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空调废热回收热泵关键技术的研究

作　者: 张红瑞
导　师: 刘学来
学　校: 山东建筑大学
专　业: 热能工程
关键词: 空调热回收空气源热泵相变材料蓄热装置优化设计除霜
分类号: TK02
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

空调废热回收相变蓄能热泵系统是一种改进的节能型热泵装置系统,该系统融合了热回收、相变蓄热和热泵等多项技术,在实现热泵系统制冷、制热功能的同时,也可以利用热泵系统制取卫生热水以满足生活需要,具有明显的经济效益、环保效益和社会效益。空调废热回收相变蓄能热泵系统具有全年运行的特点,能够实现七种运行模式,即单独制冷模式、单独制热模式、单独制热水模式、制冷兼制热水模式、制热兼制热水模式、双级耦合模式、冬季室外化霜模式。该装置能够充分发挥相变蓄能技术和热泵技术各自的优势,高效节能,适用于间歇供应生活用热水场合。分析了制冷剂和相变材料特性,并找出了适用于空调废热回收相变蓄能热泵系统的制冷剂和相变材料,通过对热物性和工作性能的研究,选取R410A为制冷剂、Fecl3·6H2O为本系统的相变蓄能材料,同时建立蓄热体的物理模型及模拟简化模型,在自然对流的影响下,模拟相变材料的蓄、放热特性,找出固——液界面、温度场、速度场、液相比例、传热系数、热流密度、监测点的温度等随时间的变化规律,为系统设计提供了理论依据。设计了蓄热装置的结构,基于焓法对蓄热装置中相变蓄能材料的传热过程建立数学模型,采用有限差分方法对模型方程进行离散,并采用交替方向隐式格式和逐线迭代的方法对离散方程组进行求解,以Fecl3·6H2O作为相变材料,在不考虑散热损失的理想条件下对此蓄热装置蓄热和放热过程进行模拟研究,由模拟结果可知蓄热时从两个侧面和底面加热效果最好,自然对流在熔化和凝固过程中的作用不同,在熔化过程中加快熔化速率,而在凝固过程中自然对流的影响则是减慢凝固的进行。对空调废热回收热泵系统的结构进行初步设计,然后从热媒体和相变材料两个方面,详细分析了热媒体的入口温度、流速等多种因素对蓄热装置蓄热和放热特性的影响,当热媒流量一定时,对于同一蓄热体而言,蓄热温差越大,相变材料融化速度越快,传热系数也越高,蓄热效果越好,但热媒流速对蓄热结果影响不大。最后利用模拟结果对空调废热回收相变蓄能热泵系统进行了优化设计。在理论设计的基础上,组装了空调废热回收相变蓄能热泵系统进行试验。通过实验验证,分析了空调废热回收相变蓄能热泵系统在不同工况下的工作性能。为该设计应用化提供了理论依据和研究方法。本研究成果为空调废热回收相变蓄能热泵系统的关键部件——蓄热装置的优化设计及系统各参数间的合理匹配提供了有益的参考,并为该系统的推广与应用提供了理论支持与技术储备。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-12
第1章绪论  12-19
  1.1 课题研究的背景及意义  12-13
  1.2 国内外研究现状  13-17
    1.2.1 空调废热回收的应用现状  13-15
    1.2.2 相变蓄能技术的研究现状  15-16
    1.2.3 蓄热装置的研究现状  16-17
  1.3 课题研究方法和主要内容  17-18
    1.3.1 课题研究方法  17
    1.3.2 课题研究的主要内容  17-18
  1.4 本章小结  18-19
第2章空调废热回收热泵系统  19-30
  2.1 空调废热回收热泵系统的组成  19-22
    2.1.1 压缩机  19
    2.1.2 换热器  19-21
    2.1.3 蓄热装置  21
    2.1.4 节流装置  21-22
  2.2 空调废热回收热泵系统的工作原理  22-28
    2.2.1 系统的设置  23-24
    2.2.2 系统的运行模式  24-28
  2.3 系统开发所需解决的问题  28-29
  2.4 本章小结  29-30
第3章空调废热回收热泵的研究  30-65
  3.1 制冷剂的选择  30-34
    3.1.1 热物性比较  30-32
    3.1.2 性能比较  32-33
    3.1.3 费用比较  33-34
    3.1.4 制冷剂选择结果  34
  3.2 相变材料的研究  34-64
    3.2.1 相变材料的选择  35-38
    3.2.2 相变材料的热物性研究  38-41
    3.2.3 相变材料的换热研究  41-64
  3.3 本章小结  64-65
第4章蓄热装置的设计  65-82
  4.1 蓄热装置的初设计  65-67
    4.1.1 蓄热装置材料的性质  65
    4.1.2 设计考虑的主要因素  65-66
    4.1.3 设计所需的数据  66
    4.1.4 设计结果  66-67
  4.2 蓄热装置模型  67-69
    4.2.1 蓄热装置的物理模型  67-68
    4.2.2 蓄热装置的数学模型  68-69
  4.3 蓄热装置的换热计算  69-71
  4.4 蓄热装置的模拟研究  71-78
    4.4.1 模拟参数的设定  72
    4.4.2 蓄热模拟结果分析  72-78
  4.5 空调废热回收热泵的设计  78-80
  4.6 本章小结  80-82
第5章相变材料实验研究  82-88
  5.1 实验系统组成  82-83
    5.1.1 实验方法介绍  82
    5.1.2 实验条件  82
    5.1.3 实验装置  82-83
    5.1.4 实验要求  83
  5.2 实验误差分析  83
    5.2.1 仪器误差  83
    5.2.2 测量误差  83
  5.3 实验过程  83-84
  5.4 实验结果分析  84-85
    5.4.1 单纯蓄热实验结果分析  84-85
    5.4.2 单纯放热实验结果分析  85
  5.5 实验结果与模拟结果分析  85-86
  5.6 本章小结  86-88
第6章废热回收热泵系统冬季应用的实现  88-95
  6.1 问题的提出  88-89
    6.1.1 冬季除霜  88
    6.1.2 冬季供热  88-89
  6.2 解决方案  89
  6.3 工程实例模拟  89-94
    6.3.1 对象描述  89-90
    6.3.2 工况条件  90
    6.3.3 运行工况  90
    6.3.4 结果分析  90-92
    6.3.5 性能分析  92-94
  6.4 本章小结  94-95
第7章结论与展望  95-98
  7.1 主要研究结果  95-97
  7.2 主要创新点  97
  7.3 展望与建议  97-98
参考文献  98-101
后记  101-102
攻读硕士学位期间论文发表及科研情况  102

空调废热回收热泵关键技术的研究

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