动回路热管系统原理图1.2 液泵驱动回路热管系统工作原理液泵驱动回路热管系统主要由新风换热器、排风换热器、液泵、储液罐、分液器、电动三通阀及其连接管路组成，图2为液泵驱动回路热管系统原理图，循环工质为R22。夏季工况下，储液罐内的饱和液态制冷剂进入液泵入口，经绝热增压后进入过冷状态；通过连接管路进入新风换热器蒸发吸热，逐渐变为气液两相态，从而对室外新风进行预冷，之后进入排风换热器冷凝放热，吸收室内排风中的冷量。冬季工况下，过冷状态的制冷剂离开液泵出口后先进入排风换热器蒸发吸热，吸收室内排风中的热量，再进入新风换热器对室外新风进行预热。图2液泵婴动回路热管系统原理图1.3 泵模型泵主要为工质提供循环动力，本模型中假设工质在气泵中进行绝热压缩，工质在气泵入口和出口处的燧值相等，并假设工质在液泵内进行等温压缩，忽略泵对工质换热的影响。1.4 蒸发器模型蒸发器中单相流体的对流换热系数可采用DittUS-Boeler换热关系式计算:(1)式中：虑为制冷剂气态雷诺数；Pr为制冷剂气态普朗特数。蒸发器中两相区沸腾换热系数按KandIikar提出的制冷剂管内沸腾关联式计算：al=Q.023RePrl0*d(5)(6)11y(-)2pSPidt(7)式中：叫为沸腾换热系数川/(Hf-K)；%为液相对流换热系数w(m-K)；&为对流特征数；合为沸腾特征数；片为液相弗劳德数;Aa为液相雷诺数；P为质量流率kg(Ws)；X为干度；d为管内径（mm）；出为液相动力粘度（Pas）；儿为液相导热率W/（m?K）；人为液相普朗特数；。，为气相密度（kg/m，）；，为液相密度（kg/m，）；族为热流密度（W11'）；为气化潜热（Jkg）;g为重力加速度（ms2）；GC为根据C,的大小选取的常数。1.5 冷凝器模型冷凝器两相区传热关联式采用Shah关联式：Nu=MKj）O8+5及）PrNul=0.023（）°8Pry内式中：分为制冷剂普朗特数。1.6 模拟初始条件换热器均选取铜管铝翅片式换热器，液泵驱动回路制冷剂体积流量设定为0.061.s,气泵驱动回路制冷剂体积流量设定为1.61.s,制冷剂均选用R22。模拟夏季工况时，室内排风温度恒定为26,室外空气温度从28上升至42,即室内外温差从2上升至16"C；模拟冬季工况时，室内排风温度恒定为22,室外空气温度从20"C降低至-10,即室内外温差从2上升至320C01.7 性能评价参数本模拟中，泵驱动回路热管能量回收装置的性能由换热量。、温度效率和性能系数GP三项参数来评价。Q=m|ln-out|（10）式中：勿为制冷剂的质量流量（kgs）；3为排风换热器的进口空气焰值（kjkg）；力。“为排风换热器的出口空气焰值（kjkg）。z7=ZkzZk&-41（11）式中：乙为排风换热器的空气进口温度（）;乙为排风换热器的空气出口温度（°C）；北为新风换热器的空气进口温度（C）。COP=切町+匕+匕（I2）式中：0为换热器的换热量（kW）；此为泵的功率（kW）；胴为排风换热器的功率（kW）；网为新风换热器的功率（kW）o2数据对比与分析文献中对液泵驱动回路热管能量回收装置进行了试验研究，得出液泵驱动回路热管系统在夏、冬季工况运行的换热特性，本文将试验数据与模拟计算结果进行对比，结果如图3所示。5图3夏季工况下模拟计算值与试验值对比Mw¾军由图3可知，模拟计算值与试验值偏差小于10%,说明模型与实际相符。3模拟结果与分析3.1 夏季工况图4对比了两种系统在夏季工况下系统换热量随室内外温差变化的情况。结果显示，两种系统的换热量在416°C的室内外温差范围内均随着温差的升高而增大，在同一室内外温差工况下，气泵驱动回路的换热量始终高于液泵驱动回路，原因是在小温差工况下，两种系统的换热器内制冷剂均不能完全相变，而气泵驱动回路热管系统的换热器内制冷剂的平均气化率高于液泵驱动回路热管系统，管内制冷剂的换热系数更高，更有利于系统换热。9图4夏季工况下气泵驱动回路热管系统与液泵驱动回路热管系统换热量的对比图5对比了两种系统在夏季工况下系统的温度效率随室内外温差变化的情况。结果表明，气泵驱动回路的温度效率随着温差的升高而降低，而液泵驱动回路的温度效率随着温差的升高先降低，之后趋于稳定。SOOOO8642%/於衰包渡温差/C图5夏季工况下气泵驱动回路热管系统与液泵驱动回路热管系统温度效率的对比图6对比了两种系统在夏季工况下系统的GP随室内外温差变化的情况。结果表明，两种系统的心均随着温差的升高而增大。温差小于13时，气泵驱动回路的GP高于液泵驱动回路，温差大于13时,液泵驱动回路的GP超过气泵驱动回路，原因是液泵的功耗较气泵更小，在大温差工况下，液泵驱动回路的性能系数提升更快。图6夏季工况下气泵驱动回路热管系统与液泵驱动回路热管系统内的对比3.2 冬季工况图7对比了两种系统在冬季工况下系统的换热量随室内外温差变化的情况。结果显示，两种系统的换热量在432的室内外温差范围内均随着温差的升高而增大，但气泵驱动回路在20"C温差后换热量的增速减缓，在25温差时两种系统的换热量均达到9.35kW,之后液泵驱动回路的换热量超过气泵驱动回路。原因是随着室内外温差的升高,气泵驱动回路冷凝器出口处的制冷剂气化率逐渐降低，直至完全发生相变，进入过冷状态的制冷剂不能及时送走，工质在换热器进出口处的熔差增长缓慢，同时气泵入口处工质密度随着温差的上升而降低，系统工质质量流量下降，导致系统换热量难以得到显著提升，而液泵驱动回路靠液泵提供循环动力，系统的工质质量流量较为稳定，在大温差工况下系统性能仍能随着温差增大而显著提升。812162024283236温差/匕14121086M3DH恭堂图7冬季工况下气泵驱动回路热管系统与液泵驱动回路热管系统换热星的对比图8对比了两种系统在冬季工况下系统的温度效率随室内外温差变化的情况。结果表明，气泵驱动回路的温度效率随着温差的升高而迅速降低，而液泵驱动回路的温度效率随着温差的升高而缓慢上升。图8冬季工况下气泵驱动回路热管系统与液泵驱动回路热管系统湿度效率的对比图9对比了两种系统在冬季工况下系统的%随室内外温差变化的情况。结果表明，两种系统的心均随着温差的升高而增大。在小温差工况下，气泵驱动回路的系统心高于液泵驱动回路，但在大温差工况下，随着温差增大，气泵驱动回路C,P增长缓慢，而工质泵的功耗更低，在15温差之后，液泵驱动回路的C)P超过气泵驱动回路。图9冬季工况下气泵驱动回路热管系统与液泵驱动回路热管系统纭的对比4结论本文建立了气泵驱动回路热管能量回收装置和液泵驱动回路热管能量回收装置应用于排风热回收的数学模型，对两种系统在夏、冬季不同室内外温差运行工况下工作的性能进行对比分析，得出如下结论：(1)气泵驱动回路热管能量回收系统和液泵驱动热管能量回收系统应用于空调系统排风热回收具有良好的热回收效果。(2)气泵驱动回路与液泵驱动回路在夏、冬季工况下的换热量和端均随着室内外温差的增大而增大，温度效率的变化与工况条件和系统形式相关。(3)在小温差工况下，气泵驱动回路热管能量回收系统性能优于液泵驱动回路热管能量回收系统，而在大温差工况下，液泵驱动回路热管能量回收系统则更具优势。