跨临界CO2热泵热水器的设计及实验研究

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3.0 牛悦 2024-11-19 4 4 4.72MB 87 页 15积分

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摘要

随着人们生活水平的提高和我国经济的不断发展，热水器成为我们日常生活、

生产中必不可少的电器。而受到能源和环保的限制，传统热水器存在各种不足之

处。跨临界 CO2热泵热水器作为一种新型热水器在日本等国外已经开始商业化，

但技术尚未成熟且初投资较高，因此市场竞争力较弱。而在国内还处于研制阶段，

并未实现产品化。针对上述现状，本文建立了跨临界 CO2热泵热水器实验台，并

对实验台进行了实验研究。

首先，分析了二氧化碳比热容、导热系数、比容、动力粘度等物性的变化规

律；重点分析了二氧化碳亚临界强迫对流沸腾换热关联式和超临界强迫对流换热

关联式，选择适用于本实验装置换热器设计的换热关联式。其次，对带回热器的

跨临界 CO2热泵循环进行了热力学分析。从理论上阐述了系统中各基本参数对循

环性能的影响，这些参数包括冷却压力、气冷器出口温度、蒸发温度。之后，设

计并搭建了跨临界 CO2热泵热水器实验装置。其中自行设计并加工了 CO2热泵循

环系统中的蒸发器、回热器、油冷却器、气液分离器、管路系统。最后，根据实

验方案，在不同工况下对跨临界 CO2热泵实验装置进行了实验研究。

实验结果表明，本实验装置具有良好的运行稳定性，系统运行 30 分钟可以达

到稳定的运行状态；蒸发器的换热效果受到外界运行参数的影响；回热器可以降

低气冷器出口温度，提高系统性能系数，但回热器内的压降也随着气冷器出口温

度的升高而增大；热泵系统的制热性能系数受到冷冻水进口温度、循环流量，热

水循环进口温度、循环流量等运行参数的影响。

关键词：热泵热水器跨临界循环二氧化碳性能关联式

ABSTRACT

With the improvement of the people's standard of living and development of our

economy, water heaters as the necessary electrical appliances come into our daily lives.

Subjected to the restrictions of energy and environmental protection, the traditional

water heater has a variety of shortcomings. Trans-critical CO2heat pump water heater

as a new type of water heater have been commercialized in Japan and other foreign

countries, but the technology is not yet mature and a higher initial investment, so the

product still lacks competitive power on the market. In China it is still in development

stage, and did not realize product-oriented. In response to this status quo, this paper

established a trans-critical CO2heat pump water heater system, and did some

experimental research on the system.

First, the physical properties of carbon dioxide have been analyzed, such as heat

capacity, thermal conductivity coefficient, specific volume, dynamic viscosity and so

on; focused on analyzing the sub-critical forced convection boiling heat transfer

correlation and supercritical forced convective heat transfer correlation, selecting heat

transfer correlations which apply to heat exchanger designed. Secondly, Trans-critical

CO2heat pump system using internal heat exchanger was thermodynamic analyzed in

this paper. The impact of the various basic parameters on the cyclic performance was

been expounded in theoretically, the basic parameters including cooling pressure, air

outlet temperature, evaporation temperature. Thirdly, the trans-critical CO2heat pump

water heater was designed and built, in which self-designed and processed the

evaporator, internal exchanger, oil cooler, gas-liquid separator, piping system. Finally,

according to the experimental program, experimental study was carried out on the

trans-critical CO2heat pump water heater system in different conditions.

The experimental results show that the experimental device has good operation

stability; the system runs for 30 minutes to achieve a stable operating state. Evaporator

effect of heat transfer was affected by the operating parameters. Internal exchanger can

reduce the outlet CO2temperature in gas cooler, increase the system coefficient of

performance, but the pressure drop inside the internal exchanger is also increase

following the outlet CO2temperature increased in gas cooler temperature. Heating

coefficient of performance of system was impacted by the chilled water inlet

temperature, circulation flow of chilled water, inlet temperature of hot water

circulating, circulation flow of hot water, and other operating parameters.

Key words: heat pump water heater, Trans-critical cycle, carbon

dioxide, coefficient of performance, correlation

摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ............................................................................................................. 1

§1.1 研究背景和意义...............................................................................................1

§1.2 二氧化碳主要部件的发展...............................................................................2

§1.2.1 压缩机......................................................................................................2

§1.2.2 节流阀.....................................................................................................3

§1.2.3 气体冷却器..............................................................................................4

§1.2.4 蒸发器.....................................................................................................7

§1.3 二氧化碳热泵热水器的发展....................................................................8

§1.4 本文研究内容.................................................................................................11

第二章 CO2热泵循环热力学分析 ............................................................................13

§2.1 CO2物理性质分析.......................................................................................... 13

§2.2 CO2换热关联式的分析.................................................................................. 16

§2.2.1 亚临界强迫对流沸腾换热关联式.......................................................16

§2.2.2 超临界强迫对流换热关联式...............................................................22

§2.3 跨临界 CO2热泵循环方式............................................................................ 25

§2.3.1 跨临界 CO2热泵循环的基本方式...................................................... 25

§2.3.2 带回热器的跨临界 CO2热泵循环...................................................... 26

§2.4 带回热器的跨临界 CO2热泵循环热力学分析............................................ 27

§2.4.1 带回热器的跨临界 CO2热泵循环热力计算...................................... 27

§2.4.2 冷却压力对循环性能的影响...............................................................28

§2.4.3 气冷器出口温度对循环性能的影响...................................................29

§2.4.4 蒸发温度对循环性能的影响...............................................................30

§2.5 本章小结.........................................................................................................31

第三章跨临界 CO2热泵热水器实验台设计 ...........................................................33

§3.1 实验装置设计及功能.....................................................................................33

§3.1.1 实验装置设计概要...............................................................................33

§3.1.2 实验装置的功能...................................................................................34

§3.2 跨临界 CO2热泵循环系统的设计................................................................. 35

§3.2.1 压缩机的选择.......................................................................................36

§3.2.2 系统循环热力计算...............................................................................37

§3.2.3 蒸发器设计............................................................................................40

§3.2.4 回热器设计...........................................................................................44

§3.2.5 油冷却器设计.......................................................................................48

§3.2.6 系统管路设计.......................................................................................49

§3.2.7 气体冷却器介绍....................................................................................50

§3.2.8 气液分离器介绍...................................................................................50

§3.2.9 节流阀的选择.......................................................................................51

§3.3 水循环系统设计..............................................................................................53

§3.4 数据测量与采集系统设计.............................................................................55

§3.4.1 温度测量...............................................................................................56

§3.4.2 压力测量...............................................................................................57

§3.4.3 流量测量...............................................................................................58

§3.4.4 功率测量...............................................................................................58

§3.4.5 数据采集系统.......................................................................................58

§3.5 本章小结.........................................................................................................59

第四章跨临界 CO2热泵系统实验研究 ...................................................................61

§4.1 实验目的与实验内容.....................................................................................61

§4.1.1 实验目的...............................................................................................61

§4.1.2 实验内容...............................................................................................61

§4.2 运行步骤及实验注意事项.............................................................................62

§4.2.1 系统运行步骤.......................................................................................62

§4.2.2 实验注意事项.......................................................................................62

§4.3 实验结果与分析.............................................................................................63

§4.3.1 系统运行稳定性分析...........................................................................63

§4.3.2 蒸发器换热性能分析...........................................................................65

§4.3.3 回热器性能分析...................................................................................67

§4.3.5 系统循环性能分析...............................................................................68

§4.4 本章小结.........................................................................................................76

第五章结论 ............................................................................................................... 77

§5.1 结论.................................................................................................................77

§5.2 后续研究工作.................................................................................................78

参考文献.........................................................................................................................79

第一章绪论

§1.1 研究背景和意义

目前，环境和能耗问题是制约我国经济和社会发展的重要因素。温室效应和

臭氧层破坏的环境问题也越来越受到人们的重视。

CFCs 对臭氧层的破坏和对温室效应的影响日益严重，引起了国际反响。保护

环境、实现 CFCs 替代成为全世界共同关注的问题。之前，世界各国主要提出了用

包括 R134a 在内的 HFC 及其混合物来替代 R12、R502 和R22 等，并得到商业化

生产，但很快发现这些新工质并没有达到长期替代物的要求，大部分 HFC 都有较

高的温室效应和其他缺陷，因此也被归入受限制工质之列[1]。

从环境的长远安全性考虑，应该尽量避免使用排放到自然界中并影响生态平

衡的非自然工质，因此重新选用自然工质是一种最安全的方案。由于自然工质 CO2

以其良好的环保特性、优良的传热特性和相当大的单位容积制冷量等优点，前国

际制冷学会主席 G.Lorentzen 认为二氧化碳是无可取代的制冷工质，并提出跨临界

循环理论，指出其可望在汽车空调和热泵领域发挥重要作用[2]。他的主张得到众多

学者的大力支持，从而在全球范围内掀起了一股 CO2制冷工质的再开发与研究热

潮。传统热水器存在着许多不足之处，也进一步促进了全球范围内对跨临界 CO2

热泵热水器的研究。跨临界 CO2热泵及其部件的开发研究已经成为制冷领域的热

点之一[3]，特别是在热泵热水器中的应用。

目前市场上传统的热水器有三大类：燃煤、油、气热水器，电热水器，太阳

能热水器。燃煤热水锅炉，由于煤的燃烧不充分及严重污染大气的问题，在很多

大、中城市已经被国家明令禁止使用。燃气热水器在使用时要排出大量的废气，

废气中除了二氧化碳以外，还有不完全燃烧的产物一氧化碳，容易发生中毒事故，

其加热效率约为 80%。电热水器，其加热效率大约为 95%，电能浪费大，且在使

用电热水器时还是容易发生触电事故。太阳能热水器，属于环保、节能产品，但

受天气的影响较大，使用的区域和时间受到很大限制。此外，近年来市场上也开

始出现热泵热水器，但这些热泵热水器的工质一般为 R22、R410A 等传统工质，

不仅会产生温室效应和破坏臭氧层，且这些工质要生产 60℃以上的热水会使压缩

机排气压力过高、EER 过低，因此供热水的温度受到限制。另外在寒冷地区，环

境温度很低时，热泵蒸发器容易结霜，出水温度不能满足要求，热泵效率低，甚

至热泵不能工作，因此热泵热水器使用的地域范围受到很大限制。

二氧化碳作为天然工质，优点在于 ODP 为零, GWP 值远远小于 CFCs 和HFC,

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摘要：

摘要随着人们生活水平的提高和我国经济的不断发展，热水器成为我们日常生活、生产中必不可少的电器。而受到能源和环保的限制，传统热水器存在各种不足之处。跨临界CO2热泵热水器作为一种新型热水器在日本等国外已经开始商业化，但技术尚未成熟且初投资较高，因此市场竞争力较弱。而在国内还处于研制阶段，并未实现产品化。针对上述现状，本文建立了跨临界CO2热泵热水器实验台，并对实验台进行了实验研究。首先，分析了二氧化碳比热容、导热系数、比容、动力粘度等物性的变化规律；重点分析了二氧化碳亚临界强迫对流沸腾换热关联式和超临界强迫对流换热关联式，选择适用于本实验装置换热器设计的换热关联式。其次，对带回热器的跨临界CO2...

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