劉睿盈,吳靜怡，孫曉琳

(上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所，上海 200240)

直膨式太陽能熱泵熱水器集熱/蒸發(fā)器流道結(jié)構(gòu)分析與實驗

劉睿盈*,吳靜怡，孫曉琳

(上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所，上海 200240)

隨著我國經(jīng)濟和社會的發(fā)展,建筑能耗正在飛速上升。國家正大力研究開發(fā)綠色建筑，充分利用可再生能源，因此太陽能得到了廣泛的重視。太陽能熱泵熱水器將熱泵與太陽能相結(jié)合，生產(chǎn)生活熱水以滿足人們的需求。太陽能熱泵熱水器中的集熱/蒸發(fā)器是重要的核心部件，只有優(yōu)化其結(jié)構(gòu)，才能更高效的利用太陽能。本文采用Fluent軟件對太陽能熱泵集熱/蒸發(fā)器三種不同流道形式的結(jié)構(gòu)單元進行了數(shù)值分析，獲得了流道表面溫度場分布，通過對流道單元換熱特性的分析，對集熱/蒸發(fā)器的優(yōu)化方法進行理論分析與實際應(yīng)用。

集熱/蒸發(fā)器；不同流道單元；Fluent軟件；溫度分布

0 前言

為滿足社會可持續(xù)發(fā)展的需求，需要盡可能地減少建筑能耗，一方面要推廣節(jié)能技術(shù)，另一方面也要充分利用可再生資源。太陽能熱泵熱水器是近年發(fā)展起來的一個重要的節(jié)能產(chǎn)品，它將熱泵技術(shù)與太陽能相結(jié)合，加熱熱水滿足人們的生活需要。太陽能熱泵熱水器主要分為直膨式和非直膨式兩種。直膨式太陽能熱泵熱水器將太陽能集熱器與熱泵蒸發(fā)器結(jié)合，相比于非直膨式不僅簡化了結(jié)構(gòu)，而且彌補了太陽能熱水器陰雨天無法使用的缺點。太陽能集熱/蒸發(fā)器可以安裝于建筑外立面，實現(xiàn)與建筑的一體化結(jié)合。作為太陽能熱泵熱水器的核心部件，集熱/蒸發(fā)器的性能對太陽能熱泵熱水器系統(tǒng)的工作效率有很大影響，因此對于集熱/蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)研究和優(yōu)化十分重要。在保證太陽能集熱/蒸發(fā)器吸收效率的同時，減少材料的使用和占地空間是對其結(jié)構(gòu)改進的主要方向[1]。

集熱/蒸發(fā)器的形式主要是平板式集熱/蒸發(fā)器。文獻[2]中針對有效集熱面積為 l m2全鋁板式結(jié)構(gòu)的集熱/蒸發(fā)器進行了研究，證明其良好的工作性能。徐國英等[3]對一復(fù)合熱源熱泵系統(tǒng)中的螺旋翅片蒸發(fā)盤管平板型集熱/蒸發(fā)器進行熱性能分析,證明其能在四季全天候高效工作，劉艷玲等和孫振華等[4-5]也對采用不同結(jié)構(gòu)集熱/蒸發(fā)器的熱水器系統(tǒng)進行過研究。

本文主要就是針對平板吹脹式集熱/蒸發(fā)器的流道結(jié)構(gòu)單元進行研究。吹脹式蒸發(fā)器就是將一張印有回路的板與另一張沒有印刷回路的板壓合，然后進行吹脹管路而形成的，這種蒸發(fā)器具有熱傳導(dǎo)效率高、結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便等特點。本文通過對平板吹脹式集熱/蒸發(fā)器不同流道結(jié)構(gòu)的流動換熱特性的模擬分析，從理論上分析了不同的流道結(jié)構(gòu)單元對集熱/蒸發(fā)器換熱效果的影響，為太陽能集熱/蒸發(fā)器的設(shè)計和太陽能熱泵熱水器系統(tǒng)的優(yōu)化提供理論依據(jù)和指導(dǎo)。

1 太陽能熱泵熱水器系統(tǒng)及工作原理

直膨式太陽能熱泵熱水器的蒸發(fā)器同時作為太陽能集熱器使用，制冷劑在太陽能集熱/蒸發(fā)器中直接獲取太陽能吸熱蒸發(fā)。系統(tǒng)主要構(gòu)成部件包括：太陽能集熱/蒸發(fā)器、壓縮機、冷凝器、熱力膨脹閥和儲熱水箱等,如圖1所示。

圖1 直膨式熱泵熱水器流程圖

這種熱水器的工作原理是：制冷劑作為循環(huán)工質(zhì)，流經(jīng)壓縮機后形成高溫高壓的氣體,高溫的制冷劑氣體流入蓄熱水箱內(nèi)部的冷凝器中,與冷凝器外部的水進行熱交換,此時水箱內(nèi)的水吸熱升溫,同時制冷劑由于放熱冷凝變?yōu)橐后w，液體制冷劑流經(jīng)熱力膨脹閥節(jié)流降溫降壓后流入太陽能集熱/蒸發(fā)器中,吸收太陽輻射熱蒸發(fā)并再次進入壓縮機，從而完成一次循環(huán)。當(dāng)水箱內(nèi)的水溫達到設(shè)定值時，壓縮機通過恒溫器控制自動停機。在太陽輻射值較高時，太陽能熱泵熱水器以太陽能為主要熱源；當(dāng)輻射值較小時，則主要從空氣中獲取熱量。除太陽能集熱/蒸發(fā)器外，直膨式太陽能熱泵的其余部件與常規(guī)熱泵相同。與常規(guī)熱泵相比，直膨式太陽能熱泵的優(yōu)勢在于能夠達到更高的蒸發(fā)溫度，從而獲得較高的COP[6]。

2 流道單元模擬模型

為了研究不同結(jié)構(gòu)的流道對集熱/蒸發(fā)器性能的影響，本文選取三種不同的流道結(jié)構(gòu)單元，進行了CFD模擬。

2.1 研究對象

本文主要研究三種不同流道結(jié)構(gòu)的吹脹式集熱/蒸發(fā)器。其結(jié)構(gòu)的幾何尺寸如表 1所示，三種流道結(jié)構(gòu)單元如圖2所示。

表1 鋁板幾何參數(shù)

圖2 三種流道結(jié)構(gòu)單元

2.2 數(shù)學(xué)模型

2.2.1 模型假設(shè)

在實際生產(chǎn)中，所研究的結(jié)構(gòu)單元按一定規(guī)律排布，形成集熱/蒸發(fā)器制冷劑流道。然而數(shù)值分析中只研究尺寸較小的單一結(jié)構(gòu)單元，故而假設(shè)制冷劑在三種流道結(jié)構(gòu)單元中沒有溫度變化。數(shù)學(xué)模型建立中有如下假設(shè)[7]：

1）流動為定常流動。

2）流體為不可壓縮的牛頓流體。

3）忽略重力和由于密度差異引起的浮力。

2.2.2 流道單元的控制方程[8]

1）流體質(zhì)量守恒方程：

式中：

u，v，w——速度的三個分量。

2）流體動量方程：

式中：

式中：

a——流體的熱擴散率，m2/s。

4）湍流模型

在本文中采用k-ε雙方程模型，是標準k-ε兩方程湍流模型。標準k-ε模型通過求解湍流動能k方程和湍流耗散率ε方程，得到k和ε的解，再用k和ε的值計算得出湍流粘度，進而求出雷諾應(yīng)力的解。

以下為湍流動能k方程和湍流耗散率ε方程。k方程：

ε方程：

以上兩式中，C1ε、C2ε、σk、σε四個經(jīng)驗常數(shù)一般通過對某些特定的湍流過程的分析和測量得到，其標準取值為：

3 網(wǎng)格模型及數(shù)值計算

3.1 網(wǎng)格模型

為了減小計算量從而縮小模型規(guī)模，故采用非結(jié)構(gòu)化的四面體網(wǎng)格。對計算區(qū)域內(nèi)的邊均采取均勻網(wǎng)格劃分，如圖3所示；并且為了驗證網(wǎng)格的數(shù)量對模擬結(jié)果沒有影響，采用不同網(wǎng)格數(shù)的劃分方法進行了驗證。

圖3 三種結(jié)構(gòu)單元網(wǎng)格劃分圖

3.2 求解器求解

將網(wǎng)格文件導(dǎo)入數(shù)值求解器中，在設(shè)置粘性模型前需要先計算雷諾數(shù)：

式中：

ρ——制冷劑密度，kg/m3；

v——制冷劑流速，m/s；

η——動力粘度，Pa·s；

d——特征長度，m；由于制冷劑流道為矩形流道，故d= 4A/L，其中A為流道面積，L為濕周。

由于Re＞2500，流動為湍流，故選擇k-ε雙方程模型。

定義R134a在0℃下飽和液體物性參數(shù)：密度為1294.78 kg/m3，定壓比熱容為1341 J/(kg·K)，導(dǎo)熱系數(shù)0.092 W/(m·K)，粘度2.665×10-4Pa·s。

并且數(shù)值分析時邊界條件設(shè)定見表 2，選取制冷劑入口流速為初始條件進行迭代，研究穩(wěn)定后流道單元的溫度場。

表2 邊界條件設(shè)置

3.3 數(shù)值計算結(jié)果

選取輻射面為研究基準面，分別得到三種不同結(jié)構(gòu)流道的表面溫度分布圖，如圖4所示。部分數(shù)值計算數(shù)據(jù)見表3。

圖4 三種不同結(jié)構(gòu)流道的表面溫度分布圖

表3 仿真數(shù)據(jù)

3.4 結(jié)果分析

根據(jù)模擬結(jié)果，當(dāng)制冷劑蒸發(fā)溫度相等均為273 K時，采用矩形及六邊形流道的蒸發(fā)器表面溫度更低，蒸發(fā)器單位面積得熱量更大。在蒸發(fā)器面積相等、冷凝溫度與環(huán)境工況相同的條件下，相較于蛇形流道的蒸發(fā)器，矩形及六邊形流道的蒸發(fā)器能為制冷劑提供更多的熱量，此時熱力膨脹閥將增大制冷劑流量（同時蒸發(fā)溫度提高）以達到設(shè)定的過熱度。因此與蛇形流道相比，采用矩形或六邊形流道能夠提高蒸發(fā)溫度及蒸發(fā)器得熱量，從而提高系統(tǒng)COP及加熱功率。

4 實驗結(jié)果及分析

仿真結(jié)果顯示，采用結(jié)構(gòu)單元2和3時，能夠有效增加集熱效率，改善蒸發(fā)器換熱性能，從而提高系統(tǒng)COP。為驗證這一結(jié)論，在相同環(huán)境條件下，對采用三種結(jié)構(gòu)流道單元的集熱板進行系統(tǒng)實驗研究，流道網(wǎng)絡(luò)見圖 5，并且得到相關(guān)運行參數(shù)，從實際運行效果上，分析集熱器結(jié)構(gòu)形式對系統(tǒng)性能的影響，為集熱蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供依據(jù)。

實驗樣機采用直膨式熱泵系統(tǒng)，太陽能集熱/蒸發(fā)器均為裸板式，采用兩塊板并聯(lián)的方式連接，系統(tǒng)部件主要參數(shù)見表 4。壓縮機啟動前，首先打開充水閥將蓄熱水箱充滿，然后啟動電功率表以及計算機自動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，每隔 55秒采集一次熱泵系統(tǒng)的各運行參數(shù)并存儲至EXCEL中，直至蓄熱水箱內(nèi)的熱水溫度達到55℃，此時溫控器會控制壓縮機停止運轉(zhuǎn)。

圖5 流道網(wǎng)絡(luò)圖

表4 系統(tǒng)的主要部件參數(shù)

4.1 結(jié)構(gòu)單元1和2對比實驗

為比較結(jié)構(gòu)單元1和2，分別采用面積相同，流道結(jié)構(gòu)分別為蛇形和矩形的兩塊集熱板進行實驗，系統(tǒng)其它部件均相同，其中壓縮機排量為12.77 cm3/rev。部分實驗結(jié)果見表5，可以看到在相同的大氣溫度和太陽輻射值下，采用結(jié)構(gòu)單元2的系統(tǒng)累計COP為4.7，集熱因子為1.36，優(yōu)化集熱板結(jié)構(gòu)后系統(tǒng)COP明顯提高。

表5 實驗結(jié)果對比

為了對比結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的蒸發(fā)器的換熱性能，將采集到的數(shù)據(jù)進行整理，比較結(jié)構(gòu)單元1和結(jié)構(gòu)單元2的集熱/蒸發(fā)器的蒸發(fā)溫度和系統(tǒng)累計COP隨水溫的變化，見圖6。

由圖6可見，當(dāng)水溫上升到55℃時，采用結(jié)構(gòu)單元2的蒸發(fā)溫度高于結(jié)構(gòu)單元1約為7℃，并且采用結(jié)構(gòu)單元2的系統(tǒng)COP提高15%。采用結(jié)構(gòu)單元2后改善了集熱板換熱性能，從而提高了系統(tǒng)蒸發(fā)溫度及COP。

圖6 結(jié)構(gòu)單元1和2蒸發(fā)器蒸發(fā)溫度及系統(tǒng)COP隨水溫變化

4.2 結(jié)構(gòu)單元2和3對比實驗

為比較結(jié)構(gòu)單元2和3，分別采用面積相同、流道結(jié)構(gòu)分別為矩形和六邊形的兩塊集熱板進行實驗，系統(tǒng)其它部件均相同，其中壓縮機排量為排8.77 cm3/rev。部分實驗結(jié)果見表6，可以看到在相同的大氣溫度和太陽輻射值下，采用結(jié)構(gòu)單元3的系統(tǒng)累計COP為5.56，集熱因子為1.37，優(yōu)化集熱板結(jié)構(gòu)后系統(tǒng)性能略有提高。

表6 實驗結(jié)果對比

為了對比結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，蒸發(fā)器的換熱性能，將采集到的數(shù)據(jù)進行整理，比較結(jié)構(gòu)單元2和3的集熱/蒸發(fā)器蒸發(fā)溫度及系統(tǒng)累計COP隨水溫的變化見圖7。

圖7 結(jié)構(gòu)單元2和3蒸發(fā)器蒸發(fā)溫度及系統(tǒng)COP隨水溫變化

由圖7可見，當(dāng)水溫上升到55℃時，采用結(jié)構(gòu)單元3的蒸發(fā)溫度略高于結(jié)構(gòu)單元2，并且采用結(jié)構(gòu)單元3的系統(tǒng)COP略有提升。采用結(jié)構(gòu)單元3后改善了集熱板換熱性能，從而提高了系統(tǒng)蒸發(fā)溫度及COP。

5 結(jié)論

本文以三種結(jié)構(gòu)不同的流道單元為研究對象，對太陽能集熱/蒸發(fā)器三維流場進行了流動與傳熱數(shù)值模擬。得到了集熱/蒸發(fā)器表面溫度場分布圖，并對結(jié)果進行了討論。仿真結(jié)果顯示，采用結(jié)構(gòu)單元2和3流道形式的集熱/蒸發(fā)器可以有效改善集熱板的傳熱性能，并且采用這兩種流道形式的集熱板溫度分布更加均勻，集熱板表面平均溫度更低，在蒸發(fā)溫度相同時，結(jié)構(gòu)單元2和3換熱量更大，大大提高太陽能集熱/蒸發(fā)器的集熱效率。為了進一步驗證仿真結(jié)果，采用三種流道結(jié)構(gòu)的集熱/蒸發(fā)器帶入到系統(tǒng)實驗當(dāng)中，并且對獲得的實驗參數(shù)進行處理和計算，從實驗結(jié)果可以看出，采用結(jié)構(gòu)單元 2和 3的集熱/蒸發(fā)器在水箱內(nèi)初始水溫與終止水溫均相同情況下，系統(tǒng)COP和集熱因子有顯著提高。

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Analysis of Collector/Evaporator for Direct Expansion Solar Assisted Heat Pump Water Heater

LIU Rui-ying*, WU Jing-yi, SUN Xiao-lin
(Institute of Refrigeration and Cryogenics, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China)

With the development of economic and social in our country, building energy consumption is rising. Government is vigorously developing green building to make full use of renewable energy. As a result, solar energy has been paid widely attention. Solar assisted heat pump water heater combines heat pump and solar energy to satisfy the domestic hot water demand. A solar assisted heat pump system was introduced in this paper. In a direct solar assisted heat pump system, the solar collector/evaporator is a critical component, and the performance of the collector/evaporator is affected a lot by the flow channel structure. Through the theoretical 3D numerical simulation of three different channel styles with Fluent software, the temperature distribution on the surface of the collector was obtained. Based on the heat transfer in the channels, a methodology for the design optimization of the collector/evaporator was introduced and applied.

Collector/evaporator; Different channels; Fluent software; Temperature distribution

10.3969/j.issn.2095-4468.2014.02.101

*劉睿盈（1988-），女，工程碩士。研究方向：太陽能熱泵。聯(lián)系地址：上海市東川路800號上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所，郵編：200240。聯(lián)系電話：13671779684。E-mail：ruiyingliu@163.com。