二氧化碳热泵系统

二氧化碳热泵系统CO2热泵的背景、产生原因等CO2热泵系统及原理带有喷射器的跨临界循环二氧化碳热泵系统二氧化碳热泵的实际应用1234展示内容CO2热泵的背景、产生原因等1CO2性质

优点：1.ODP=0，GWP=1

2.具有良好的安全性和化学稳定性3.安全无毒不可燃，即便在高温下也不分解产生有害气体4.与制冷循环和设备相适应的热物理性质，单位容积制冷量高、运动黏度低5.制冷循环的压缩比要比常规工质制冷循环低，压缩机的容积效率可维持在较高的水平

6.优良的流动和传热特性——可显著减小压缩机与系统的尺寸，使整个系统非常紧凑，而且

运行维护比较简单，具有良好的经济性能7.绝热指数大不足：

运行压力较高和循环效率较低（CO2单级压缩跨临界循环的制冷系数要低于R22、R134-a等传统工质的制冷系数）CO2性质常温下的CO2是一种无色、无味的气体，临界温度和临界压力分别为31.1℃和7.37MPa

表1不同制冷剂的热力性能以及环境性能对比CO2制冷剂兴起的原因CO2在20世纪初广泛应用于空调以及船舶的制冷系统中，当热力性能优越的CFCs等的出现，CO2基本退出了制冷界1985年的《保护臭氧层的维也纳公约》——>1987年的《蒙特利尔议定书》

——>1990年伦敦会议——>1992年哥本哈根会议对蒙特利尔议定书的修正——>1997年的《京都议定书》

世界范围内的CFCs替代进程在不断加快

90年代初，前国际制冷学会主席G.

Lorentzen提出了CO2跨临界循环理论，指出如果采用跨临界循环，CO2系统的性能将极具有竞争力CO2热泵热水器随着人们对生活质量和舒适性的追求，用热需求也越来越迫切，热水供应已成为日常生活中必不可少的一部分，热水用能作为当今世界最主要的能源消耗方式之一。在美国、欧盟和中国，热水用能分别占民用能源总能耗的17%、14%和27%较于电热水器和燃气热水器的安全隐患和太阳能热水器受环境影响的局限性等，空气源热泵热水器具有安全、无毒和较高的产热效率等优点，结合CO2作为制冷剂的优势，推广潜力较大CO2热泵热水器制冷剂R410aCO2ODP(大气臭氧层破坏指数)00GWP(全球气温变暖指数)17301高压/MPa3.012.0低压/MPa0.83.5压差/MPa2.28.5吸气密度/(kg/m3)2989单位制冷量kJ/kg144219kJ/m3417219503表2

CO2制冷剂在热泵实际系统中的压力等参数CO2热泵热水器的跨临界循环CO2热泵——政策、标准2014年9月，中国国家发展和改革委员会公布了热泵热水器能效标识，展示出政府和公众对热泵能效的关注以及热泵未来的一个发展趋势———低效率的热泵最终将被淘汰，高效率的热泵逐渐走向市场，如CO2热泵2015年12月，国家推荐性标准《以CO2为制冷剂的热泵热水器技术要求和试验方法》即将制定。该标准由全国家用电器标准化技术委员会归口，由中国家用电器研究院、青岛经济技术开发区海尔热水器有限公司等单位组织起草。CO2热泵发展挪威NTNU—SINTEF于二十世纪九十年代研制了可用于商业生产的样机，Petter在其论文中论及了该热泵热水器的特性、结构及实验结果1995年，日本的M.Ssikawa、K.Kusakari实现了热泵热水器的商业化，当时该机组经改善后，COP可大于3.0——日本成为世界上发展CO2家用热泵热水器并规模化生产最早的国家。在日本，CO2热泵热水器以其良好的节能生态性能被称为”EcoCute”(生态精灵)在国内，对与CO2热泵的研究起步稍晚，天津大学于2000年组建我国第一台CO2跨临界热泵实验台国内的相关领域专家对CO2跨临界循环系统及在热泵热水器应用等多方面做了理论分析与试验研究；但是，国内对CO2热泵技术的研究大多还处于理论分析及试验阶段，少数进行仿真分析2014年青岛海尔宣布生产出国内第一台CO2热泵热水器，但是并未在国内市场广泛推广开来参考文献[1]李先碧,冯雅康.二氧化碳跨临界循环制冷的开发与研究进展[J].制冷与空调：四川,2008,22(2):99-103.[2]李慧,曹祥,张春路.二氧化碳热泵技术的发展及应用案例分析[J].化工进展,2016(S2).[3]陈毅敏,高为,胡钰,等.二氧化碳热泵技术进展[J].化学工业,2016,34(2):38-41.[4]周子成.二氧化碳热泵热水器[J].制冷与空调,2005,5(4):9-18.[5]朱开鼎,陈海峰,窦丹,etal.二氧化碳热泵热水器的分析[J].制冷与空调(四川),2011,25(5):501-504.[6]马飙,冀兆良.二氧化碳制冷剂的应用研究现状及发展前景[J].制冷,2012,31(3):36-43.[7]徐洪涛,袁秀玲,李国强,etal.跨临界循环二氧化碳在热泵型热水器中的应用研究[J].制冷学报.[8]

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GWP为1

无毒，不可燃，化学性质稳定较高单位容积制冷量，粘度小临界温度低（31.1℃）超临界CO2粘度急剧变小热容增大换热温差小运行压力高安全性可保证换热温差减小CO2热泵原理CO2热泵压缩机活塞式压缩机涡旋式压缩机螺杆式压缩机划片式压缩机分类CO2热泵压缩机活塞式压缩机涡旋式压缩机螺杆式压缩机划片式压缩机分类提高承压强度改进能量调节方式降低运动部件磨损降低运行噪音回收膨胀功改良方向CO2热泵气体冷却器耐压强度高管径小换热强特点CO2热泵节流装置对于节流装置，CO2高压侧压力能达到9~14MPa，低压侧一般为3~4MPa过热损失和节流损失均较大特点解决方法通过改变节流装置，回收膨胀功通过减小节流装置两侧压差，从而减小节流损失参考文献【1】马一太,王派,张启超,李敏霞,蔡思淇.CO_2热泵热水机发展现状[J].制冷与空调,2018,18(10):67-71.【2】李椿,王志华,王沣浩,许怡博,戢坤池,高秀芝.CO_2热泵研究现状及展望[J].制冷学报,2018,39(05):1-9.【3】朱开鼎,陈海峰,窦丹,李九良.二氧化碳热泵热水器的分析[J].制冷与空调,2011,25(05):501-504.【4】熊涛,罗会龙,向开根,杜培俭,藤间克己.二氧化碳热泵的经济分析[J].煤气与热力,2014,34(01):26-29.【5】郭蓓,彭学院,邢子文.二氧化碳热泵热水器系统及压缩机的研发现状[J].家电科技,2005(09):42-44.带有喷射器的跨临界循环二氧化碳热泵系统3常规跨临界CO2热泵简化条件1.忽略蒸发器、气体冷却器以及系统连接管路中的压降损失；2.假定系统不存在漏热损失；3.蒸发温度、压缩机排气压力、气体冷却器出口温度、蒸发器出口制冷剂过热度为给定值；4.节流过程视为等焓过程。图1常规跨临界CO2热泵系统流程图[1]图2常规跨临界CO2热泵系统压焓图带喷射器的跨临界CO2热泵

低压低温气体在压缩机中被压缩至超临界形成高压、高温气体，然后进入冷凝器中，被介质冷却后作为工作流体进入喷射器，另一方面从喷射器出来的气液混合状态的CO2进入气液分离器后，分离成饱和蒸汽和饱和液体，其中饱和液体经过节流阀等焓降压后进入蒸发器中吸热形成饱和蒸汽，饱和气态的制冷剂作为引射流体进入喷射器中同工作流体在喷射器的混合室中进行混合，如此完成循环。·回收部分由于节流装置降压损失的功耗；·提高压缩机的吸气压力，降低压比，降低压缩机耗功；图3带喷射器的跨临界CO2热泵循环系统模型[2]图4带喷射器的跨临界CO2热泵循环系统压焓图喷射器

喷射器由喷嘴、接受室、混合室和扩压室4部分组成，工作流体流进喷嘴后喷出时是超音速状态[3]，之后流进接受室中，高压的工作流体吸引来自蒸发器的低压流体流进接受室，工作流体与引射流体发生混合，并以相同速度进入和混合室完成换热形成中压流体，最终混合后的流体流进扩压室，速度降低，压力稍有升高。

图5喷射器几何结构以及压力分布[1]

喷射器特征曲线

推导过程假设[4]1.工作流体和引射流体在喷嘴出口截面1-1与圆柱形混合室入口截面2-2之间那一段上不发生混合；2.工作流体与引射流体等压混合；3.在喷射器的接受室中引射介质压力仍为PH；4.忽略工作流体和引射流体在输入管道中的初速度和扩压室出口混合流体速度；图6喷射器工作过程示意图喷射器激波特性

工作流体通过缩放喷嘴产生超音速流体[5]，在混合室内与引射流体混合，在喷射器内部产生钻石激波和正激波。激波产生的速度压力突变一方面有利于混合流体出喷管前压力升高，另一方面也是对喷射器结构强度的考验。正激波钻石激波

正激波上下游马赫数关系Fanno流动——等截面绝热，有摩擦的流动

等截面管临界条件，出口Ma2=1

带有喷射器的跨临界CO2热泵性能理论分析假设：制冷剂在蒸发器出口处为饱和气体；冷却过程为定压过程；CO2工质在进入压缩机前未被过热。

带有喷射器的跨临界CO2热泵性能影响实例分析确定初始条件如下：

压缩机排气压力在7~9MPa之间变动，冷凝器流体换热后的温度为35℃，过热度设定为5℃，蒸发温度为0~10℃，喷嘴效率0.7，引射效率(系数）0.7，扩压效率0.8，工质为二氧化碳，由此可得结果[3]：图7蒸发温度对COP的影响（压缩机排气压力为8MPa）图8压缩机排气压力对COP的影响（蒸发温度为5℃）带有喷射器的跨临界CO2热泵性能影响实例分析图10压缩机排气压力对压缩机排气温度影响（蒸发温度为5℃）图9蒸发温度对压缩机排气温度影响（压缩机排气压力为8MPa）参考文献[1]亓海明.带喷射器的跨临界CO_2热泵热水系统的性能研究[D].浙江大学,2015.[2]方冬.二氧化碳压缩/喷射制冷循环模拟[D].南京理工大学,2013.[3]董方日.带喷射器的跨临界CO_2热泵的研究[D].大连理工大学,2015.[4]方冬.二氧化碳压缩/喷射制冷循环模拟[D].南京理工大学,2013.[5]王思贵,毕荣山,郑世清.蒸汽喷射器混合段流场激波特性分析[J].计算机与应用化学,2016,33(09):1008-1012.[6]刘芬,杜圣飞,王龙飞,王庆仙.蒸汽喷射器的CFD模拟研究[J].冶金能源,2017,36(02):31-34+37.[7]杨勇,李熠桥,沈胜强,李鹏,张琨,牟兴森.蒸汽喷射器中的激波效应[J].工程热物理学报,2014,35(07):1419-1423.[8]徐肖肖,陈光明,唐黎明,梁利霞,朱治江.带喷射器的跨临界CO_2热泵热水器系统的实验研究[J].西安交通大学学报,2009,43(11):51-55.[9]龚秀峰,李敏霞,马一太,张志巍.跨临界CO_2蒸气压缩/喷射制冷循环分析[J].工程热物理学报,2014,35(