空气源CO2热泵热水器性能试验研究及对蒸发器性能模拟与优化
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摘 要
空调与热泵系统中广泛使用的 HCFCS以及 HFCS类工质因对臭氧层的破坏以
及所带来的温室效应等问题而面临着被逐步淘汰。因此制冷剂的替代成为制冷空
调学科目前面临的主要问题之一。从长远角度来看，自然工质 CO2有良好的发展
前景。采用 CO2作为制冷剂的热泵热水器在日本已有应用，然而国内目前还处于
理论与实验研究阶段，没有较成熟的产品。
为了进一步深入研究跨临界 CO2热泵热水器的热力性能，探索系统主要部件
以及内外环境因素对系统性能影响的规律，本课题通过理论与实验相结合的方式
开展了 CO2热泵热水器的研究。
主要研究内容包括：
1、对跨临界 CO2热泵循环进行理论计算，分析了气冷器出口温度、蒸发温度、
吸气过热度、压缩机效率、最优高压侧压力、回热器传热有效度对系统性能 COP
的影响规律。结果表明降低气冷器出口温度、提高蒸发温度、提高压缩机效率、
提高传热有效度等可以提高循环性能。
2、建立了翅片管式蒸发器换热模型，对其进行了换热性能的模拟计算。得到
了蒸发器内制冷剂温度分布和翅片表面出风温度分布规律，以及制冷剂出口过热
度、换热量等参数的数值；并分析了环境温度、气流速度场、制冷剂进口干度以
及制冷剂质量流量等参数对换热性能的影响；最后对模型进行了优化设计，得到
了最优换热模型和最大换热量数值。
3、设计和搭建了空气源 CO2热泵热水器试验装置，并对其完成了性能实验研
究，结合理论对实验数据进行了分析，揭示了系统性能系数 COP 与出水温度受工
质充注量、环境温度、进水温度和流量、高压侧压力以及压缩机频率等参数的影
响规律。
关键词：CO2 跨临界循环 热泵热水器 翅片管式蒸发器 模拟优化
ABSTRACT
At present, environmental problems have become a global one. Discharge of
HCFCS and HFCS widely used in refrigerating equipments is one of the major reasons
for ozone depletion and green house effect as well, and will be phased out. Alternative
of refrigerants were seen to be the forefront of refrigeration and air conditioning
discipline. For long term consideration, natural refrigerant is the most satisfied
substitutes. In Japan, the heat pump water heater with CO2 as a refrigerant has been
widely used. And in china, this research is carrying on, but there is still no product in
the market.
In order to further study the thermal dynamic performance of the trans-critical CO2
heat pump heater and explore the impacts of primary parts and ambient factor to the
performance of the unit, this project carried out research on CO2 heat pump heater by
theoretical -experimental method. The main works are as follows:
1) The combination properties of CO2 were analyzed. Effect of gas cooler outlet
temperature, evaporation temperature, suction superheat, compressor efficiency and
optimum high pressure on system performance is discussed with the Coolpack
refrigeration software, and then the methods of improving cycle performance are
proposed, which include decreasing gas cooler outlet temperature, increasing
evaporation temperature and compressor efficiency.
2) The heat exchange performance model for finned tube evaporator was
established. The model has been used to simulate the heat exchange performance of
evaporator, and analyze the influence of ambient temperature、refrigerant imported dry
degree and flow rate on the heat exchange performance. Besides, the optimization
design of this model was also done in this paper.
3) The trans-critical 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: CO2, Trans-critical cycle, heat pump water heater, finned
tube evaporator, simulation and optimization
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪 论 ......................................................... 1
§1.1 课题研究背景与意义 ......................................... 1
§1.1.1 温室效应问题 .......................................... 1
§1.1.2 制冷工质的替代方向 .................................... 2
§1.2 CO2制冷工质的应用现状 ..................................... 3
§1.3 CO2热泵热水器的应用发展现状 ............................... 4
§1.3.1 压缩机 ............................................... 5
§1.3.2 气冷却器 ............................................. 6
§1.3.3 蒸发器 ............................................... 8
§1.3.4 节流机构 ............................................. 8
§1.3.5 内部回热器 ............................................ 9
§1.3.6 CO2热泵热水器 ........................................ 9
§1.4 本课题研究内容 ............................................ 11
第二章 CO2特性及跨临界循环分析 ..................................... 12
§2.1 CO2工质的综合评价 ........................................ 12
§2.1.1 CO2的热力性质 ....................................... 12
§2.1.2 CO2的迁移性质 ....................................... 13
§2.2 CO2制冷循环原理 .......................................... 14
§2.2.1 CO2制冷循环 ......................................... 14
§2.2.2 CO2跨临界制冷循环原理 ............................... 15
§2.3 跨临界 CO2制冷循环性能分析 ................................ 15
§2.3.1 蒸发温度对系统性能的影响 ............................. 17
§2.3.2 高压侧压力对系统性能的影响 ........................... 18
§2.3.3 气体冷却器出口温度对系统性能的影响 ................... 19
§2.3.4 吸气过热度对系统性能和压缩机排气温度的影响 ........... 20
§2.3.5 传热有效度对系统性能和压缩机排气温度的影响 ........... 21
§2.4 跨临界 CO2制冷循环性能提高的措施 .......................... 21
§2.5 本章小结 .................................................. 22
第三章 CO2翅片管式蒸发器的模拟计算与优化 ........................... 23
§3.1 EVAP-COND V3.0 软件说明 ................................. 23
§3.2 模型的建立 ................................................ 24
§3.2.1 翅片管模拟的建立 .................................... 25
§3.2.2 制冷剂流程模型的建立 ................................. 26
§3.3 模拟计算与分析 ............................................ 26
§3.3.1 环境温度对蒸发器性能的影响 ........................... 27
§3.3.2 制冷剂进口干度对蒸发器性能的影响 ..................... 28
§3.3.3 制冷剂质量流量对蒸发器性能的影响 ..................... 29
§3.3.4 制冷剂出口过热度对蒸发器性能的影响 ................... 30
§3.4 模型优化设计 .............................................. 30
§3.5 本章小结 .................................................. 32
第四章 跨临界 CO2热泵热水系统性能试验研究 .......................... 34
§4.1 实验原理与方案 ............................................ 34
§4.1.1 实验原理 ............................................ 34
§4.1.2 实验方案 ............................................ 35
§4.2 实验装置的组成与搭建 ...................................... 36
§4.2.1 热泵系统的搭建 ....................................... 37
§4.2.2 其他辅助装置 ......................................... 42
§4.3 系统测试与采集装置 ........................................ 43
§4.3.1 压缩机转频的测量 ..................................... 44
§4.3.2 功率的测量 ........................................... 46
§4.3.3 水流量的测量 ......................................... 46
§4.3.4 温度的测量 ........................................... 47
§4.3.5 压力的测量 ........................................... 47
§4.3.6 数据采集系统 ......................................... 48
§4.4 实验结果与分析 ............................................ 49
§4.4.1 最佳充注量实验研究 ................................... 49
§4.4.2 机组运行可靠性 ...................................... 49
§4.4.3 系统出水温度的影响因素 .............................. 50
§4.4.4 系统高压侧压力的变化规律 ............................. 51
§4.4.5 压缩机吸排气温度及过热度的变化规律 ................... 52
§4.5 本章小结 .................................................. 53
第五章 结论与展望 .................................................. 54
§5.1 结论 ...................................................... 54
§5.2 后续工作展望 .............................................. 55
主要符号表 ......................................................... 56
参考文献 ........................................................... 57
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ..................... 60
致 谢 ............................................................. 61
第一章 绪论
1
第一章 绪 论
§1.1 课题研究背景与意义
随着生活水平的提高，制冷空调等设备开始普及，生活用热水已成为生活必
需品。在提高生活舒适性的同时，耗费了大量能源，带来了日益严重的环境污染
问题。随着臭氧层破坏与温室效应的加剧，在制冷空调行业，传统制冷工质将会
被逐步淘汰，而天然制冷剂以其环境友好型等特点将成为最理想选择，因此 CO2
再次受到了业界的高度关注。我国是能源消耗大国，因此发展节能环保型的 CO2
热泵热水器以替代现用电热水器、燃气热水器等成为重要发展方向，目前此产品
在日本已经得到应用，并且还在不断改进中，而国内还处于研究阶段。 因此深入
研究 CO2热泵热水器系统各个部件，整个系统性能以及系统优化等对推动其在国
内的发展具有重要意义。本文即是对 CO2跨临界循环的热泵热水器相关课题进行
了理论与实验研究。
§1.1.1 温室效应问题
随全球经济、工业的快速发展，温室气体的大量排放所引起的温室效应以及
随之产生的极端气候以及海平面上升等问题越来越严重地影响着社会发展。1997
年12 月召开了《联合国气候变化框架公约》缔约方第三次会议[1]，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》。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。中国政府
在2009 年12 月7~19 日的哥本哈根会议上做出承诺：到 2020 年我国单位国内生
产总值 CO2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[2]。
在制冷空调行业中所使用的传统制冷工质已经被证实对全球的变暖和臭氧层
的破坏同样有着贡献作用，表 1-1 为典型制冷工质的 ODP 和GWP 值。联合国气
候变化委员会（IPCC）的报告中，也曾阐明 HCFCs、CFCs 和HFCs 制冷工质以及
发泡剂对全球变暖的影响，并给出了如图 1-1 所示的 CO2当量排放曲线[3]。
空气源 CO2热泵热水器性能试验研究及对蒸发器性能模拟与优化
2
图1-1 CFCs、 HCFCs和HFCs工质的CO2当量排放
表1-1 典型制冷剂ODP和GWP值(100年)[4]比较
名称
分子式
ODP 值
GWP 值(100 年)
R12
CCl2F2
1
7100
R22
CHClF2
0.055
4200
R404a
3260
R134a
CH2FCF3
0
3100
R245fa
CHF2CH2CF3
0
820
R410A
R-32/125 (50/50)
0
1730
R290
CH3CH2CH3
0
0
R717
NH3
0
0
R744
CO2
0
1
保护地球环境，保护大气臭氧层，减少温室气体排放，全球都在行动。在此
背景下，制冷空调行业也将面临着极大的挑战，制冷工质的替代成为目前继节能
性要求后的首要任务。而各国科研人员也正在紧张地进行着替代工作研究。
§1.1.2 制冷工质的替代方向
由图 1-1 所示的一般制冷工质的 CO2当量排放值和表 1-1 所列的 ODP 和GWP
数值，可明显看出 CFCs、 HCFCs 和HFCs 制冷工质对全球变暖做出了重要贡献。
虽然在制冷空调行业所使用的 CFCs 工质，因其对大气臭氧层的破坏已逐步淘汰，
但现在广泛使用的替代工质 HFCs 依然具有较大的全球变暖潜能值 GWP(如表 1-1
所示)，在很长一段时间，卤代烃的排放会维持在 2.3 Gt CO2当量/年，对全球变暖
产生重要的影响，因此从长远来看，寻找低 GWP 值的环保工质依然是制冷行业的
重要内容。
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摘要空调与热泵系统中广泛使用的HCFCS以及HFCS类工质因对臭氧层的破坏以及所带来的温室效应等问题而面临着被逐步淘汰。因此制冷剂的替代成为制冷空调学科目前面临的主要问题之一。从长远角度来看，自然工质CO2有良好的发展前景。采用CO2作为制冷剂的热泵热水器在日本已有应用，然而国内目前还处于理论与实验研究阶段，没有较成熟的产品。为了进一步深入研究跨临界CO2热泵热水器的热力性能，探索系统主要部件以及内外环境因素对系统性能影响的规律，本课题通过理论与实验相结合的方式开展了CO2热泵热水器的研究。主要研究内容包括：1、对跨临界CO2热泵循环进行理论计算，分析了气冷器出口温度、蒸发温度、吸气过热度、压...
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