小型水-水CO2热泵热水器实验研究及对气冷器换

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3.0 陈辉 2024-11-19 6 4 3.18MB 75 页 15积分

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摘要

众所周知，节能和环保是 21 世纪科学技术发展的两大紧迫课题。由于人们广

泛应用的制冷空调和热泵系统其本身耗能和使用的传统制冷剂对环境的破坏，使

系统节能和制冷剂的替代成为工程热物理学科目前面临的主要问题。在蒸气压缩

式制冷与热泵循环中，工质的热物性对循环性能有着重要影响。本文以自然工质

CO2为研究对象，对其在跨临界热泵热水器中的系统性能、传热性能进行了理论

分析、计算机模拟和实验研究。主要研究内容包括：

1、分析了二氧化碳比热、导热系数、比容、动力粘度等物性的变化规律，分

析了各种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，并选取适用于模拟气冷器以及设计本实验装置换热器的换热关联式。通过分

析跨临界 CO2热泵循环，得出气冷器出口温度、蒸发温度、吸气过热度、压缩机

效率、最优高压侧压力对系统性能的影响趋势，降低气冷器出口温度、提高蒸发

温度、提高压缩机效率是可以提高循环性能的。

2、建立了套管式气体冷却器的模型，并采用分段法对其进行了传热模拟计算，

采用稳态分布参数模型，计算了气冷器内水、制冷剂温度分布和换热情况，并分

析了进水温度、制冷剂和水流量等参数对气冷器内水、制冷剂温度分布和换热情

况的影响。

3、设计搭建了 CO2热泵热水器实验装置，对实验研究的目的、内容和实验

步骤进行了阐述。根据实验结果得出了相关结论。

关键词：二氧化碳跨临界循环热泵热水器气冷器仿真

ABSTRACT

As is well known to all, energy saving and environmental protection are the two

priority themes of scientific & technological development in the 21st century. Due to

energy consumption and environmental risk of traditional refrigerants that are widely

used in refrigeration and air conditioning and heat pump systems, system's energy

efficiency and substitution of refrigerants were seen to be the forefront of engineering

thermal physics project. In the vapor compression refrigeration and heat pump cycle,

the thermal properties of working fluid play an important role on the cycle. It can be

said that the progress of refrigeration and heat pump is the perfection of cycle device

and upgrade of working fluid. In this paper, the theoretical analysis of CO2 heat pump

water heater, computer simulation and experimental studies were carried out.

1、The physical properties of CO2 were analyzed, such as specific heat, thermal

conductivity coefficient, specific volume, dynamic viscosity and so on; the forced

convection boiling heat transfer correlations in sub-critical area and forced convective

heat transfer correlations in supercritical area were analyzed and the heat transfer

correlations which apply to heat exchanger designed were selected. Effect of gas cooler

outlet temperature, evaporation temperature, suction superheat, compressor efficiency

and optimum high pressure on system performance is discussed, and then the methods

of improving cycle performance are proposed, which include decreasing gas cooler

outlet temperature, increasing evaporation temperature and compressor efficiency.

2、In the paper, steady-state distributed-parameter model for gas cooler was

established. The model has been used to simulate the heat exchange and the

temperature distributing of refrigerant and water in gas cooler, and analyze the

influence of water inlet temperature and refrigerant flow etc on the heat exchange and

the temperature distributing of refrigerant and water.

3、The transcritical CO2 heat pump water heater system was built in the laboratory.

The components of system，the research goal，content and experimental process were

explained in this paper.

Key Word: carbon dioxide, Trans-critical cycle, heat pump water

heater, gas cooler, simulation

摘要

ABSTRACT

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

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

§1.2 跨临界二氧化碳热泵热水器各部件的发展 ....................... 3

§1.2.1 压缩机 ................................................ 3

§1.2.2 节流阀 ................................................ 6

§1.2.3 气体冷却器 ............................................ 6

§1.2.4 蒸发器 .............................................. 10

§1.2.5 内部回热器 .......................................... 11

§1.3 二氧化碳热泵热水器的发展 .................................. 12

§1.4 本文研究内容 .............................................. 13

第二章 CO2热物理性质及跨临界循环热力学分析 ........................ 15

§2.1 CO2的热物理性质 ........................................... 15

§2.2 CO2换热关联式的分析 ....................................... 18

§2.2.1 亚临界强迫对流沸腾换热关联式 ........................ 18

§2.2.2 超临界强迫对流换热关联式 ............................ 24

§2.3 跨临界CO2热泵循环方式 ..................................... 27

§2.3.1 跨临界CO2热泵循环的基本方式 .......................... 27

§2.3.2 带回热器的跨临界CO2热泵循环 .......................... 27

§2.4 带回热器的跨临界CO2热泵循环热力学分析 ..................... 28

§2.4.1 带回热器的跨临界CO2热泵循环热力计算 .................. 29

§2.4.2 冷却压力对循环性能的影响 ............................ 29

§2.4.3 气冷器出口温度对循环性能的影响 ...................... 31

§2.4.4 蒸发温度对循环性能的影响 ............................ 32

§2.5 本章小结 .................................................. 32

第三章套管式CO2气体冷却器模拟计算及分析 .......................... 33

§3.1 CO2套管式气体冷却器模型的建立 ............................. 33

§3.1.1 CO2侧换热系数计算 .................................... 34

§3.1.2 水侧换热系数计算 .................................... 35

§3.2 CO2套管式气冷器模型的设计和模拟结果分析 ................... 37

§3.2.1 套管式气体冷却器模型设计原理 ........................ 37

§3.2.2 套管式气体冷却器仿真结果分析 ........................ 39

§3.3 本章小结 .................................................. 42

第四章跨临界CO2热泵热水器实验装置设计 ............................ 43

§4.1 二氧化碳制冷系统方案及工况 ................................ 43

§4.2 压缩机选型 ................................................ 45

§4.3 换热器设计 ................................................ 46

§4.3.1 气体冷却器的设计 .................................... 46

§4.3.2 蒸发器设计 .......................................... 48

§4.3.3 回热器 .............................................. 49

§4.4 毛细管设计 ................................................ 50

§4.5 其他辅助部件设计及选型 .................................... 52

§4.6 本章小结 .................................................. 52

第五章实验台的设计与实验研究 ..................................... 53

§5.1 实验台的设计 .............................................. 53

§5.1.1 数据采集系统 ........................................ 53

§5.1.2 制冷系统温度测点布置 ................................. 56

§5.2 实验内容、结果及分析 ...................................... 56

§5.2.1 最佳充注量实验研究 .................................. 56

§5.2.2 蒸发器侧冷冻水流量不变，改变气冷器侧冷却水流量 ...... 57

§5.2.3 气冷器侧水流量不变，改变蒸发器侧水流量 .............. 63

§5.3 本章小结 .................................................. 64

第六章结论和展望 ................................................. 65

§6.1 结论 ...................................................... 65

§6.2 后续工作展望 .............................................. 66

符号表 ............................................................. 67

参考文献 ........................................................... 68

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ..................... 72

致谢 ......................................................... 73

第一章绪论

§1.1 研究背景和意义

泛

系

热

循

发

护

众所周知，节能和环保是 21 世纪科学技术发展的两大紧迫课题。由于人们广

应用的制冷空调和热泵系统其本身耗能和使用的传统制冷剂对环境的破坏，使

统节能和制冷剂的替代成为工程热物理学科的前沿议题。在蒸气压缩式制冷与

泵循环中，工质的热物性对循环有重要作用。因此制冷与热泵技术的进展就是

环装置的完善与工质的更新。在循环节能方面，从只注意提高标准工况能效比，

展到提高系统运行季节能效比；制冷剂的替代也由不破坏臭氧层到同时满足保

臭氧层和阻止全球变暖的双重要求上来。由于 CFCs 和HCFCs 会破坏地球的臭

氧层而且还会导致温室效应，故在制冷与热泵行业采用绿色无公害工质(ODP=0，

GWP=0 )的要求十分迫切。因此寻找高效、环保制冷工质成为当前国际社会共同关

注的问题，世界各国的科学家正在紧张研究工质替代工作。

臭氧层被誉为地球生物的守护之神。科学家己达成一致结论，认为损耗臭氧

的罪魁祸首是消耗臭氧层的化学物(ODS)，而这其中就包括常规制冷剂 CFCs 与

HCFCs。臭氧层的破坏引起了世界各国的普遍关注。1985 年，在奥地利首都维也

纳，28 个国家通过了《保护臭氧层维也纳公约》。1987 年9月16 日，在加拿大

的蒙特利尔会议上，46 个国家通过了《关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书》，

并于 1989 年1月1日起生效。到 2004 年，在该《议定书》的基础上，己经召开

了十多次缔约国大会。1995 年1月23 日联合国大会决定，每年的 9月16 日为国

际臭氧层保护日，旨在唤起人们保护臭氧层的意识，并积极采取行动以保护地球

环境和人类健康[1] [2]。中国政府已于 1989 年加入《保护臭氧层维也纳公约》。1991

年正式宣布加入《蒙特利尔议定书》伦敦修正案，1992 年8月10 日该修正案正式

对我国生效。中国汽车空调行业已于 2002 年1月1日起停止了 CFC 的使用，其他

的消费行业，如家电行业、哈龙、烟草、清洗和制冷按计划都将在 2006 年年底停

止CFC 和哈龙的消费使用。对泡沫行业，在 2006 年年底已经完成 95%的淘汰任

务，到 2007 年7月1日之前彻底淘汰。

温室效应（GWP）也成为一个制约可持续发展的关键问题，它所造成的危害

是无法估量的。为了使 21 世纪的地球免受气候变暖的威胁，1997 年12 月，149

个国家和地区的代表在日本东京召开了《联合国气候变化框架公约》缔约方第三

次会议。本次会议通过了旨在限制发达国家排放温室气体的量以抑制全球变暖的

《京都议定书》。由于俄罗斯也同意加入《京都议定书》这一行列，条约已于 2005

小型水-水CO2热泵热水器实验研究及对气冷器换热性能模拟

年2月16 日生效。最初作为发展中国家的中国在《京都议定书》中不承担减排义

务。但是随着“后京都时代”的来临，中国将不可避免地参与到这场事关中国未

来发展的全球利益博弈之中。在今后的谈判中，发达国家将会对发展中国家提出

相应的义务要求，而中国必然成为他们关注的重点。中国政府则主动在 2009 年12

月7~19 日的哥本哈根会议上的承诺：到 2020 年我国单位国内生产总值二氧化碳

排放比 2005 年下降 40％－45％,作为约束性指标纳入国民经济和社会发展中长期

规划[3]。

正是基于以上原因使得目前市场上的普遍使用传统工质的热泵热水器面临制

冷剂替代的问题。使用天然工质是制冷剂替代的一个重要研究方向。二氧化碳作

为天然工质，优点在于 ODP 为零, GWP 值为 1，远远小于 CFCs 和HFCs,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内冷凝，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[6]。

第一章绪论

§1.2 跨临界二氧化碳热泵热水器各部件的发展

§1.2.1 压缩机

德国人 Franz Windhausen 于1886 年发明的 CO2压缩机获得了英国 2864 号专

利。其后英国的 J&EHall 收购了此专利并将其改进后于 1890 年左右开始投入生产。

Hall 的CO2压缩机在船上开始广泛应用，取代了原先使用的空气压缩机，使得 CO2

制冷系统得到了广泛应用。自从跨临界 CO2循环的概念在 80 年代末初提出，经过

近二十年的发展，已经开发出各种形式的压缩机。相比采用传统工质的压缩机，

CO2压缩机的特点是工作压力高，结构尺寸小，压比小以及吸排气压差大。目前开

发的 CO2压缩机样机型式包括活塞压缩机、斜盘式压缩机、涡旋压缩机、滑片压

缩机、滚动转子压缩机和双螺杆压缩机[7]。

在早期的应用于跨临界二氧化碳循环压缩机研究中，研究人员为了使之能承

受超临界二氧化碳的高压力以及减少泄漏，主要以研发活塞式压缩机为主，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。

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[8]。

表1-1 为欧美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1-1 欧美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

巴西 Embraco EK 系列封闭式轻型商用设备和热泵系统

德国 Bock

HGX2/HAX2 半封闭式亚临界循环热泵系统

RKX26 半封闭式跨临界循环热泵系统

德国 Bitzer Octagon 系列半封闭往复式商业及工业制冷、热泵及空调系统

意大利 Dorin TCS 系列半封闭式商业制冷装置和热泵系统

意大利 Frascold SK、TK 系列半封闭式跨临界 CO2应用

丹麦 Danfoss TN 系列往复式轻型商用设备和热泵系统

巴西 Embraco 作为世界上领先的生产封闭式压缩机的企业之一，其生产的

往复式轻型商用和热泵用 EK 系列产品有以下型号：EK2140CD、EK2178CD、

EK6160CD、EK6210CD、EK6210CD*、EK6217CD、EK6160CD，排量有 1、1.75、

小型水-水CO2热泵热水器实验研究及对气冷器换热性能模拟

图1-1 巴西 Embraco 的EK6210CD 图1-2 Bock 公司的 RKX26

2.45、3（cc/s）等。图 1-1 为EK6210CD 机型。德国 Bock 公司也生产三个系列的

半封闭式 CO2压缩机，如图 1-2、1-3、1-4 所示。其中，RKX26 系列与 HGX2 和

HAX2 相比，采用了 6根径向活塞，更紧凑轻便，还使用了风冷方式。德国比泽尔

Octagon 系列、意大利 Frascold 生产的 SK、TK 型都是在 2010 年米兰制冷展上展

示的新品。丹佛斯二氧化碳活塞压缩机，专为饮料冷柜，自动贩卖机，热泵而设

计[9]。这些产品还设计有一个机械式膨胀阀，用来优化较大变化范围的环境工况下

的运行过程，而且还能充当内部泄压阀来保证系统的安全性。其他公司生产的活

塞式压缩机都是封闭式或者半封闭式，如图 1-5~1-10 所示。

图1-3 Bock 公司的 HA2 图1-4 Bock 公司的 HG2

图1-5 Danfoss 公司的 TN 型图1-6 Frascold 公司的 TK 与SK 型



图1-7 Dorin 公司的 TCS200 图1-8 Dorin 公司的 TCS300

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摘要众所周知，节能和环保是21世纪科学技术发展的两大紧迫课题。由于人们广泛应用的制冷空调和热泵系统其本身耗能和使用的传统制冷剂对环境的破坏，使系统节能和制冷剂的替代成为工程热物理学科目前面临的主要问题。在蒸气压缩式制冷与热泵循环中，工质的热物性对循环性能有着重要影响。本文以自然工质CO2为研究对象，对其在跨临界热泵热水器中的系统性能、传热性能进行了理论分析、计算机模拟和实验研究。主要研究内容包括：1、分析了二氧化碳比热、导热系数、比容、动力粘度等物性的变化规律，分析了各种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，并选取适用于模拟气冷器以及设计本实验装置换热器的换热关联式。...

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