微通道换热的丙烷直膨式太阳能热泵系统全工况性能研究

In a direct-expansion solar-assisted heat pump system, the flammability of natural refrigerant propane (R290) and the instability of the heat source will decrease the operation reliability of the whole system. In order to solve those problems, an idea of the collector/evaporator and condenser by using micro-channel heat transfer technology to reduce refrigerant charge with the aim of improving the system security is proposed, as well as the idea how to realize the self-adaptive-operation of the whole system through the study of the integrated approach. The methods of theoretical analyses and experimental test are adopted. The two-phase flow heat transfer characteristics of micro-channel heat exchanger are studied, as well as the coupling mechanism between the cyclic thermodynamic parameters and environmental parameters. Then the optimized parameters of the structure design and operation of the collector/evaporator and condenser are obtained. On these bases, the collector/evaporator, condenser, compressor, and expansion valve will be investigated as one whole. The thermodynamic interaction mechanism in the whole system will be studied. The optimal integrated approach of the system at off-design conditions is obtained. Theoretical and practical methods of the system initiative to self-adapt the unstable heat source are investigated, so that the system will be effectively and stably operating in harmony and unification. The achievements of this study will provide the theoretical foundation and instructor for the direct-expansion solar-assisted heat pump system using natural refrigerant, and also for the study of the other unstable heat source powered thermodynamic system.

为了解决直膨式太阳能热泵技术应用中自然工质丙烷的可燃性和热源不稳定导致整个系统运行可靠性降低的问题，提出了集热/蒸发器和冷凝器采用微通道技术减少丙烷充注量提高系统安全性的设计思想和通过对整个系统集成方法的研究实现系统协调高效运行的基本设想。采用理论分析和实验测试相结合的方法，通过微通道换热器内部两相流传热特性及循环热力参数与环境参数之间相互耦合机理的研究，获得集热/蒸发器和冷凝器的最佳结构设计参数和运行操作参数。在此基础上，将集热/蒸发器、冷凝器、压缩机和膨胀阀作为一个整体，通过研究部件之间的热力学耦合关系，获得系统全工况性能最优集成方法，探索太阳能热泵系统对不稳定热源的自适应运行控制的理论依据和实践方法，从而为自然工质的直膨式太阳能热泵技术的应用提供理论支持和技术保障，同时，也为其他不稳定热源驱动热力系统的研究提供参考。

项目背景：供热已成为当前全球最大终端能源消费领域。在双碳目标实现背景下，直膨式太阳能热泵技术通过集热/蒸发器将太阳能直接作为热泵的低温位热源，能够高效规模化利用太阳能，实现供热能效提升，紧密契合我国可再生能源发展“十四五”规划提出的大力发展可再生能源供热等非电利用方向，助力碳达峰碳中和。但是，由于太阳辐射的间歇不稳定特性，导致系统运行可靠性和热效率降低。同时，丙烷作为碳氢化合物自然工质是热泵工质的理想替代物，可燃性是其实际应用面临的主要技术难点之一，而降低工质充注量是实现系统安全运行的有效途径。.主要研究内容：采用数值模拟和实验测试分析相结合的方法，研究了基于丙烷的微通道集热/蒸发器和冷凝器内两相流传热特性及其结构设计优化；模拟研究了微通道集热/蒸发器和冷凝器与压缩机之间的容量匹配优化方法；实验研究了基于微通道换热的丙烷直膨式太阳能热泵系统全工况性能；在上述基础上，对系统全工况运行优化控制方法进行了研究。.重要结果：设计并构建了以丙烷为工质的直膨式太阳能热泵定容量和变容量性能测试实验台。基于微通道集热/蒸发器分布参数数学模型、数值仿真和红外成像技术等方法，获得了丙烷在其内部的流动与传热特性。建立了系统动态数学模型，并结合实验测试分析，获得了系统部件容量匹配优化设计方法和全工况运行特性，提出了系统优化运行控制策略。.关键数据：系统全年运行工况下，测试制热COP的最大值5.99，最小值为2.04，平均值为3.88。过热度优化控制范围为7-12℃。同样工况下，以丙烷为工质的制热COP和集热效率分别高于以R134a为工质的32%和10.6%。.科学意义：实现了通过集热/蒸发器和冷凝器采用微通道技术减少丙烷充注量提高系统安全性的设计思想，以及通过对整个系统集成方法的研究保证系统协调高效运行的基本设想，获得了采用自然工质的太阳能热泵系统对不稳定热源的自适应运行控制的理论依据和实践方法。