跨临界CO2热泵系统变工况性能的试验研究

论文摘要

本文研究的主要方向是自然工质CO2在热泵领域的应用，首先对其进行理论分析和数值模拟，然后通过搭建跨临界CO2热泵系统试验台，研究其在不同的试验工况下的性能特性，找出使系统运行最优化的试验工况，为其市场化提供数据支持和试验参考。由跨临界CO2热泵系统循环的热力学理论可知，系统中的各个基本参数对热泵热水机的性能均有影响，通过模拟计算，研究各参数对系统性能COPH的影响。在模拟的过程中，只改变一个参数，其他参数保持不变。结果显示：系统COPH随着蒸发温度tev的升高而升高；气体冷却器制冷剂侧出口温度tgas-out越低，系统COPH越高；压缩机效率ηi与系统COPH成正比关系；吸气过热度Δt′对系统性能影响不大，但呈现减小趋势；当高压侧压力Pcond升高时，系统系统COPH先升高后降低，存在一个最大值。为了很好的测量跨临界CO2热泵系统在各个工况下的性能参数，找出提高热泵系统性能的措施。我们对热泵系统的结构进行改进，改进后的系统有以下特点：（1）换热器：选择同轴套管式换热器，内管采用螺旋镍白铜管，可以强化水侧和制冷剂侧的扰动，增强换热器的换热系数；同时也可以减弱水侧的结垢现象。（2）节流方式：该系统采用两种节流方式，第一种采用一个节流阀对系统进行节流；第二种采用两个节流阀对系统进行节流，第一个节流阀调节高压侧压力，第二个节流阀调节低压侧压力，中间的储液器平衡在节流过程中产生的压力波动。（3）回热器：该系统可以在有回热器和无回热器两种状态下运行，因此可以研究回热器对跨临界CO2热泵系统性能的影响。试验表明：（1）该系统管路采用外径为10mm，壁厚为1mm的紫铜管，完全能够胜任系统的耐压要求；换热器采用同轴套管式的，其内管为螺旋镍白铜管。换热器的换热效果良好，气冷器和蒸发器的传热系数最大值分别为636w/（m2·k）和450w/（m2·k），系统运行稳定。（2）蒸发温度tev为-5℃，当终止水温度tter,w为45℃和50℃时，跨临界CO2热泵系统的COPH随着高压侧压力Pcond的升高而降低；当终止水温度tter,w为55℃、60℃和65℃时，热泵系统的COPH随着高压侧压力Pcond的升高先升高后降低，存在一个最大值，其所对应的高压侧压力为最优高压侧压力Popt。（3）在高压侧压力Pcond和蒸发温度tev不变的条件下，热泵系统的COPH随着终止水温度tter,w的升高而降低。（4）当蒸发温度为-5℃，水源温度为15℃，初始水温度为25℃，终止水温度为50℃，当高压侧压力低于9.4Mpa时，有回热器系统的COPH低于无回热器系统的COPH；但回热器对压缩机的吸气温度tsuc升高有很大的作用，可以防止压缩机液击，在压缩机停机时更好的回油；此外，回热器对蒸发器和气冷器的差压ΔP有降低作用。（5）蒸发温度tev越低，压缩机的排气温度tdis越高。当蒸发温度tev为-10℃，高压侧压力Pcond为7.5MPa，终止水温度为45℃时，压缩机的排气温度tdis可达到110℃；如果高压侧压力Pcond达到9.5MPa，压缩机的排气温度tdis可达到150℃，故该系统的蒸发温度tev不易低于-10℃。

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摘要

ABSTRACT

第一章绪论

1.1 课题研究的背景及意义

1.1.1 课题研究的背景

1.1.2 课题研究的意义

2 的发展史'>1.2 CO₂的发展史

2 亚临界循环'>1.2.1 CO₂亚临界循环

2 跨临界循环'>1.2.2 CO₂跨临界循环

2 热泵技术的研究现状'>1.3 国内外 CO₂热泵技术的研究现状

1.3.1 国外的研究现状

1.3.2 国内的研究现状

2 热泵热水器存在的问题和解决方法'>1.4 CO₂热泵热水器存在的问题和解决方法

1.5 本课题研究的内容和方法

1.5.1 本课题的研究内容

1.5.2 本课题的研究方法

2热泵系统的热力学分析'>第二章跨临界 CO₂热泵系统的热力学分析

2 热泵循环的特点'>2.1 跨临界 CO₂热泵循环的特点

2 热泵系统性能的因素'>2.2 影响跨临界 CO₂热泵系统性能的因素

2.2.1 蒸发温度tev 对热泵系统的影响

2.2.2 气体冷却器制冷剂侧出口温度tgas-out 对热泵系统的影响

2.2.3 吸气过热度?t′对热泵系统的影响

2.2.4 压缩机效率ηi 对热泵系统的影响

2.2.5 系统高压侧压力 Pcond 对热泵系统的影响

2.3 本章小结

2水源热泵系统的设计及设备选型'>第三章跨临界 CO₂水源热泵系统的设计及设备选型

2 水源热泵系统的设计'>3.1 跨临界 CO₂水源热泵系统的设计

3.2 压缩机的选型

3.3 换热器换热面积的计算

3.3.1 气冷器的换热面积计算

3.3.2 蒸发器的的换热面积计算

3.3.3 回热器（IHE）的选择

3.4 膨胀阀的选型

3.5 高压侧安全阀的选型

3.6 变送器的选型

3.7 软化水设备的选型

3.8 恒温箱的选型

3.9 其他设备的选型

3.10 本章小结

2水源热泵系统的安装与调试'>第四章跨临界 CO₂水源热泵系统的安装与调试

2 水源热泵系统'>4.1 跨临界 CO₂水源热泵系统

4.1.1 制冷循环系统

4.1.2 水循环系统

4.1.3 数据测量系统

4.1.4 数据采集系统

4.1.5 电力控制系统

4.2 试验前的准备工作

2 热泵系统的气密性试验'>4.2.1 跨临界 CO₂热泵系统的气密性试验

2 热泵系统的抽真空'>4.2.2 跨临界 CO₂热泵系统的抽真空

4.3 试验研究的方法和步骤

4.4 本章小结

2热泵系统的试验结果与分析'>第五章跨临界 CO₂热泵系统的试验结果与分析

ev 对热泵系统性能的影响'>5.1 蒸发温度t_ev对热泵系统性能的影响

cond 对热泵系统性能的影响'>5.2 高压侧压力 P_cond对热泵系统性能的影响

ter,w 对热泵系统性能的影响'>5.3 终止水温度t_ter,w对热泵系统性能的影响

gas,r和压缩机排气温度t_dis与高压侧压力P_cond、终止水温度t_ter,w的关系'>5.4 换热器的差压P，制冷剂的质量流量q_gas,r和压缩机排气温度t_dis与高压侧压力P_cond、终止水温度t_ter,w的关系

5.5 回热器对热泵系统性能的影响

5.6 试验结果的误差分析

5.7 本章小结

第六章结论与展望

6.1 主要结论

6.2 展望

致谢

参考文献

附录

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