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 5 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
目 录
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
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,
跨临界 CO2热泵热水器的设计及实验研究
2
符合环保要求；具有优良的经济性，且无回收问题；良好的安全性和化学稳定性，
安全无毒，不可燃，在高温下也不分解产生有害气体；绝热指数大，临界温度很
低(31.1℃)，因此 CO2的放热过程不是在两相区冷凝，而是在接近或超过临界点区
域的气体冷却器中放热，放热过程为变温过程，有较大的温度滑移，这正好与所
需要的变温热源匹配，有较高的放热系数。因此，满足制取较高温度热水的要求；
此外由于 CO2具有良好的流动和传热特性，可显著减小压缩机与系统的尺寸，使
整个系统非常紧凑。
与传统热水器相比，跨临界 CO2热泵热水器主要有以下优点：
(1) 加热一定量的热水，能耗仅是电加热热水器和燃气热水器的 1/4[4-5]；
(2) 可以制取 90℃高温热水，而传统热泵热水器制取热水一般不超过 60℃；
(3) 在寒冷地区，CO2热泵系统在低温环境下能够维持较高的供热量，大大节约辅
助加热设备所耗费的能量，而传统热泵在低温环境下的使用受到很大限制。
综上所述，跨临界 CO2热泵热水器不但在环保方面具有很大的优势，且其节
能潜力巨大，开发跨临界 CO2热泵热水器的市场前景广阔，意义重大。
§1.2 二氧化碳主要部件的发展
§1.2.1 压缩机
由于跨临界 CO2循环的概念是在 80 年代末初提出，且系统的运行压力较高，
因此二氧化碳压缩机的设计与常规制冷剂用压缩机相比，存在一定难度。经过近
二十年的发展，目前，已开发出各种应用于不同场合的 CO2压缩机。主要包括活
塞式压缩机、滚动活塞式压缩机、涡旋压缩机、滑片压缩机、螺杆压缩机等。
表1-1 为欧洲主要厂商生产的适用于二氧化碳热泵热水器的压缩机，这些产品
以活塞式压缩机为主，应用于商用热泵系统较多。表 1-2 为主要的日本厂商生产的
适用于二氧化碳热泵热水器的压缩机，产品以滚动转子和涡旋式为主，应用于家
用及小型商用较多。
表1-1 欧洲产热泵热水器用二氧化碳压缩机
国家
公司
压缩机型号
压缩机型式
使用领域
丹麦
Danfoss
TN 系列
往复式
轻型商用设备和热泵系统
意大利
Dorin
TCS 系列
半封闭式
商业制冷装置和热泵系统
德国
Bock
HGX22P
半封闭式
亚临界循环热泵系统
RKX26/31
半封闭式
跨临界循环热泵系统
第一章 绪 论
3
表1-2 日本产热泵热水器用二氧化碳压缩机
公司
压缩机型式
使用领域
Sanyo
双级全封闭滚动转子式
热泵热水器和饮料售货机
Daikin
摆动转子式
热泵热水器和汽车空调
Denso
涡旋式
热泵热水器
Hitachi
涡旋式
热泵热水器
Matsushita
涡旋式
热泵热水器
Mitsubishi Electric
涡旋式
热泵热水器
在早期的二氧化碳压缩机研究中，为了承受超临界二氧化碳的高压力以及减
少压缩机的泄漏，主要是研究活塞式压缩机为主。原因在于活塞式压缩机具有较
好的承压能力，同时使用密封环可最大限度的减少泄漏。意大利 Dorin 公司就研发
成功半封闭式压缩机[6]，包括单级压缩机和双级压缩机，压缩机的额定转速为
2900r/min(50Hz)。单级压缩机排气量为 0.15~8.18m3/h，电机功率为 1.5~12.10kW，
采用四级电机驱动。由于二氧化碳输气量小且压缩机机壳较厚，因此此类压缩机
的噪声特性和振动特性良好。此压缩机的容积效率与转速有关，转速越高，则容
积效率越大，因此泄漏损失容易影响容积效率。所以这种压缩机应设计较小的冲
程。
日本 Sanyo 公司生产的双级全封闭滚动转子式压缩机应用于家用热水器[7-8]，
其压缩机容积为 21.89cm3，采用直流电机，电机功率为 900W。此压缩机采用双级
压缩减少进出口压差；采用内腔为中间压力来降低壳体耐压强度要求，达到减小
尺寸的目的；改进了滑片及轴的形状，使变形减少。其绝热效率大于 80%。压缩
机部件的疲劳强度良好。
日本 Dainkin 生产的 CO2摆动转子式压缩机[9]。此压缩机采用摆动转子代替滚
动转子，由于滚环与摆杆是一体的，从而减少了在高压下如滚动转子式压缩机存
在较大滑板处泄漏损失及涡旋式压缩机动、静涡旋圈之间泄漏的缺点。且设计强
度要求满足运行要求。
日本 Mitsubishi 公司研制的用于 CO2热水器中涡旋压缩机 [10]，在动涡圈与静
涡圈采用特殊设计，减少了泄漏严重的问题。
§1.2.2 节流阀
由于跨临界 CO2循环系统的高压运行工况，因此膨胀阀的材料耐压强度要求
也比普通的节流阀高很多。由于使用电子膨胀阀，因此，跨临界 CO2制冷循环可
跨临界 CO2热泵热水器的设计及实验研究
4
以在一定范围内连续调节冷量，这是该循环的优点所在。
目前，欧美国家及日本都有不少公司对二氧化碳专用的膨胀阀进行了研究开
发。丹佛斯、Egelhof、Flitsh、Calsonic、日本鹭宫等公司已经生产出了一些用于
跨临界二氧化碳系统的电子膨胀阀。丹佛斯公司生产的电子膨胀阀在二氧化碳系
统中可以根据不同的工作工况调节制冷剂的流动阻力。Calsonic 开发的电子膨胀阀
则采用了导阀结构[11]。下表 1-3 为几个公司生产的膨胀阀。
表1-3 几种型号电子膨胀阀
丹佛斯
Egelhof
Danfoss 与鹭宫
联合开发
AKV
——
JKV、UKV-J
小型 CO2制冷装置
热泵汽车空调
制冷与热泵系统
§1.2.3 气体冷却器
气体冷却器是跨临界 CO2热泵热水器的核心部件之一，其换热效果的好坏直
接影响着热泵系统的性能及运行经济效率。目前，
CO2气体冷却器主要采用空气冷
却和采用水冷却两种方式，前一种多用于汽车空调和家用空调，后一种一般用于
热泵热水器。
空气冷却型 CO2气体冷却器的发展已经经历了三代的革新，首先开发的 CO2
气体冷却器主要是用于汽车空调。最初开发的为机械扩展管翅式结构[12]，如图 1-1
所示为挪威科技大学在 90 年代初研制的汽车空调用气体冷却器[13]。当时气体冷却
器用带平铝肋片的铝管加工。这种设计存在两大缺陷，一方面这样设计存在热短
路现象，也就是热量通过套在铝管上的肋片从高温管传导到低温管。而气体冷却
器内二氧化碳的温度梯度非常大，使该缺陷更显严重。另一方面，这种气体冷却
器的设计没考虑最小爆裂压力。为了解决这个问题，又提出了第二代 CO2小管径
圆管翅式气体冷却器，采取了在空气流动方向的第二排管与第三排管之间肋片上
进行裂缝加工，并且把 CO2入口从第二排管改到第三排管上。同时缩小了管的内
外径，满足最小爆裂压力规范要求。
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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