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中山大学硕士学位论文 家用空气源二氧化碳热泵热水器实验及模拟 专业：工程热物理 硕士生：王冬 指导教师：李廷勋 摘要 二氧化碳热泵热水器作为一种节能环保型产品，受到了国内外的高度关注。在中国 大力提倡节能环保的环境下，开发家用二氧化碳热泵热水器符合社会及市场需求。针对 二氧化碳热物性，本文分析了跨临界二氧化碳循环的理论特征，设计了一款与回热器 实现了一体化新型气冷器。在此基础上，通过比较现有二氧化碳热泵的流程，设计了家 用二氧化碳热泵热水器原型机，并搭建了性能试验台。在稳态工况下，研究制冷剂流量、 高压侧压力、水流量、进水温度、蒸发温度等参数对系统性能影响，为系统优化寻求最 佳的调节参数方案。在动态工况下，测试研究了二氧化碳热泵系统的开关机过程、节流 阀开度对系统开关机参数的影响。基于试验数据，拟合了压缩机绝热效率、压缩机体积 效率、换热系数、流动压降等关系式，可用作家用二氧化碳热泵热水器的理论计算与分 析另外，本文对水箱进行了动态的温度分布测试，提出了热泵热水器系统控制策略。最 后，根据拟合的经验公式建立数学模型，对系统进行了稳态模拟，模拟结果显示，大部 分参数与试验数据吻合较好 关键词：二氧化碳；热泵；实验；模拟 家用空气源二氧化碳热泵热水器实验及模拟 t h ee x p e r i m e n ta n ds i m u l a t i o no na i r s o u r c e h o u s e h ol dc 0 2h e a tp u m ph o tw a t e r m a j o r ：t h e r m o p h y s i c sa n de n e r g ye n g i n e e r i n g n a m e ：w a n gd o n g s u p e r v i s o r ：l it i n g x u n a b s t ra c t c a r b o nd i o x i d eh e a tp u m pw a t e rh e a t e ri sa l le n v i r o u m e n t a la n de f h c i e n tp r o d u c tw h i c hh a s b e e nr e s e a r c h e di nm a n yc o u n t r i e sa n dm e e t sc h i n a s n o we n e r g y s a v i n ga n de m i s s i o n - r e d u c t i o n p o l i c y t h e r e f o r e ，t h ec 0 2h e a tp u m pw a t e rh e a t e rh a sg r e a tp o t e n t i a lm a r k e ti n c h i n a i nt h i sp a p e r , t h et r a n s c r i t i c a lc a r b o nd i o x i d ec y c l e sa r ea n a l y s i s e d an e ws t y l eg a s - c o o l e ri sd e s i g n e dw h i c hi sc o m b i n e d 、 ，i mt h ei n t e m a lh e a te x c h a n g e rt os a v et h es p a c e b a s e do nt h ec u r r e n tf l o wc h a r t so fc a r b o nd i o x i d eh e a tp u m pw a t e rh e m e r s ，an e wc 0 2 w a t e rh e a t e rp r o t o t y p ei s p r o d u c e da n dt h ep e r f o r m a n c et e s t i n gs y s t e mi s s e tu p t h e i n f l u e n c eo fr e f r i g e r a n tm a s sf l o w ，e x h a u s t i n gp r e s s u r e ，w a t e rm a s sf l o w , w a t e rt e m p e r a t u r e a n de v a p o r a t i o nt e m p e r a t u r et ot h ep e r f o r m a n c eo fc a r b o nd i o x i d es y s t e mi ns t a t i cs t a t ea r e i n v e s t i g a t e d t h es t a r t - u pa n ds h u t o f fp r o c e s sw i t hd i f f e r e n tt h r o t t l i n ga r et e s t e d w i t l lt h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t ，t h ef o r m u l a so fv o l u m e t r i ce f f i c i e n c y ，i s e n t r o p i ce f f i c i e n c ya n dh e a t 缸? a n s f b ra r eo b t a i n e db yt h el e a s ts q u a r em e t h o d i na d d i t i o nt h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o ni n w a t e rt a n ka r ea l s om e a s u r e da n do p t i m i z e dc o n t r o ls t r a t e g yi sp r o v i d e d a tl a s tas t a t i c s i m u l a t i n gm o d e lo ft h ec 0 2h e a tp u m pw a t e rh e m e ri sd e v e l o p e d t h em o d e l i sv e r f i e dw i t h t h ee x p e r i m e n t a ld a t a k e y w o r d s ：c a r b o nd i o x i d e ；h e a tp u m p ；e x p e r i m e n t ；s i m u l a t i o n i i 论文原创性声明内容 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成 果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明 确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：矜 e l 期：珈o 年z 月7 日 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文 的电子版和纸质版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制 并允许论文进入学校图书馆、院系资料室被查阅，有权将学位论 文的内容编入有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其他 鬻嚣芝砂翩躲凄例 学位论文作者签名：珐导师签名：锻羔黝 日期： l o 年6 月j 日 日) t o l ：t a ，年月日 中山大学硕士学位论文 第一章引言 1 1 环境问题 为保护大气臭氧层，蒙特利尔议定书要求禁止使用c f c 类制冷工质并逐步淘 汰h c f c 类制冷工质，而o d p = o 的h f c 类制冷工质( 如r 1 3 4 a ) 物质属于需减排的温室 气体，因此，h f c s 只能是一种替代工质而不是能长久使用的制冷剂。大量的事实表明 许多人工合成的物质，尽管从一开始看对人类是有益的，但随着该物质的大量和长期的 使用，就逐步显现出对生态环境的巨大破坏作用，从对环境的长期安全来看，应尽量避 免使用那些最终会排放到生物圈巾的非自然工质，重新起用自然工质是种非常安全 的选择。 表1 - 1 不同制冷剂参数对比 1 3 t a b l e1 一it h ec o m p a r i s o no fd i f f e r e n tr e f r i g e r a n t s 如表1 - 1 所示，是常用几利哺0 冷剂基本物性及参数，c 0 2 ( r 7 4 4 ) 制冷剂不可燃、 无毒、环境性能优良、制热水温度高以及单位容积制热量大，以上特点使c 0 2 热本系统 具有以下优势： 1 ) 优良的环保性能； 2 ) 设备体积小； 3 ) 出水温度高。 因此c 0 2 热泵热水器研究受到了很大的关注，虽然c 0 2 热泵热水器存在成本问题， 但随着环保节能意识日益加强，c 0 2 热泵终将成为一种重要发展方向。 1 2 市场状况 家用二氧化碳热泵热水器是近年市场上受到诸多关注的新产品，以e c o c u t e ( 生态 精灵) 为商品名的家用二氧化碳热泵热水器自2 0 0 1 年开始进入日本市场后，销售量以 家用空气源_ 氧化碳热泵热水器实验及模拟 平均约3 0 的年增长率持续上升，其在日本的销量如图1 - 1 所示。在日本，二氧化碳热 泵热水器迄今为止已经商业化9 年了，其技术和市场已经相对成熟。但日本商家还没有 大面积向世界其它国家推广，只是在尝试开拓海外市场。可以预见，随着二氧化碳技术 的日益成熟和成本的下降，环保节能意识强的国家将会让二氧化碳热泵在市场上占有一 席之地。 2 0 0 12 0 0 22 0 0 32 0 0 42 0 0 52 0 0 62 0 0 7 2 0 0 8 1 0 ( 卑虞) 图1 - 1 日本c 0 2 热泵的销售状况 2 f i g 1 1t h es a l eo fe c oi nj a p a n 1 3 国内外研究现状 国内外对c 0 2 热泵作了大量的研究，主要集中在循环模拟及实验、换热系数经验公 式的选择、节流元件的应用、换热器的设计及实验模拟等。 g r e g o r yt p a i n l e y 3 、k l a u ss p i n d l e r 4 、p k b a n s a 5 等对经验公式进行 了很好的总结；c h a n g - h y os o n a 6 、r i ny u ne 7 等通过实验测试换热系数，并与经验 公式进行对比；l g a o 8 、y a s u h i r ok a w a g u c h i 9 、c d a n g 1 0 等研究了润滑油对 换热性能的影响；m a n - h o ek i m 1 1 、j o h ne r i cl i n d e 1 2 、j p e t t e r s e n t 1 3 、c h a n g y o n gp a r k 1 4 、j i nm i nc h o 1 5 、p e t t e rn e k s a 1 6 、f z o g g i a 1 7 等对换热器进 行了实验或模拟研究；清华大学 1 8 2 0 对水平管换热进行了研究，并与企业合作对微 通道进行了实验研究。下面分类介绍不同条件下的换热和压降研究，以便了解国内外相 关的研究情况。 1 3 1 不带润滑油的换热研究总结 国内外学者对不带润滑油的c 0 2 换热及压降进行大量的实验研究，对不同管径、不 同工作压力、不同质量流率、不同热流密度进行了综合研究，表1 - 2 中列举了比较典型 的几个研究。对不带润滑油的c 0 2 换热及压降，都采用的是小管径，管径在0 5 - 7 7 5 m m 一4 一 田d d d d 心口d d剐柏趵柏如。 中山大学硕士学位论文 之间，由于小管径能够承受更高的压力，且二氧化碳的工作压力高，可以承受更高的压 降。入口压力范围7 4 1 0 1 m p a ，入口温度范围1 5 1 1 0 ，压力范围基本是二氧化碳系 统高压侧工作压力，温度覆盖范围很广，压力和温度的研究范围基本上涵盖了二氧化碳 在气冷器中的工作情况，对于气冷器的研究是很有意义的。质量流率的范围较大，在 11 0 , - - 1 2 0 0 k g m 2 s 之间，涵盖了二氧化碳系统的质量流量，这些换热和压降的研究对二 氧化碳系统的设计奠定了理论基础。 表1 - 2 不带润滑油的c 0 2 换热及压降研究 t a b l el 一2c 0 2h e a tt r a n s f e ra n dp r e s s u r ed r o pw i t h o u tl u b r i c a t i n go i l 1 3 2 带润滑油的换热研究总结 现有文献虽然对带润滑油的c 0 2 物性参数研究不多，但由于c 0 2 热泵日益受到关注， 对于比较符合实际情况的带润滑油的换热研究也日益增加，甚至对于适合c 0 2 应用的润 滑油特性也进行了研究。由于润滑油被c 0 2 带进系统的各个部件，并在部件中有所积累， 两换热器由于空闻大，其中的润滑油积累量也较多，因此润滑油对换热和压降都有很大 影响。如果对带润滑油的c 0 2 换热及压降进行详细的研究，可以更加真实的反应系统中 换热器的换热和压降情况，有利于系统的设计。因此此处总结现有文献对含润滑油的c 0 2 换热和压降的实验研究，下面分冷却和蒸发两部分来分析润滑油对c 0 2 换热的影响。 家用空气源二氧化碳热泵热水器实验及模拟 润滑油对冷却过程换热影响 表1 - 3 是一些关于带润滑油的c 0 2 冷却过程的换热实验研究文献，就其中具有代表 性的两个文献进行说明。k u a n ge ta 1 ( 2 0 0 3 ) 2 1 实验结果表明：随着润滑油含量的 增加，换热效率下降。而在临界点附近，变化尤其剧烈。其主要由于在临界点附近，c 0 2 的比热变化很大。与不带润滑油的换热相比，含油率o - - 一2 w t 区域是换热效率快速下降 区域，换热效率下降了4 5 ，而且在假临界点出变化剧烈。2 一- 3 w t 区域换热效率变化很 小，比较稳定；3 5 w t 变化在1 5 左右。5 w t 时的换热效率比不含润滑油的换热效率 下降了6 0 。实验的压降结果的趋势基本和换热相似，不过变化幅度不同，5 w t 时的压 降比不含润滑油的压降增加了8 0 由此可见，润滑油的存在使换热效率降低，压降增加， 给系统带来了很多负面影响，因此如果压缩机自带油分将对系统的性能有一定的帮助。 表1 - 3 带润滑油的c 0 2 超临界冷却的实验研究 t a b l el 一3c o o l i n gh e a tt r a n s f e ro fs u p e r c r i t i c a lc 0 2w i t hl u b r i c a t i n go i l 一6 一 中山大学硕士学位论文 d a n ge ta 1 ( 2 0 0 6 ) 1 0 实验测试了1 、2 、4 和6 m m 四种管径的换热及压降情况， 并且在不同质量流率、不同热流密度、不同含油量的情况下进行了实验，实验结果与不 含润滑油的相关参数的对比如表卜4 所示。当管径为4 m m 时，换热效率和压降都减少最 多，达到一个峰值。 表卜4 与无润滑油参数对比，换热系数的减少比率 t a b l e1 4d e c r e a s er a t i oo fh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t c o m p a r e dw i t ho i l 一f r e ec o n d i t i o n 润滑油对蒸发过程换热影响 表1 - 5 是关于带润滑油的c 0 2 蒸发过程的换热实验研究文献。g a o & h o n d a ( 2 0 0 6 ) 8 实验研究结果显示：1 ) 在相同实验条件下，润滑油含量在0 - - 0 1 1 w t 区间换热系数变 化较大；o 1 1 - - 0 5 7 w t 基本没有变化。而且0 1 1 o 5 7 w t 之间，在干度为0 8 时突然 减小，有可能在实验条件下，干度为0 8 时是干涸点，从而使换热恶化。2 ) 在含油量 o 1 1 o 5 7 w t 区间，热流密度对换热系数影响不大，且在实验条件下，在某一干度点 开始下降；质量流率对换热系数影响较大，随着质量流率的增加而增加，而且质量流率 不同，换热效率突然下降的干度点也不同，随着质量流量的增大，干涸点的干度变小。 家用空气源二氧化碳热泵热水器实验及模拟 表1 - 5 带润滑油的c 0 2 沸腾换热的实验研究 t a b l el 一5b o i l i n gh e a t t r a n s f e ro fc 0 2w i t hl u b r i c a t i n go i l 总结这些实验结果可以得出：1 ) 管径为2 m m 时，当润滑油含量为0 - - 0 5 时，换热 系数变化很大；0 5 5 时，换热系数变化不大。管径为4 m m 时，当润滑油含量为o 1 时，换热系数变化很大；1 5 时，换热系数变化不大。不过两者的干涸点不同，4 m m 时的要小些，主要是由于4 m m 的实验条件中质量流率是7 2 0k g ( m 2 s ) ，比2 m m 管径的 实验条件3 6 0kg ( m 2 s ) 大。2 ) 在2 m m 管中润滑油含量为l 时，热流密度为4 5 - - 9k w m 2 换热系数变化不大；4 5 9k w m 2 换热系数变化较大，且随着热流密度的增加而增加 但在某一干度点发生突变后，热流密度对换热影响很小。在较大质量流率时，干涸点的 干度变小，热流密度对换热效率在整个干度影响都不大。也就是说，在质量流率较小时， 在干涸点前，热流密度对换热系数的影响很大：在质量流率较大时，热流密度对换热系 数的影响不大。3 ) 对2 - 6 r a m 管径而言，管径越小，随着热流密度的升高，换热效率也 随之增大。4 ) 随着润滑油的增加，压降也增大。在润滑油含量一定时，管径在2 - 4 m 区间，随着管径增加，压降增加很快：在4 - 6 r a m 区间变化不大。润滑油含量为0 5 时， 在2 m m 管径中压降没有变化，在4 m m 和6 m m 管中压降变化也很小，因此对于一定的管径 中山大学硕士学位论文 而言，存在一个让压降突然上升的突变点。 1 3 3 对换热研究小结 通过国外文献，对润滑油对换热和压降的影响进行了总结，并从两个方面进行总结： 冷却过程和蒸发过程。对于冷却过程，主要对k u a n ge ta 1 ( 2 0 0 3 ) 和d a n ge t a 1 ( 2 0 0 6 ) 两个典型的实验研究进行了总结，从实验结果看出，在小管径( 小于2 m m ) 中， 润滑油含量少于1 ，换热系数下降就很快；在稍大的管径( 大于4 m m 且小于6 m m 中) ， 润滑油含量在i - - 一3 ，换热系数下降较快。当然有可能随着管径的增大，润滑油含量要 进一步提高才会出项换热系数的快速下降，因此可以得出：1 ) 采用大管径的管道；2 ) 小管径管道时，建议装备油分离器；如果采用微通道管，采用的油分要求更高。而质量 流率的越大，换热系数越高，而采用大管径对于相同的质量流量而言会减小质量流率， 因为对于制热量一定的系统，质量流量的变化不大。因此为了保持较高的换热系数，应 采用小管径+ 油分的结构更好。对于油分的要求，管径小于2 m m 时，油分出口的制冷剂 的有含量越低越好；对于管径大于4 m 时，只要油分出口的制冷剂的油含量低于1 就达 到要求。对于热流密度，由于所选文献中提及很少，但从压降在不同热流密度的数值来 看，在相同的质量流率下，热流密度高时，压降较高，但在含油量低于1 时，压降并没 有很大，因此采用小管径+ 油分是完全可行的。 对于蒸发过程，主要对g a o & h o n d a ( 2 0 0 6 ) 和d a n ge ta 1 ( 2 0 0 6 ) 两个典型的实 验研究进行了总结，从实验结果看出，不管含油量多少，都有以下结论：质量流率对换 热效率影响很大，而且质量流率越高，干涸点对应的干度越低。也就是说，虽然质量流 率越高，换热效率越大，但换热效率突然下降的突变干度点也越小。不过两篇论文对含 油量多少和热流密度对换热效率的影响有所不同。g a o & h o n d a ( 2 0 0 6 ) 表明，在含油量 低于0 1 1 时，换热效率下降很快，在o 1 1 - - 0 5 7 时，变化不大，突变点在0 1 1 ( 实 验管径为3 m m ) 。热流密度对换热效率影响不大。而d a n ge ta 1 ( 2 0 0 6 ) 表明，在2 m m 管径时，突变点在o 5 ，4 r a m 时在1 。在质量流率较小时，热流密度对换热效率影响较 大。虽然有所不同，但定性角度是相似的，在润滑油含量很少的时候换热效率就快速下 降，达到一定量后变化不大。因此要严格控制含油量是最佳方法，而且油量在低于o 5 时，压降基本没有增大。而对于管径的选择，由于质量流率越高，换热效率也越高，但 其突变点出现得越早，虽然在突变之前换热系数很高，但区间较小。因此综合考虑，管 径不宜太大也不宜过小，但由于相关参数有限，并不能定量计算管径为多大时，平均的 换热效率最大。目前对于蒸发器主要只有两种型式：翅管式和微通道。 一9 一 家用空气源二氧化碳热泵热水器实验及模拟 1 3 4c 0 2 热泵系统相关研究 s t e f a ne l b e l 2 2 、a h a f n e r 2 3 、d a q i n gl i 2 4 、j i a n - q i a n gd e n g 2 5 对带 喷射器c 0 2 循环进行了研究；r y o h e iy o k o y a m a 2 6 、j r i g o l a 2 7 、j a n i rf a r t a j 2 8 、 n e e r a ja g r a w a l 2 9 、s t i e b e le l t r o ng m b h 3 0 、j s t e n e 3 1 、j s t e n e 3 2 、 w i n a n d ye r i c 3 3 、s a d e y e f a 3 4 、c a p r e a 3 5 研究了不同参数对系统性能的影响； w i l h e l mt e g e t h o f f 3 6 、c t o u b l a n c 3 7 、n e e r a ja g r a w a l 3 8 对节流元件进行了研 究；y a n gb i n g c h u n 3 9 、z h a n gb o 4 0 对膨胀机进行了研究：k l a m b e r s 4 1 、k t o o i 4 2 、c w b u l l a r d 4 3 对压缩机进行了研究；国内天津大学 4 4 - 4 5 对c 0 2 热泵热 水器作了全面的研究，设计了膨胀机和气冷器；西安交通大学 4 6 - 4 7 对c 0 2 压缩机和 膨胀机进行了深入研究；还有其他学者和企业也在c 0 2 系统研究作出了探索。 下面主要从c 0 2 循环、c 0 2 零部件、c 0 2 模拟等方面进行研究总结，以寻求近年国 内外学者主要关注的c 0 2 系统的研究问题。表i - 6 总结了近十年来样机开发的情况，从 表中可以看出，多个国家对c 0 2 系统进行了研究，c 0 2 系统样机的研发也包括多个方向： 热泵热水器、空调、烘干机等。从表中可以看出，二氧化碳热泵最早是在德国、挪威、 日本等国开始研究，挪威是最早提出二氧化碳跨临界系统的国家，日本将该技术发扬光 大，实现了商业化。中国对二氧化碳热泵系统研究最早的是天津大学，主要是水源热泵 在所列举的热泵热水器样机中，压缩机主要采用的是活塞式压缩机和滚动转予式压缩 机。气冷器大多采用的是结果简单的套管式，也有少数采用的是管壳式。回热器也采用 的是逆流套管式。膨胀阀采用的有手动膨胀阀和电动膨胀阀。由于早期很多采用的大功 率的压缩机，因此均采用的是水源热泵型式，因此蒸发器也采用的是套管或管壳型式。 也有采用空气源热泵，蒸发器采用常规的翅片管式。但随着技术的发展，特别是日本二 氧化碳热泵热水器市场化后，技术的不断更新，对气冷器的设计日新月异，每个厂一商都 有自己设计的气冷器。而压缩机的改良已经使系统性能得到了很大的提升。从这些样机 的搭建情况来看，主要都是前期的能耗实验。主要是测试二氧化碳系统的c o p 和出水的 最高温度。没有对二氧化碳系统在不同工况下的系统运行情况，以及在f 么工况下，二 氧化碳比其他制冷剂的热泵系统更有优势等问题进行深入研究。不过从这些样机的搭建 工作和实验中可以找到适合以后实验台搭建的方向和思路。从这些样机巾可以发现，对 于家用空气源二氧化碳热泵热水器系统的研究很少，虽然日本对此已经实现了商业化， 但在有关文献中对此较少涉企，日本厂商也很少发表与此先关的研究文献，因此对于家 用空气源二氧化碳热泵热水器的系统化研究是很有必要的，特别是中国环保和节能意识 日益加强的环境下，对此研究可能在中国实现二氧化碳热泵热水器的商业化。 中山大学硕士学位论文 表l - 6 国内外样机开发总结 t a b l e1 6t h ep r o t o t y p ed e v e l o p m e n to fc 0 2h e a tp u m p 家用空气源二氧化碳热泵热水器实验及模拟 表1 - 6 国内外样机开发总结( 续1 ) 如表1 - 7 所示，国内外学者研究最多的循环是c 0 2 喷射循环、c 0 2 两级压缩循环等 喷射循环比c 0 2 基本循环多了一个喷射器，结构也很简单，文献大多以模拟为主，相关 设计和实验研究很少，而且主要针对喷射器部件。而两级压缩主要针对低温工况的研究， 中山大学硕士学位论文 由于结果复杂，成本较高，大多也以模拟为主。而中间补气的准两级压缩循环是低温工 况应用的最佳模式，安装成本和空间相对较低。 表1 - 7c 0 2 循环研究 t a b l e1 7t h er e s e a r c ho fc 0 2c y c l e 表i - 8 总结了二氧化碳压缩机的研究，主要集中在滚动活塞式压缩机和涡旋压缩机， 都关注了泄漏对压缩机性能的影响，致力于从内部结构的优化来提升压缩机性能，从而 提升系统性能。不同的机械结构，必然会带来不同的压缩机绝热效率、体积效率。 表i - 8 压缩机研究总结 t a b l el 一8t h er e s e a r c ho fc o m p r e s s o r 家用空气源_ 氧化碳热泵热水器实验及模拟 表卜9 总结了国内外学者对c 0 2 系统中蒸发器和气体冷却器的研究，对与蒸发器而 言，主要有两个主要的型式：翅片管式和微通道式。翅片管式是现有家用空调、热泵的 主流蒸发器，但由于对空间的限值，对于体积小、性能优良的微通道换热器也日益受到 关注。因此对于蒸发器和空调中气冷器，微通道换热器的研究是主流，主要关注微通道 结构设计、微通道经验公式研究等方向。而对于热泵热水器的c 0 2 - 水气体冷却器，也有 很多不同思路，对于传统的套管式，以及新的机构型式的气冷器都时有出现，可见气体 冷却器的更新也是国内外学者提高c 0 2 性能的关注点。 表1 _ 9 换热器研究总结 t a b l e1 9t h er e s e a r c ho fh e a te x c h a n g e r 中山大学硕士学位论文 表1 - 9 换热器研究总结( 续) t a b l e1 - 9t h er e s e a r c ho fh e a te x c h a n g e r ( c o n t i n u e ) 表1 - 1 0 总结了节流元件的研究，在实验研究巾，主要都是采用手动减压阀和可调 电子膨胀阀。但针对节流元件单个部件的研究，主要是对毛细管和膨胀机的研究。对于 毛细管的研究，主要是通过建立数学模型进行理论分析，以研究毛细管对整个系统的影 响。而由于膨胀机能够回收功，提高系统性能，因此受到了更多学者的关注。膨胀机的 研究有两个方向：单个膨胀机和压缩膨胀联体机。国内外学者相继研究出不同结构型式 的膨胀机和压缩膨胀连体机，虽然效率都很低，但作为系统提丁i 性能的一利有效方式， 有很大的研究意义。 家用空气源二氧化碳热泵热水器实验及模拟 表卜1 0 节流元件 t a b l e1 1 0t h r o t t l ed e v i c e 1 3 5c 0 2 仿真相关研究 选择国内外c 0 2 系统模拟研究的典型列于表1 - 1 1 ，y a n gc h e n 4 8 用e e s 软件对c 0 2 系统进行仿真研究；l u c ac e c c h i n a t o 4 9 ，p r a m o t el a i p r a d i t 5 0 将r e f p r o p 软件导 入f o r t r a n 编程软件中进行仿真研究：r y o h e iy o k o y a m a e t a l 对c 0 2 热泵系统中水箱 温度分布进行了模拟；p f a f f e r o t tt 5 1 3 对c 0 2 系统开关机进行了动态仿真，并提出 采建立c 0 2 系统数据库，建立软件模拟c 0 2 系统；上海交通大学 5 2 ，- - 5 4 对c 0 2 系统的 仿真进行了深入的研究。从国内外c 0 2 系统模拟研究可以看出，c 0 2 系统的稳态模拟已 经相当成熟，但针对c 0 2 系统的动态模拟，特别是c 0 2 系统全动态模拟过程还有待进一 步的发展。现有的动态模拟主要是关注系统的开关机过程，而对于热泵系统热水从水箱 排出，冷水进入水箱，同时热泵系统进行热水制取，这整个过程水箱的温度分布的模拟 和试验都是空白，而此项研究都是及其有意义的，因为这有助于进行智能化的控制模式， 使用户得到更加节能、舒适的热泵热水器产品，。因此对热泵制冷循环系统动态研究是 提高系统性能的有力方式，那么对于热泵系统水路的研究也有助于节能和舒适性产品的 出现，通过对整个系统的模拟有助于相关产品的不断优化，而且能够节约成本。 中山大学硕士学位论文 表卜i ic 0 2 系统模拟研究总结 t a b l el 一11t h em o d e lo fc 0 2c y c l e 1 4 本章小结 本章对二氧化碳的换热从带润滑油和不带润滑油两个方面进行了详细的总结，同时 对国内外二氧化碳热泵系统及其零部件的模拟和实验研究进行了综述，通过总结国内外 的研究发现，家用空气源二氧化碳热泵热水器的系统化的研究文献很少，在此调研的基 础上，课题将进行家用空气源二氧化碳热泵热水器系统化的实验，同时进行稳态模拟作 为后期优化的手段。 家用空气源二氧化碳热泵热水器实验及模拟 第二章系统流程分析 2 1c 0 2 与几种制冷剂对比 表2 1 中列出了几利哺4 冷剂的参数，从表中可以看出，二氧化碳的环保性能和安全 性能是相当良好的。从物性数据看，二氧化碳的临界压力高、临界温度低，因此只能采 用跨临界循环才能制取高温热水。而高压是二氧化碳应用面临的最大问题。 表2 一l 几种制冷剂参数i ；5 5 t a b l e2 - 1t h ed a t ao fd i f f e r e n tr e f r i g e r a n t s 将表巾的几利- 制冷剂与二氧化碳进行热泵循环对，从制热量、制冷量、c o p 、出水 温度、制冷剂流量等方面进行全面的对比。 2 1 1 热力学模型 模拟的循环采用如图2 - 1 所示，左边是常用制冷剂热泵循环，用于r 2 2 、r 1 3 4 a 、r 2 9 0 、 r 4 1 0 a 、r 6 0 0 循环模拟；右边是二氧化碳热泵循环。两者的不同在于，常用制冷剂热泵 循环冷凝器中有过热、饱和、过冷三个阶段。而二氧化碳热泵循环在气冷器中假定处于 超临界，不存在相变。因此在模拟中两利循环的冷凝器或过热器将是模拟的重点，模型 如式2 - 4 至式2 - 1 2 所示，主要采用一n t u 方法计算。其中2 - 9 式是用于二氧化碳模拟 计算，式2 一l o 用于其他制冷剂过热或过冷段，式2 1 1 用于饱和段。式2 - 1 2 是采用l i a o e ta 1 经验公式求气冷器侧的最佳压力。蒸发器和节流阀就按照热力学公式，不进行详 细模拟。相关代码见附录a 。 中山大学硕士学位论文 模拟条件： 1 ) 2 ) 3 ) 4 ) 5 ) 6 ) 模拟模型： 压缩机： 冷凝器： 图2 - 1 不同制冷剂循环图 f i g 2 - it h ec y c l eo fd i f f e r e n tr e f r i g e r a n t s 7 f 矧2 7 1 阎 l 1l 1 过热度为1 0 ； 过冷度为5 ； 水流量为3 l m i n ；进水温度为2 0 ； 蒸发温度：- 2 5 m 5 _ - 2 5 ； 冷凝温度：5 卜5 0 - 一6 5 ； 气冷器出 j 温度：4 5 - 4 5 川0 ； 形岬= 磅( 么一属) 吸= 谚( 嚷一属) 叩打= o 8 1 5 + 0 0 2 2 ( 鲁) 一0 0 0 4 1 ( 鲁) 2 + o 0 0 0 1 ( 鲁) 3 包= 磅( 鹰一磊) q = m w g ( 乙一乙) 一1 9 一 ( 2 - 1 ) ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) ( 2 5 ) 家用空气源二氧化碳热泵热水器实验及模拟 蒸发器： 节流阀： 鳞。u a c l m j d ， 2 = s ，乞( 乃一t d ) n t u # = 箬 l m s = 1 一e x p ( 老删2 2 ( e x p ( 一( 导) 朋矿7 8 ) 一1 ) ) 1 - e x p 一n t u c ( 1 一、c 。m 。i n ，) 1 o 一谣酉面丽两 f = l e x p 一慨 ，= ( 2 7 7 8 0 0 1 5 7 z ) 互+ ( o 3 8 1 乃一9 3 4 ) q = 磅( 属一么) 属= 么 ( 2 - 1 1 ) ( 2 - 1 2 ) ( 2 - 1 3 ) ( 2 - 1 4 ) 2 1 2 模拟结果对比 ( 1 ) 常规工况对比 图2 - 3 显示了不同热泵系统中所需的制冷剂质量流量，可以看出，二氧化碳热泵系 统中的制冷剂流量最大，而r 2 9 0 和r 6 0 0 的质量流量较小，这主要是由于二氧化碳在工 作环境下密度比其它制冷剂大。 n 0 0 5 蛩o 0 4 v 0 0 3 唰0 0 2 辨 0 0 0 4 蜘 图2 3 不同制冷荆质量流量 f i g 2 3m a s sf l o wf o rd i f f e r e n tr e f r i g e r a n t s 图2 - 4 对比了不同制冷剂制热量的情况，在较高蒸发温度下，各利哺0 冷剂的制热量 相差不大。而当蒸发温度较低时，二氧化碳的制热量要比其它制冷剂大，表明二氧化碳 具有良好的低温制热性能。 妨 忉 秭 ” 叫 中山大学硕士学位论文 8 宝6 删4 荐i 2 雌0 6 5 04 型； 雌0 影”。二”。? “”。”l ! 巴= = ：= 搦 圜-曩 霸冒 耋指謇建一 盯“砼2砒斟 地矗4 1 0 a 骼o o1 , i 4 4e 2 2i i m a 矗n 0m l 啦聒0 0 图2 - 4 不同制冷剂铸0 毂i 量 f i g 2 - 4h e a tc a p a c i t yf o rd i f f e r e n tr e f r i g e r a n t s 图2 5 是热泵系统的热水温度，在2 5 c 蒸发温度下，5 0 2 冷凝温度下，热泵系统 的出水温度都是很接近的，差别不大；在6 5 冷凝温度下，r 2 2 热泵出水温度最高。而 在5 c 蒸发温度下，二氧化碳的出水温度最高，可以到达9 0 ，常规热泵在低温下制热 量迅速下降，导致了制热水相对困难，而且由于现有压缩机最高排气温度及排气压力的 限制，常规制冷剂的相变循环在低温区间应用受到了限制。 、1 0 0 p 8 0 韩 羽0 ，、8 0 r o 乙 羹： 羽0 1 1 7 4 4磁砒3 4 1 2 5 0r 4 1 髓i b 0 0对4 4勉1 1 3 4 k 矗2 9 0 耐1 0 t b o o 图2 5 不同制冷剂出水温度 f i g 2 - 5w a t e rt e m p e r a t u r eo u t l e tf o rd i f f e r e n tr e f r i g e r a n t s 虽然二氧化碳在蒸发温度较低的工况下，制热量还能保持一定水平，但在两种工况 下，二氧化碳的制热c o p 相对其它制冷剂还是较低( 如图2 - 6 所示) ，但二氧化碳可以发 挥其低温区域的优势，开拓低温区域市场。 8 6 害4 2 0 1 2 1 0 山 8 8 ： 2 0 r 7 4 4敲23 1 3 4 矗2 m 10 al i f t 0 0r 7 4 4舵21 1 13 4 r 2 钟r 4 10 j 骼0 0 图2 - 6 不同制冷剂的c o p f i g 2 - 6c o pf o r d i f f e r e n tr e f r i g e r a n t s 家用空气源二氧化碳热泵热水器实验及模拟 2 1 2 2 低温工况对比 表2 2 列举了部分北方城市采暖气候特点，从表中可以看出，最冷时期温度为一1 5 ，在东北某些其它区域内温度会更低，根据现有热泵热水器的相关标准，本文低温工 况模拟采用一2 5 。c 的蒸发温度，常规工况对比可以看出，在蒸发温度较低的工况下，二 氧化碳的制热量还保持很高的水平，本章节将对比不同制冷剂热泵系统的低温工况性 能。 表2 2 部分北方城市采暖气候特点 5 6 t a b l e2 2t h ec li m a t ef o rh e a t i n gi ns o m en o r t hc i t i e s 图2 7 显示了在低温工况下制冷剂流量情况，可以看出，在低温工况下二氧化碳热 泵的质量流量最大，r 6 0 0 最小，二氧化碳质量流量是r 6 0 0 的3 倍多，在低温工况下， 能够保持高流量直接决定对系统制热性能的保持。 图2 - 7 低温工况质量流量 f i g 2 - 7m a s sf l o wi nl o wt e m p e r a t u r ec o n d i t i o n 中山大学硕士学位论文 图2 - 8 是低温工况下的制热量，最低的是r 6 0 0 ，二氧化碳的制热量高一般而言，低 温工况下，由于高压比，导致流量迅速减少，从而使制热量急剧下降，因此如何保证低 温工况制热量不下降至过低水平，是热泵产品的关键。因此，二氧化碳与其它制冷剂相 比，低温性能优势明显。 图2 8 低温工况制热量 f i g 2 - 8h e a tc a p a c i t yi nl o wt e m p e r a t u r ec o n d i t i o n 图2 9 是低温工况下出水温度对比，二氧化碳出水温度接近1 0 0 c ，其它制冷剂保 持在5 0 c 左右，虽然模拟结果不能对实际结果完伞进行定量分析，但可以进行定性对比 分析。在水流量不变的情况下，制热量高必然会带来高水温。其它制冷剂与常规工况比， 水温有所下降，说明其它制冷剂在低温工况下，制热量出现明显下滑。 图2 - 9 低温工况出水温度 f i g 2 - 9w a t e rt e m p e r a t u r eo u t l e ti nl o wt e m p e r a t u r ec o n d i t i o n 家用空气源二氧化碳热泵热水器实验及模拟 单从c o p 角度看( 如图2 - 1 0 所示) ，二氧化碳并不具备优势，但在低温区域，是在 保证一定c o p 的基础上，达到要求的制热量才是热泵热水器的关键，因此综合考虑来看， 二氧化碳的低温区域性值得进行深入研究和拓展。 图2 1 0 低温工况下c o p f i g 2 10c o pi nl o wt e m p e r a t u r ec o n d i t i o n 由于压比太高，导致超过了压缩机运行范围，压缩机自保护关机，低温工况下很多热 泵机组无法运行。如图2 1 l 所示，r 6 0 0 虽然c o p 最高，但压比也是最高的，已经超过 了1 0 ，在实际情况下，r 6 0 0 热泵系统已经无法运行。除了二氧化碳热泵系统外，其它 制冷剂的压比均超过8 ，无法在如此低温况下运行，而二氧化碳在牺牲一点制热量条件 下，压比还可以有所下降因此只要保持1 5 以上的c o p ，在- 2 5 下正常稳定运行，同 时达到要求的制热量，二氧化碳热泵热水器就具有广阔的应用市场。 图2 - 1 l 低温工况下压比 f i g 2 11p r e s s u r er a t i oi nl o wt e m p