二氧化碳套管式气冷器的研究

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3.0 侯斌 2025-01-09 16 4 5.36MB 74 页 15积分

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摘要

CFCs对气候变暖和臭氧层破坏有着重大影响，CFCs替代的研究成为世界关注

的热点，对环境友好的自然工质越来越受到公众的青睐。在热泵领域，自然工质

CO2跨临界循环与传统制冷剂及其他替代工质相比具有很大的优势。气体冷却器是

跨临界CO2热泵的重要组成部分，CO2在其中为超临界状态，温度和压力相互独立，

物性变化较大，换热机理复杂。本文通过对CO2热泵热水器的实验研究，研究分析

超临界CO2流动特性和换热特性；为超临界CO2换热器的设计提供理论基础，对提

高CO2热泵热水器系统的性能具有重要的学术意义和实用价值。

本文设计了一套CO2热泵热水器实验装置，由制冷系统，水系统，数据测试系

统及数据采集系统四部分组成，能够实现各种工况制取热水。本文的实验工况包

括循环加热工况、一次加热工况。其中一次加热工况又分为冬季、设计、名义及

夏季工况。

同时，本文设计了一台超临界CO2气体冷却器，三重套管式气冷器，三根小管

套在一根大管内，内管走二氧化碳，外管为水路，换热器结构紧凑，能够承受较

高的排气压力。

通过进行以上各种工况的实验可知，整个系统在不同工况下均可稳定运行，

通过循环加热工况和一次加热工况的对比可以看出，循环加热工况下，随水温上

升，热泵的 COP 会下降。但是，通过循环加热可以达到比一次加热更高的水温要

求，水温也更具有可控性。同时，在一次加热名义工况的情况下，分别进行了不

同进水温度和不同水流量的实验。通过实验可以看出，随着气冷器进水温度的提

高，系统制热 COP 值降低，气冷器流动阻力ΔP值增加，而传热系数 K值升高；

随着气冷器侧水流量的增加，系统的制热 COP 增加，气冷器流动阻力ΔP值呈下

降趋势，而气冷器的传热系数 K值降低。因此，我们不能追求单一的换热器性能

增加，也不能一味追求高的制热 COP 值，而应兼顾整个热力系统的能量合理应用。

关键词：换热性能系统性能实验研究套管跨临界CO2热泵

ABSTRACT

CFCs have a significant impact on the warming of the atmosphere and the ozone

layer, CFCs replacement has attracted world’s attention, while the public pay more and

more attention to the natural refrigerants. In the heat pump field, CO2 refrigerant is in

the trans-critical cycle , so it has a great advantage compared with traditional

refrigerants and other alternative refrigerants. The gas cooler is an important part of the

trans-critical carbon dioxide heat pump. In the gas cooler the CO2 is super-critical state,

the temperature and the pressure is independent, heat transfer mechanism is very

complex. Through the experimental study based on the carbon dioxide heat pump water

heater bench, study and analyze the flow characteristics and heat transfer characteristics

of supercritical CO2, provide a theoretical basis for the supercritical CO2 heat exchanger

design. It has important academic significance and practical value for improving

performance of CO2 heat pump water heater system.

This paper designed a carbon dioxide heat pump water heater experimental device,

including cooling system, water system, data test system and data acquisition system, to

achieve a variety of working conditions gets hot water. The experimental conditions in

this paper include cyclic heating condition and a heating condition. A heating condition

can be divided into winter, design, name and summer condition.

This paper designed a gas cooler in a trans-critical CO2 heat pump system.

Choosing a casing-tube heat exchanger. Triple-pipe gas cooler, three small tubes are set

in one large tube, the inner tube to go carbon dioxide, the outer tube of water. So the

heat exchanger has compact structure and can withstand high pressure.

In this paper, we can see a variety of experimental conditions, the system can be

stable operation under different conditions. It can be seen through the comparison of

cyclic heating condition and one heating condition, in the cyclic heating condition，the

COP of the heat pump will reduce with the water temperature increase. However, the

water temperature can reach the higher temperature requirements through cyclic

heating than one heating condition, and the water temperature is more controllable.

What’s more, different water inlet temperature and different water flow experiments

were done in the case of a heating condition. Through the experiments we can see, with

the increase of the gas cooler inlet water temperature, the COP of heat pump

decreases, the flow resistance ΔP in gas cooler increases and the heat transfer

coefficient K increases. With the increase of the water flow of the gas cooler side, the

COP of heat pump increases, the flow resistance ΔP in gas cooler decreases and the

heat transfer coefficient K decreases. Therefore we can’t pursue an increase in heat

exchanger performance, and can’t pursue a high heating COP value. We should take

into account the rational application of energy of thermal system.

Key words ：heat transfer performance, system performance,

experimental study, casing tube, trans-critical CO2 heat pump

中文摘要

ABSTRACT

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

§1.1 课题研究背景 ............................................... 1

§1.1.1 制冷剂替代 ............................................ 1

§1.1.2 二氧化碳跨临界循环在热泵领域的应用 ..................... 4

§1.2 国内外研究现状 ............................................. 5

§1.2.1 超临界二氧化碳管内对流换热问题的研究 .................. 5

§1.2.2 二氧化碳跨临界循环中气冷器的研究 ....................... 6

§1.3 本文内容和意义 ............................................. 8

第二章超临界二氧化碳换热理论的研究 ................................ 10

§2.1 CO2热物性分析 ............................................. 10

§2.2 CO2热泵热水器跨临界循环的特点 ............................. 12

§2.3 超临界 CO2的换热关联式 ..................................... 14

§2.4 气冷器换热系数的实验计算 .................................. 16

§2.5 本章小结 .................................................. 18

第三章 CO2热泵热水器气冷器及水箱的设计 .............................. 19

§3.1 CO2热泵热水器实验系统 ..................................... 19

§3.1.1 制冷系统设计 ......................................... 19

§3.1.2 水系统设计 ........................................... 32

§3.1.3 数据测试系统简介 ..................................... 35

§3.1.4 数据采集系统简介 ..................................... 38

§3.2 实验环境简介 .............................................. 40

§3.2.1 跨临界二氧化碳热泵实验台 ............................. 40

§3.2.2 焓差计量实验台 ........................................ 40

§3.3 本章小结 .................................................. 41

第四章实验数据处理和分析 .......................................... 43

§4.1 实验研究的目的、工况和内容 ................................ 43

§4.1.1 实验目的 ............................................. 43

§4.1.2 实验工况 ............................................. 43

§4.1.3 实验内容 ............................................. 44

§4.2 实验结果与分析 ............................................ 46

§4.2.1 循环加热工况运行 ...................................... 46

§4.2.2 一次加热工况运行 ...................................... 49

§4.3 系统及部件的优化 .......................................... 59

§4.4 本章小结 .................................................. 60

第五章结论与展望 .................................................. 62

§5.1 结论 ...................................................... 62

§5.2 本论文创新点 .............................................. 63

§5.3 展望 ...................................................... 63

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 ..................... 70

致谢 ............................................................. 71

第一章绪论

§1.1 课题研究背景

§1.1.1 制冷剂替代

目前，节能和环保是 21 世纪科学技术发展的两个重要议题。由于 CFCs 对于

臭氧层和大气变暖的不利影响，为了保护环境，实现 CFCs 替代成为全世界共同关

注的问题。由于对臭氧层无破坏力，HFC 类工质成为替代 CFCs 的重要工质。但

因为 HFC 类工质化学性质稳定，释放到大气中会逐渐积累，最终将导致明显的温

室效应。虽然人们能够合成性能更佳的工质，但由于制冷剂要大量的使用，势必

会造成相当部分泄漏到大气中去。现在普遍的观点认为应该采用自然工质，因为

任何一种人工合成物质大量排放到自然界后，都会影响到环境。因此 CO2制冷装

置的研究与应用又一次成为在全球范围内受重视的热点。

§1.1.1.1 臭氧层消耗

第一个环境影响因素是由于人造化学物质进入大气产生的 ODP。Molina 和

Rowland(1974 年)详列了氯制冷剂稳定到达平流层后，其中的氯原子作为催化剂破

坏平流层臭氧（臭氧保护地球表面不受紫外线直接照射）。约 90%的臭氧存在于地

球表面 10 至50 公里以上的平流层。“蒙特利尔议定书”（1987 年）和后续国际会

议期间制定了有害制冷剂淘汰时间表。CFC 和HCFC 制冷剂的 ODP 值形象地显示

在图 1-1 中。（Calm 和Hourahan，2001 年）

图1-1 CFC 和HCFC 制冷剂的 ODP 值

制冷剂

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