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水源热泵性能测试实验平台开发

2019-04-24 15:53 点击:
1 概述
近年来,随着经济与信息技术的迅速发展,能源和环境的问题逐渐凸显。水源热泵己经被用于生活供暖、生活废水处理等领域。在高校教学实验工作中,对水源热泵的原理及相关知识的研究教学也被广泛重视。
目前很多高校相关的水源热泵实验教学内容单一,多为演示实验,缺乏实践性和创新性。更有许多设备年久失修,导致实验结果不准确,不能达到实验的真正目的。为此我们搭建一个可以直观表达实验原理、数据可以实时显示的高效率的水源热泵实验平台。
2 实验平台设计方案
水源热泵性能测试实验平台由水源热泵系统、用户侧末端装置系统、控制及数据采集系统组成。实验平台启动时,通过控制系统由用户侧和水源侧等末端装置先行启动,进行水循环。制热时,热泵机组吸收低温端水源侧换热器的热量,并且通过制冷剂循环系统将吸收的热量传递到高温端的用户侧换热器进行放热。制冷时,刚好是一个相反过程。整个实验过程由触摸屏上操作完成,人机对话界面方便智能,完全可以通过屏幕进行机组的启停控制、数据的读取和报警提示等操作。
2.1水源热泵制冷循环系统设计
本实验平台水源热泵制冷循环系统图如图1所示,由压缩机、水源侧套管换热器、用户侧套管换热器、热力膨胀阀、气液分离器、四通换向阀、干燥过滤器、储液罐、单向阀等通过铜管连接组成。压缩机起着压缩和输送循环工质从低温低压到高温高压处的作用。蒸发器与冷凝器采用的是换热效率较高的套管式换热器,使制冷剂与水进行高效换热,制热时水源侧套管换热器为蒸发器,用户侧套管换热器为冷凝器,制冷时则相反。
热力膨胀阀对循环工质起到节流降压作用,并调节进入蒸发器的循环工质流量,达到控制蒸发器温度的作用。根据热力学第二定律,压缩机所消耗的功(电能)起到补偿作用,使循环工质不断地从低温环境中吸收,并向高温环境放热。机组中设置了四通换向阀进行制冷与制热工况的切换。为了保证制冷剂工质同一个方向进入热力膨胀阀,制冷系统中设置了4个单向阀。

图1 水源热泵制冷循环系统图
2.2水源热泵控制系统设计
本实验平台采用嵌入式触摸屏与DDC控制器联合控制系统,嵌入式触摸屏是控制系统的指挥中心,与下设的DDC设备进行数据通信,指挥设备的控制运行状态及采集设备的运行状态参数,并且实现友好的人机对话。DDC控制器主要负责现场水源热泵机组的控制启停和供回水温度、制冷系统温度、水流量、运行状态及电量参数监测。
如图2所示,为水源热泵实验平台控制系统原理图,在原有常规水源热泵空调机组系统的基础上,在压缩机出口处安装高压保护开关、温度传感器,入口处安装了低压保护开关、温度传感器。为了满足实验测试要求我们在两个换热器机组出口和入口处安装了温度传感器,进水管上安装温度传感器,出水管上安装流量传感器、温度传感器等。
换热器出水流量传感器主要用于检测机组水侧的流量状态;进水温度传感器、出水温度传感器主要用于检测空调水的进水及出水的温度,与流量传感器配合可以使实验者能测量出实时的空调系统的制冷(热)量。
压缩机进、出口温度传感器主要用于压缩机进出口的温度值,以便了解其运行状况,防止进出口温度过高或过低对压缩机造成损坏。高、低压保护开关主要用于检测反馈压缩机进出口的压力值,防止进口压力过低和出口压力过高而对压缩机造成损坏。

图2 水源热泵实验平台控制系统原理图
3 MCGS嵌入式触摸屏系统设计
触摸屏系统采用MCGS工业控制屏,主界面如图3所示,具备动态友好人机界面,实时数据显示,数据库储存等功能。实验需要测量的温度、流量、电流、电压、压缩机功率、制冷量、制热量等均可在主界面中实时动态显示。
MCGS触摸屏负责系统的算法运算、指令输出、数据存储、曲线跟踪、远程数据传送等功能;DDC控制采集器主要功能是执行指令控制设备的启停状态、设备的运行状态采集、温度采集、压力采集、水流量采集、电量参数采集等。

图3 MCGS 嵌入式触摸屏
4 实验内容及测试
机组运行基本原理依据是逆卡诺循环原理:液态工质首先在蒸发器内吸收水中的热量而蒸发形成蒸汽(汽化),汽化潜热即为所回收热量,而后经压缩机压缩成高温高压气体,进入冷凝器内冷凝成液态(液化)把吸收的热量释放给需要加热的水,液态工质经膨胀阀降压膨胀后重新回到膨胀阀内,吸收热量蒸发而完成一个循环,如此往复,不断吸收低温端的热量,在高温端进行放热。该实验平台可以通过测量制冷量、制热量、压缩机输入功、制冷循环各点温度状态及蒸发压力与冷凝压力等,测量计算出水源热泵系统的制冷能效比、制热能效比,并在制冷剂压焓图上绘制出实际过程图。通过实验,可以让学生直观的了解到整个制冷循环的实际过程。
从表1中测试数据我们可以看出,制冷工况时,由于冷凝温度比较低,压缩机输入功耗也相对比较低,制冷能效比达到了4.5,即每输入1kW电功率,产生了4.5kW的制冷量。
从表2中测试数据我们可以看出,制热工况时,由于冷凝温度的提高,压缩机输入功比制冷时增加不少,同时冷凝器上产生的热量也降低了不少,制热能效比为2.8,即每输入1kW电功率,产生了2.8kW的制热量。

表1 制冷工况

表2 制热工况
5 结束语
水源热泵性能测试实验平台的开发,可以让学生直观的了解水源热泵的结构,加深理解热泵的工作原理。通过实验数据的测试显示,该实验平台测试的数据更加精准,贴近实际工程应用。