（制冷及低温工程专业论文）跨临界co2热泵系统变工况性能的试验研究.pdf

a dissertation submitted to zhengzhou university of light industry for the academic degree of master of engineering science experimental research of variable condition performance with trans-critical co2 heat pump system candidate: liang zhili supervisor: gong yi major:refrigeration and cryogenics engineering school of electromechanical science and engineering zhengzhou university of light industry zhengzhou 450002, p.r.china june 2011 郑州轻工业学院 学 位 论 文 原 创 性 声 明 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。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作出了明 确的声明并表示了谢意。 本人学位论文与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。 学位论文作者签名： 年 月 日 郑州轻工业学院 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定， 即： 研究生在校攻读学位期间论文工 作的知识产权单位属于郑州轻工业学院。 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论 文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文。同时，本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律注明作者 单位为郑州轻工业学院。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名： 指导教师签名： 年 月 日 年 月 日 i 摘要摘要摘要摘要 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 i与系统 coph成正比关系；吸气过热度 t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/(m2k)和 450w/(m2k)，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 ii 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 p 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。 关键词关键词关键词关键词：跨临界 co2；热泵系统；变工况；coph；试验研究 课题来源课题来源课题来源课题来源：国家十一五科技支撑计划项目（项目编号：2006baj01a10-07） ，项目名称： 建筑节能关键技术研究与示范，课题名称：低品位能源高效应用关键技术研 究。 iii abstract the main direction of this study is the application of the natural refrigerant co2 in heat pump field, the first of its theoretical analysis and numerical simulation, and then set up the test bed to study the performance in variable conditions, to find out the condition that keep the heat pump sysytem in optimizing state, which can provide data support and test reference. from the thermodynamics of trans-critical co2 heat pump system cycle, we know that all the basic parameters of the system have a certain influence on the performance of the heat pump, then study the connection between basic parameters and system performance coph by simulation. in the simulation process, only change one parameter, other parameters remain unchanged. the results showed that: when the evaporating temperature increased, the coph of system is also increased; and the outlet temperature of gas cooler refrigerant side increased, the coph of system is decreased; the compressor efficiency and system coph are also proportional; the absorption gas superheat has little effect on the performance of system, but showed decreasing tendency; when the high side pressure increased, the system system coph first increased and then decreased, there is a maximum. for measuring the performance of trans-critical co2 heat pump system in various conditions, and finding out the measures to improve the performance of heat pump system. we improved the structure of heat pump system, which has the following characteristics: (1) heat exchanger: select coaxial tube heat exchanger, spiral tube of nickel white copper, that can strengthen the disturbance of the water side and refrigerant side, increase the heat transfer coefficient; meanwhile it also can weaken the scaling phenomenon of water side. (2) throttle: the system uses two types of throttle, the first uses one throttle; the second uses two throttles, the one adjust the high pressure side, the other throttle regulate the low pressure side. between the two throttles, the liquid reservior balances the flow fluctuations in the throttle process. (3) internal heat exchanger: the system can be run in two states which are with and without internal heat exchanger, so we can research on the performance of trans-critical co2 heat pump system. results showed that: (1) the diameter of the systems pipeline is 10mm, the thickness is iv 1mm,which can fully competent the systems pressure requirements; the heat exchanger is coaxial, and its inner tube is the spiral of nickel white copper. the heat exchangers have a good effect, the maximum heat transfer coefficient of gas cooler and evaporator were 636w/(m2k) and 450w/(m2k), the system is stable. (2) the evaporation temperature is -5, when the termination of water temperature is 45 and 50, the coph of trans-critical co2 heat pump system is increasing with the high side pressure; when the termination of water temperature is 55, 60 and 65, the coph of trans-critical co2 heat pump system increases first and then reduces with the high side pressure increasing, which exists a maximum value, it corresponds to the high side pressure is the optimal. (3) when the high side pressure and evaporation temperature are invariant, the coph of heat pump system decreases with the termination of water temperature increasing. (4) when the evaporation temperature is -5, the water source temperature is 15, the initial temperature of water is 25, the termination temperature of water is 50, when the high side pressure is lower than 9.5mpa, the coph of system that has intermediate heat exchanger is below than none. but it can increase the compressor suction temperature, prevent the compressor from liquid blowing, and have a benefit for the oil return;in addition, the intermediate heat exchanger can reduced the differential pressure of evaporator and gas cooler.(5) the lower evaporation temperature, the higher the compressor discharge temperature. when the evaporation temperature is -10, the high side pressure is 7.5mpa, the termination temperature of water is 45, the compressor discharge temperature can reach 110; if the high side pressure is 9.5mpa, the compressor discharge temperature can reach 150, so the evaporation temperature of system can not be lower than -10 . keywords: trans-critical co2; heat pump system; variable conditon; coph; experimental research supported by: national eleventh five-year science and technology support program (grant:2006baj01a10-07), project name: building energy research and demonstration of key technologies, subject name: low-grade energy efficient application of key technologies i 主要主要主要主要符号表符号表符号表符号表 coph 热泵系统性能系数 pw 压缩机功率，w h 比焓，kj/kg qh 制热量，w qgas,w 热水流量，l/s qgas,r 制冷剂质量流量，hkg / qv 体积流量，hm / 3 qm 质量流量，hkg / pcond 系统运行的高压侧压力，mpa popt 最优高压侧压力，mpa pev 蒸发压力，mpa p 差压，kpa 压力比 i 压缩机效率 a 面积， 2 m re 雷诺数 pr 普朗特数 nu 努塞尔数 流速，m/s 运动粘度，m2/s cp 定压比热容，kj/(kgk) 导热系数，w/(mk) k 传热系数，w/(m2k) 气化潜热，kj/kg t 摄氏温度， t 热力学温度，k tev 蒸发温度， tw,s 水源温度， tini,w 初始水温度， tter,w 终止水温度， tm,w 水的定性温度， tm,g 制冷剂的定性温度， tgas,out 气冷器制冷剂侧出口温度， t 温差， t 吸气过热度， tm 对数平均温差， 密度，kg/m3 l 饱和液体密度，kg/m3 v 饱和蒸汽密度，kg/m3 vdc 直流电源 ac 交流电源 管径，mm 下标： cr 临界点 suc 压缩机吸气侧 dis 压缩机排气侧 evap 蒸发器侧 gas 气冷器侧 d 管外侧 i 管内侧 r 制冷剂恻 w 水侧 in 进口 out 出口 i 目目目目 录录录录 第一章 绪论.1 1.1 课题研究的背景及意义.1 1.1.1 课题研究的背景.1 1.1.2 课题研究的意义.2 1.2 co2的发展史.3 1.2.1 co2亚临界循环 .3 1.2.2 co2跨临界循环 .4 1.3 国内外 co2热泵技术的研究现状.4 1.3.1 国外的研究现状.4 1.3.2 国内的研究现状.6 1.4 co2热泵热水器存在的问题和解决方法.7 1.5 本课题研究的内容和方法.8 1.5.1 本课题的研究内容.8 1.5.2 本课题的研究方法.9 第二章 跨临界 co2热泵系统的热力学分析.10 2.1 跨临界 co2热泵循环的特点.10 2.2 影响跨临界 co2热泵系统性能的因素.11 2.2.1 蒸发温度 tev对热泵系统的影响.11 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.11 2.2.3 吸气过热度 t对热泵系统的影响 .13 2.2.4 压缩机效率 i对热泵系统的影响 .13 2.2.5 系统高压侧压力 pcond对热泵系统的影响.14 2.3 本章小结.17 第三章 跨临界 co2水源热泵系统的设计及设备选型.18 3.1 跨临界 co2水源热泵系统的设计.18 3.2 压缩机的选型.19 3.3 换热器换热面积的计算.20 3.3.1 气冷器的换热面积计算.21 ii 3.3.2 蒸发器的的换热面积计算 . 23 3.3.3 回热器（ihe）的选择. 25 3.4 膨胀阀的选型. 27 3.5 高压侧安全阀的选型. 28 3.6 变送器的选型. 28 3.7 软化水设备的选型. 31 3.8 恒温箱的选型. 32 3.9 其他设备的选型. 32 3.10 本章小结. 33 第四章 跨临界 co2水源热泵系统的安装与调试. 34 4.1 跨临界 co2水源热泵系统. 34 4.1.1 制冷循环系统 . 34 4.1.2 水循环系统 . 36 4.1.3 数据测量系统 . 37 4.1.4 数据采集系统 . 39 4.1.5 电力控制系统 . 41 4.2 试验前的准备工作. 41 4.2.1 跨临界 co2热泵系统的气密性试验. 42 4.2.2 跨临界 co2热泵系统的抽真空. 42 4.3 试验研究的方法和步骤. 43 4.4 本章小结. 43 第五章 跨临界 co2热泵系统的试验结果与分析. 44 5.1 蒸发温度 tev对热泵系统性能的影响. 44 5.2 高压侧压力 pcond对热泵系统性能的影响. 46 5.3 终止水温度 tter,w对热泵系统性能的影响. 47 5.4 换热器的差压 p，制冷剂的质量流量 qgas,r和压缩机排气温度 tdis与高压侧压力 pcond、终止水温度 tter,w的关系. 49 5.5 回热器对热泵系统性能的影响. 52 5.6 试验结果的误差分析. 56 5.7 本章小结. 57 第六章 结论与展望. 59 iii 6.1 主要结论.59 6.2 展望.60 致谢.61 参考文献.62 附录.67 第一章 绪论 1 第一章第一章第一章第一章 绪论绪论绪论绪论 随着人们生活水平的提高，对生活热水的需求量越来越大，同时对热水品质的要求 也趋向于多样化。而作为生产热水的传统设备：电热水器和燃气热水器，却消耗大量的 电能和燃气资源1。当前，全球面临能源危机，节能、环保已成为时代的主题。生产热 水所消耗的能源在建筑能耗中所占的比例逐渐升高，据统计人均每天热水的消耗量大概 为 2535l 左右2,3。如果我国参照此标准，每年的城镇居民热水能耗热折算成电力消耗 达 175245 亿 kwh4。因此，寻找节能、环保的生产热水方法成为了必然选择。 1.1 课题研究的背景及意义课题研究的背景及意义课题研究的背景及意义课题研究的背景及意义 1.1.1 课题研究课题研究课题研究课题研究的的的的背景背景背景背景 热泵热水机输出热水的coph在35之间，相比于燃气热水器、电热水器的安全性 差、不节能和太阳能热水器使用场所的限制，热泵热水机极大地节约了能源，其能量消 耗比电或燃气系统降低了75% 5,6。在安全性方面，与燃气热水器和电热水器相比，其不 存在中毒、爆炸、漏电和触电的危险。在安装使用方面，与太阳能热水器相比，不受建 筑物和楼层限制，也不受室外环境的限制，安装适用范围较广 7。因此，其被被称为第 四代热水器。 而热泵热水机所用的制冷剂中，r11和r114最高可获得100以上的高温热水或蒸 汽，r12可获得80左右的热水，r22可获得60左右的热水。但是，r11、r114和r12 属于cfcs类制冷剂， r22属于hcfcs类制冷剂8,9。 尽管它们具有无毒、 不可燃、 不爆炸、 无刺激性、适中的压力和较高的制冷效率等优点，但这些制冷剂对自然环境有很大的危 害作用10,11。hcfcs类工质对大气臭氧层的消耗低于cfcs，而hfcs类工质对大气臭氧 层的消耗潜能值（odp）为0，但他们具有稳定的化学性能，一旦排放到大气中很难分 解，导致其全球变暖潜能（gwp）很高12,13 自从世界各国签订蒙特利尔议定书和京都议定书以来，臭氧层破坏和温室 效应等环境问题越来越受到人们的重视，广泛应用于制冷、空调、热泵系统的氟利昂受 到了限制及禁用，各国展开了氟利昂替代物质的研究工作 14。一种普遍的观点认为，自 然工质将是最终的替代方案。而自然工质co2便以其对臭氧层不产生任何破坏，且温室 效应很小，无毒，价格低廉等优势，再一次受到人们的关注。其性质如表1-1所示。 郑州轻工业学院硕士学位论文 2 从中可以看出，与其他替代制冷剂相比，自然工质 co2具有以下优势15,16,17： odp 为零，gwp 值远远小于 cfcs 和 hfcss，符合环保要求。 co2的分子量比较小，在相同的蒸发温度下，其气化潜热 r 大，因此单位容积 制冷量也较大，是 r22 的 5 倍。 co2工质的绝热指数 k 达到 1.33，在几种潜在替代制冷剂中是最高的。因此压 缩机的排气温度比较高，则可满足制取高温热水的需要。 co2跨临界循环的压缩的压缩比要比常规工质制低，其容积效率较高。再加上 其单位容积制冷量大和高的工作压力，使系统结构紧凑，换热效果好。 表 1-1 几种常用制冷剂主要性能的比较18,19,20 table1 the main performance comparison of several commonly used refrigerants 参数 r22 r134a r407c r410a r290 r744 化学式 chf2cl ch2fcf3 r32/125/ 134a(23/25/52) r32/25(50/50) ch3ch2h3 co2 分子量 86.48 102.03 86.2 72.5 44.10 44.011 绝热指数 1.16 1.12 - - - 1.33 odp 0 0.055 0 0.037 0 0 gwp/co2=1.0 1600 875 1600 1100 0 1 临界压力 /mpa 4.986 4.067 4.63 4.949 4.254 7.38 临界温度/ 96.0 101.1 87.3 72.5 96.8 31.1 正常沸点/ -40.8 -26.26 -43.8 -51.56 -42.07 -78.52 凝固点/ -160 -96.6 -115 - -187.7 -56.6 0容积制冷 量/kj/m3 4344 2860 2947 4190 3870 226000 安全等级评价 a1 a1 a1 a1 a3 a1 因此，co2以其良好的环保特性、优良的传热特性和相当大的单位容积制冷量等优 点，再度受到了人们的广泛重视。前国际制冷学会主席 g .lorentzen 认为 co2作为制冷 剂是最理想方案，并且提出了跨临界 co2循环理论，认为其在热泵领域将有很重要的作 用21,22。在此背景下，co2制冷剂再一次受到人们的重视，全球很多的科研院校加强了 在这方面的研究。目前，co2作为制冷剂主要应用于汽车空调系统、超市陈列柜和热泵 系统，而跨临界 co2热泵及其部件的开发研究已经成为制冷领域的热点之一。 1.1.2 课题研究课题研究课题研究课题研究的的的的意义意义意义意义 自然工质co2应用研究的一个主要领域是热泵热水机，其既环保又节能，因此是最 理想的热泵系统。随着国际上对hcfcs和hfcs物质限制日期的临近，跨临界co2热泵系 第一章 绪论 3 统必将代替传统的热泵系统。 环保、 节能的co2热泵热水机代表着空调和热水器行业的高端技术产品,将是行业发 展的新趋势。国外相关国家禁止向我国出口相关产品，因此开发co2热泵系统相关产品 是我国当下迫在眉睫的任务。值得欣慰的是，随着国家政策的倾斜、我国相关科研院校 和工厂已对co2热泵技术研究的取得了一定成果，对于打破外国技术封锁，提高民族产 业的竞争力有很大帮助作用。 1.2 co2的发展史的发展史的发展史的发展史 1.2.1 co2亚临界循环亚临界循环亚临界循环亚临界循环 1850年， 美国人alexander twining提出将co2作为制冷剂应用于蒸汽压缩系统中23。 系统循环p-h图如图1-1所示，1-2-3-4是其循环的全过程。19世纪末，美国开始在制冷系 统中用co2作为制冷剂，kroschell公司生产co2压缩机、换热器和高压阀门等部件，大 部分应用于船舶领域。到1919年，co2制冷系统才开始应用于舒适性空调系统中，并逐 渐应用于商业建筑和公共设施。 图1-1 co2亚临界循环lgp-h图 图1-1 co2跨临界循环的lgp-h图 fig1-1 the lgp-h map of co2 sub-critical cycle fig1-2 the lgp-h map of co2 trans-critical cycle 由于co2无毒，且无可燃性的优势，在民用和船用制冷领域得到广泛应用，并在20 世纪30年代达到颠峰，船舶行业应用co2制冷系统的达到80%24。但相对于其他普通制 冷剂， co2制冷剂也有其弱点， 如临界温度低， 临界压力高 （tcr=31.1， pcr=7.372mpa） 。 进而导致其制冷能力较低，在高的放热温度下，系统的cop很低，尤其是在环境温度较 高的情况下。 再加上当时技术水平的限制， 冷凝器的冷却介质采用低温的