公共廚房熱電熱泵儲(chǔ)水式熱水器的優(yōu)化設(shè)計(jì)

公共廚房熱電熱泵儲(chǔ)水式熱水器的優(yōu)化設(shè)計(jì)

0供熱利用技術(shù)隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，人們對生活中使用熱水的需求正在增加。節(jié)能是熱量發(fā)展的永恒主題。現(xiàn)有的各種熱水器都有各自的技術(shù)缺陷:電熱水器、燃?xì)鉄崴髂苄禂?shù)低且存在安全隱患;壓縮式熱泵熱水器系統(tǒng)復(fù)雜、成本高且技術(shù)上仍不成熟;太陽熱水器受地域、氣候、建筑層次等因素制約較大。熱電制冷(制熱)技術(shù)具有系統(tǒng)簡單、無運(yùn)行工質(zhì)、工作可靠、維護(hù)方便、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)。自19世紀(jì)60年代以來,眾多國家紛紛投入大量人力、物力進(jìn)行各種型式的熱電制冷(制熱)系統(tǒng)的研究與開發(fā)[3,4,5,6,7,8,9,10,11,12]。羅清海等在對熱電熱泵制熱進(jìn)行系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上,研制了一種熱電熱泵快熱式熱水器,較好地克服了常規(guī)熱水器技術(shù)上的不足,具有節(jié)能、環(huán)保、安全方面的優(yōu)勢。利用廚房爐灶排煙余熱提供生活熱水是減少建筑能耗、緩解能源與環(huán)境危機(jī)的重要途徑之一。然而,由于廚房爐灶排煙溫度低,熱流密度低,導(dǎo)致廚房爐灶排煙余熱直接利用受到一定限制。本文結(jié)合熱電熱泵特點(diǎn),研制了適合公共廚房余熱回收的熱電熱泵儲(chǔ)水式熱水器,并對熱電熱泵回收氣體余熱時(shí)熱電熱泵儲(chǔ)水式熱水器制取熱水的制熱性能進(jìn)行研究,最后對樣機(jī)進(jìn)行優(yōu)化并對其性能進(jìn)行了測試。1熱電材料優(yōu)值系數(shù)的確定優(yōu)值Z綜合了熱電材料的電學(xué)和熱學(xué)兩方面因素,它從根本上決定了熱電器件的效率。目前,工程上可應(yīng)用的熱電材料的優(yōu)值范圍為1.5～3.0×10-3K-1。在溫差小于50℃時(shí),單級熱泵制熱系數(shù)在1.5～7.0之間,即熱電熱泵所放出的熱量就其數(shù)值來說是消耗同樣電能所獲得的焦耳熱的1.5～7.0倍,而且,在級聯(lián)的情況下,還可獲得更大的制熱系數(shù)。從文獻(xiàn)中可得出以下計(jì)算式:最大制熱系數(shù):ηmax=ThI+0.5Z(Th+Tc)√?Tc(Th?Tc)(I+0.5Z(Th+Tc)√+1(1)ηmax=ΤhΙ+0.5Ζ(Τh+Τc)-Τc(Τh-Τc)(Ι+0.5Ζ(Τh+Τc)+1(1)最大產(chǎn)熱量:Qh.max=α2R(ThTc+Tc2?Th?TcZ)(2)Qh.max=α2R(ΤhΤc+Τc2-Τh-ΤcΖ)(2)式中,Th、Tc——分別為熱電熱泵的熱端溫度和冷端溫度;α、R——分別為熱電材料的溫差電動(dòng)勢和電阻。上述熱力分析表明,在熱電材料優(yōu)值系數(shù)Z確定的情況下,還可從以下兩方面來提高熱電熱泵效率:①減少熱電元件工作溫差(Th-Tc);②適當(dāng)提高熱電元件冷、熱端工作溫度(Th,Tc)。熱電熱泵在制熱時(shí),通過熱電熱泵的作用,從冷端媒質(zhì)中吸熱,加熱熱電熱泵熱端媒質(zhì),在熱電熱泵冷、熱端散熱一定的條件下,熱電熱泵冷、熱端溫度及溫差直接受冷、熱端媒質(zhì)溫度的影響,進(jìn)而影響熱電熱泵的制熱性能,因此合適的冷、熱端媒質(zhì)溫度是熱電熱泵進(jìn)行余熱回收制熱的關(guān)鍵。2從廚房熱回收和儲(chǔ)存熱水的開發(fā)和測試開始2.1回收熱量1向熱回收利用用于廚房余熱回收的熱電熱泵熱水器如圖1所示,樣機(jī)以一臺(tái)普通家用雙眼爐為余熱回收對象,爐眼的加熱功率分別約為2kW和3kW,如果余熱的熱回收率為50%,則有1～2.5kW的熱量可供熱電熱泵回收利用。樣機(jī)共選用熱電芯片18片,按單片輸入電壓14V計(jì)算,樣機(jī)總輸入功率約為1020W,熱回收過程中制熱系數(shù)按1.5計(jì)算,則熱電熱泵冷端制冷量約為510W,小于雙眼爐最小熱回收熱量1kW。其具體工作過程如下:廚房排氣經(jīng)抽油煙機(jī)強(qiáng)制送入煙道,先經(jīng)濾油器過濾后再經(jīng)熱電熱泵系統(tǒng)冷端風(fēng)道與冷端散熱器進(jìn)行熱交換后被排出室外;自來水在最大容積為36L的制熱水箱內(nèi)與熱電熱泵熱端進(jìn)行熱交換后送入蓄熱水箱儲(chǔ)存,并通過改變進(jìn)水和出水閥門的開啟時(shí)間調(diào)節(jié)熱水加熱時(shí)間進(jìn)而控制水溫,使之符合日常生活需要。為減少排氣中的油污附在冷端散熱器上而降低其換熱性能,同時(shí)為防止油倒流回抽油煙機(jī),在排氣煙道的水平段內(nèi)裝有高效濾油器,并在其下方裝設(shè)接油盤及放油孔。由于熱電熱泵的工作時(shí)間與熱水的使用時(shí)間很難完全一致,同時(shí)為防止熱電熱泵熱水器停止工作后制熱水箱內(nèi)的熱水通過熱電芯片和隔熱材料向冷端散熱,系統(tǒng)設(shè)置了一個(gè)容積為0.5m3的蓄熱水箱,以最大限度地發(fā)揮熱電熱泵熱回收的作用。如圖1所示,制熱水箱采用1.5mm厚的渡鋅鐵皮制作,底板采用1.2mm厚的紫銅板制作,水箱壁與底板用環(huán)氧樹脂粘結(jié)成一個(gè)完整的制熱水箱。為減少散熱損失,水箱壁四周采用60mm厚的聚氯乙烯保溫材料保溫。采用的熱電芯片型號(hào)為TEC1-12706,單片工作最大電壓、電流分別為15.4V、6A,最大產(chǎn)冷量51.4W;熱電芯片冷、熱端均采用熱管散熱器進(jìn)行散熱。冷端采用強(qiáng)制對流換熱,風(fēng)機(jī)功率為100W,實(shí)驗(yàn)時(shí)風(fēng)速為10.8m/s。2.2測試方法和測點(diǎn)布置本文需采集的數(shù)據(jù)主要為溫度,包括熱水溫度,熱電熱泵冷、熱端溫度,翅片溫度,排風(fēng)溫度等,其中熱水溫度、熱端溫度、冷端溫度采用3個(gè)測點(diǎn)的平均值,所有溫度值均采用無紙記錄儀和PT100電阻進(jìn)行測試記錄,具體測點(diǎn)布置如圖1所示;輸入熱電芯片的功率直接通過直流電源顯示屏讀取。熱電熱泵冷、熱端溫差,瞬時(shí)制熱系數(shù)等是驗(yàn)證熱電熱泵低溫?zé)崴b置性能的主要參數(shù)。熱電熱泵冷、熱端溫差(ΔT)和熱電熱泵在不同熱水溫度下的瞬時(shí)制熱系數(shù)(η)按式(1)、式(2)計(jì)算:ΔT=Th-Tc(1)η=cmΔTwW+Wf(2)η=cmΔΤwW+Wf(2)式中,c、m——分別為水的比熱容和水的質(zhì)量;ΔTw——不同熱水溫度時(shí),其前后1min內(nèi)熱水平均溫差;W、Wf——分別為熱電熱泵消耗的電功和風(fēng)機(jī)消耗的電功。3儲(chǔ)水式熱熱性能分析3.1冷、熱端高差的影響根據(jù)熱電制熱原理可知,熱電熱泵冷、熱端溫差是影響熱電制熱性能的主要因素。圖2為排氣溫度約26℃,不同工作電壓下熱電熱泵制熱系數(shù)隨冷、熱端溫差的變化關(guān)系?？梢钥闯?在不同電壓下,熱電熱泵熱水器冷、熱端溫差越大,熱電熱泵制熱系數(shù)越小,當(dāng)冷、熱端溫差達(dá)到一定溫度后,制熱系數(shù)甚至出現(xiàn)小于1的情況。從圖中還可看出,在熱電熱泵冷、熱端溫差較小時(shí),電壓越小,制熱系數(shù)越大,但輸入芯片的功率越小,進(jìn)而會(huì)影響熱電熱泵加熱熱水的時(shí)間。3.2熱水溫度對熱電熱泵熱泵供熱熱的影響熱電熱泵制取熱水過程中,熱水溫度不斷升高,熱電熱泵冷、熱端溫度受熱水溫度升高影響也不斷變化,進(jìn)而影響熱電熱泵冷、熱端溫差和制熱性能。圖3為排氣溫度約26℃,電壓16V時(shí),熱電熱泵熱水器冷、熱端溫度以及翅片溫度隨熱水溫度的變化關(guān)系?？梢钥闯?熱電熱泵冷、熱端之間的溫差隨熱水溫度的升高不斷增大,這是由于隨熱水溫度的升高,熱電熱泵熱水器的熱端溫度不斷升高,冷端溫度隨熱水溫度的升高而逐漸升高,但升高趨勢相對較小,使冷、熱端之間的溫差隨熱水溫度的升高而逐漸增大。從圖3中還可看出,當(dāng)熱水溫度升高到約50℃時(shí),熱電熱泵冷端熱管散熱器的翅片溫度比排氣溫度高,說明此時(shí)熱電熱泵已經(jīng)不能通過冷端熱管散熱器從排氣中吸收熱量,即熱電熱泵失去了熱泵的作用。3.3影響熱電熱泵熱泵預(yù)熱性能在熱電熱泵制取熱水的實(shí)驗(yàn)過程中,排氣溫度是熱電熱泵的熱源,排氣溫度的改變使冷、熱端的換熱條件發(fā)生改變,進(jìn)而影響熱電熱泵的冷、熱端溫差;熱水溫度不斷升高,使得熱電熱泵冷、熱端溫度不斷變化,從而影響熱電熱泵冷、熱端溫差。因此熱電熱泵制熱性能受排氣溫度和熱水溫度的共同影響。圖4為工作電壓20V時(shí),熱電熱泵制熱系數(shù)隨熱水溫度和排氣溫度變化關(guān)系。從圖中可看出,在排氣溫度大于26℃,熱水溫度小于46℃的區(qū)域,熱電熱泵的制熱系數(shù)總是大于1,且排氣溫度越高,熱水溫度越低,制熱系數(shù)越大,相比直接電加熱的形式,熱電熱泵裝置不失為一種節(jié)能途徑,為排氣余熱回收提供新途徑。4從廚房剩余熱回收中回收的蓄水熱的性能和測試4.1熱傳遞高差的影響實(shí)際熱電熱泵裝置總要通過散熱器與冷、熱源進(jìn)行不斷熱交換才能維持工作。要減小熱電元件的實(shí)際溫差,提高熱泵系統(tǒng)的制熱效率,必須減小熱電模塊與冷、熱媒介各環(huán)節(jié)的熱傳遞溫差。主要采取以下措施:1)采用熱管散熱器對熱電熱泵冷、熱端散熱。熱管散熱器與熱電模塊的結(jié)合面經(jīng)過精磨工藝處理,并均勻涂抹導(dǎo)熱脂,熱管散熱器翅片采用鋁質(zhì)、薄壁結(jié)構(gòu);2)降低輻射、熱橋引起的不利影響。如圖1所示,熱電制熱模塊夾在冷、熱端熱管散熱器底座之間,熱管散熱器底座面上布滿熱電模塊,為實(shí)驗(yàn)改裝方便,熱電制冷模塊、兩側(cè)熱管散熱器之間采用螺釘固定,螺釘套塑料套管和隔熱墊圈,有效減少了熱橋引起的漏熱損失。4.2系統(tǒng)能效系數(shù)測定樣機(jī)的性能測試在環(huán)境溫度約25℃,熱水箱水的容積為36L時(shí)進(jìn)行。圖5為排氣溫度約36℃,不同電壓下將熱水從28℃加熱到46℃時(shí),冷、熱端溫差隨時(shí)間的變化規(guī)律。從圖5可以看出:電壓越小,加熱時(shí)間越長。在電壓28V時(shí),將36L熱水從28℃加熱到46℃僅需38min,在電壓16V時(shí),加熱時(shí)間長達(dá)80min。而在熱水加熱過程中,電壓越大,熱電熱泵冷、熱端溫差越大,因而制熱系數(shù)越小。因此應(yīng)根據(jù)使用熱水需求實(shí)際情況,選擇合適的工作電壓。由于熱水箱中水量可調(diào),因此也可通過減少水箱中水量達(dá)到縮短加熱時(shí)間的目的。綜合考慮制熱系數(shù)和熱水加熱時(shí)間的影響,本文選用電壓20V作為熱電熱泵的常用工作電壓,并對熱電熱泵熱水器在不同排氣溫度下的制熱性能進(jìn)行測試。熱電熱泵的能效系數(shù)定義為:能效系數(shù)=mc(tw?tw0)W+Wf(3)=mc(tw-tw0)W+Wf(3)式中,tw0——水箱初始水溫,為28℃;tw——加熱后的熱水溫度。從圖6中可看出,在不同排氣溫度下,系統(tǒng)能效系數(shù)隨熱水溫度的升高而逐漸降低。將熱水從28℃加熱到46℃,在排氣溫度約33℃時(shí),系統(tǒng)能效系數(shù)為1.3以上,相比直接利用電制取熱水(能效系數(shù)為0.9)計(jì)算,樣機(jī)在滿足餐館衛(wèi)生熱水的前提下,可節(jié)省電耗30%以上,且排氣溫度越高,系統(tǒng)能效系數(shù)越高,節(jié)省電耗越多。5回收熱水分散劑的應(yīng)用針對公共廚房具有大量排氣余熱,同時(shí)需要大量衛(wèi)生熱水的特點(diǎn),設(shè)計(jì)研制了一種適合于廚房余熱回收的熱電熱泵儲(chǔ)水式熱水器并制作了樣機(jī),對樣機(jī)在不同工作條件下的制熱性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,相比直接利用電制熱,在適當(dāng)?shù)呐艢鉁囟群蜔崴疁囟认聼犭姛岜弥迫∩顭崴?jié)能效果明顯。在此基礎(chǔ)上,對樣機(jī)性能進(jìn)行優(yōu)化,對其測試表明,在適當(dāng)?shù)墓ぷ鳁l件下,系統(tǒng)能效系數(shù)達(dá)到1.3以上,相比直接利用電制取熱水節(jié)約電能30%以上。利用熱電熱泵對廚房余熱進(jìn)行回收制取日常