（制冷及低温工程专业论文）跨临界二氧化碳热泵热水系统动态特性研究.pdf

摘要 自然工质二氧化碳，作为新一代制冷剂，在制冷空调及热泵领域有着广阔 的应用前景。c 0 2 跨临界循环中气体冷却器所具有的较高排气温度和较大的温 度滑移，与冷却介质的温升过程相匹配，使其在热泵循环方面具有独特的优势。 如何提高跨临界c 0 2 热泵热水系统的效率具有非常重要的意义，这也是近几年 国内外研究的重点。本文主要运用仿真的方法对系统及其各部件进行分析，为 系统性能改进和控制运行方式提供基本依据。 首先，基于热力学第一定律和第二定律，建立了二氧化碳热泵热水系统的 仿真模型进行分析计算。分析表明，影响系统第二定律效率的主要因素有气冷 器出口温度、蒸发温度、冷却压力和内部热交换器效率以及压缩机效率。并且， 随着排气压力增加，系统第二定律效率存在最大值，此时对应的最优排气压力 p 伽并不等同于系统c o p 最大值对应的p o d t 。 对气冷器、蒸发器和中间换热器建立分布参数动态模型；利用经验公式对 压缩机和节流阀建立了稳态模型。通过质量守恒、动量守恒、能量守恒定律将 单一的部件模型有机地结合起来，构成整个机组的模型。仿真结果表明，气冷 器进水温度和压缩机转速的变化对系统的动态特性有较大的影响。且节流短管 流通面积的变化对系统的动态特性也有较大的扰动。这些动态响应特性都将影 响到对控制系统的设计。 本文的研究工作对二氧化碳热泵热水系统性能和结构的优化以及运行控制 优化具有重要意义。 关键词跨临界循环，二氧化碳，热泵，热力学分析，动态模拟 a bs t r a c t a sak i n do fn a t u r a lf l u i d ，c a r b o nd i o x i d ei sa p r o m i s i n ga l t e r n a t i v er e f r i g e r a n ti n t h er e f r i g e r a t i o ns y s t e m sd u et oi t s c o o - f r i e n d l yp e r f o r m a n c ea n dg o o dt h e r m a l p r o p e r t i e s w h e nc 0 2i su s e di nt h eh e a tp u m pw a t e rh e a t e rs y s t e mi nt r a n s c r i t a l c y c l e ，ag l i d i n gt e m p e r a t u r ew i l la p p e a r , w h i c hc o n t r i b u t e st oag o o dt e m p e r a t u r e a d a p t a t i o n i ti si m p o r t a n tt h a tf i n d i n gap r o p e rw a yt oe n h a n c et h ep e r f o r m a n c eo f r e f r i g e r a n ts y s t e m , w h i c hi sa l s oo n ep o i n to ft h es t u d yo fh e a tp u m pw a t e rh e a t e r s y s t e ma l lo v e rt h ew o r l d i nt h i sw o r k , a d o p t i n gt h em e t h o do f c o m p u t e rs i m u l a t i o n t os t u d yh e a tp u m pw a t e rh e a t e rs y s t e mi sc o n v e n i e n tf o rt h es y s t e m a n a l y s i s f i r s t l y , c y c l es i m u l a t i o nm o d e lh a sb e e nd e v e l o p e dt oa n a l y z ea n dc a c u l a t et h e t r a n s c r i t i c a lc 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 rs y s t e m ，b a s e do nt h ef i r s ta n d s e c o n dl a wo f t h e m o d y m a m i ca n a l y s i s 1 1 1 ea n a l y s i sr e v e a l st h a tt h ef a c t o r sa f f e c tt h e s y s t e mp e r f o r m a n c eo ft h es e c o n dl a wa r et h eh e a tr e j e c t i o np r e s s u r e t h eo u t l e t t e m p e r a t u r eo fg a sc o o l e r , t h ee v a p o r a t i o nt e m p e r a t u r e ，t h ee f f i c i e n c yo fi n t e m a lh e a t e x c h a n g e ra n dt h ep e r f o r m a n c eo ft h ec o m p r e s s o r f u r t h e r m o r e ，t h ep e r f o r m a n c eo f t h es e c o n dl a wv a r i e sw i t ht h eh e a tr e j e c t i o np r e s s u r e ，a n dam a x i m u m p e r f o r m a n c e o tt h es e c o n dl a wo c c u r sa ta no p t i m a lh e a tr e j e c t i o np r e s s u rp o p h w h i c h i sd i f f e r e n t f r o mt h eo p t i m a lh e a t r e j e c t i o np r e s s u ro f c o p s e c o n d l y ，an u m e r i c a lm o d e lw a sb u i l tt os i m u l a t et h et r a n s i e n ts t a t eb e h a v i o ro f at r a n s c r i t i c a lc 0 2h e a tp u m pw a t e rh e a t e rs y s t e m l u m p e dm o d e l sw e r eb u i l tf o rt h e e v a p o r a t o r , g a sc o o l e ra n di n t e m a lh e a te x c h a n g e rr e s p e c t i v e l yb a s e do nl u m p e d p a r a m e t e rm e t h o da n dm o v i n gb o u n d a r ym e t h o d q u a s i s t e a d ys t a t em o d e l sw e r e 印p l i e df o r 也ec o m p r e s s o ra n de x p a n s i o nv a l v ew i t he m p i r i c a lf o r m u l af o rt h e i r s m a l lt h e r m a li n e r t i a i nt h i ss t u d y ，t h ec y c l ed y n a m i cs i m u l a t i o nm o d e lw a s b a s e do n t h eb a l a n c eo fc o n v e r s a t i o no f e n e r g y ，c o n v e r s a t i o no fp r e s s u r ea n dc o n v e r s a t i o no f m a s s t h er e s u l t ss h o wt h a tt h et r a n s i e n ts t a t eb e h a v i o ro fat r a n s c r i t i c a lc 0 2h e a t p u m pw a t e rh e a t e rs y s t e mi sg r e a ti n f l u e n c e db yt h ec h a n g eo ft h ep a r a m e t e r so fi n l e t w a t e ro ft h e g a sc o o l e r , c o n t r o iv a l v eo p e n i n ga n dt h ev a r i a b l e d i s p l a c e m e n t c o m p r e s s o r a i lt h e s eh a da ni n f l u e n c eo nt h ed e s i g no fc o n t r o ls y s t e m t h er e s u l t so ft h i sw o r ka r eo f s i g n i f i c a n c ef o r c o n t r o lm o d e k e yw o r d st r a n s c r i t a lc y c l e ，c a r b o nd i o x i d e ， t h e r m o d y n a m i c sa n a l y s i s ，d y n a m i cs i m u l a t i o n l l o p t i m i z a t i o no fp e r f o r m a n c ea n d h e a tp u m pw a t e rh e a t e rs y s t e m ， 中南大学硕士学笪笙窒兰堕塑 - _ - _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ - _ - - _ - _ _ i - - _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ i _ _ - 一一 彳 b i ，b 2 , b 3 c v c o p d d e p l 危f i 。j 。n 三 m 廓 胁 p p r q ，q r e 下标 口 a i r c o m p p v g c , c 罟c e j i n t 加 o u t h c 符号说明 横截面积( m 2 ) s 制冷剂物性公式中的系数z ， 比热容( k j ( k g 。k ) ) t 性能系数u 直径( 柚 甜 火用( k 哪 v 比火用( k w k g ) w 摩擦因子 x 比焓0 0 k g ) 口 整型变量 长度f 质量 曲 g 质量流量( k g s 1 ) 善 努塞尔特数r 压力( k p a ) 普朗特数p 换热量( v o a t 雷诺数 万 水 空气 压缩机 蒸发器 膨胀阀 气体冷却器 气冷器中被加热流体 中间换热器 进口 出口 高温 低温 熵( w k ) 温度( ) 时间( s ) 内能 流速( m s ) 压缩机输气量( m 3 s ) 功承、聊 制冷剂干度 换热系数( w ( m 2 k ) ) 动力粘度( p a s ) 析湿系数 热交换器效率、相对误差 火用效率 效率 粘性系数( k g m s ) 压降( k p a ) 温差( ) 空隙率 管壁 管 管内 管外 液体 气体，饱和气体 最优 等熵 排气 吸气 两相 制冷剂 ， 列 w f ， d 叫 y 印疆 d s ， 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南大学或其他 单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献 均已在论文中作了明确的说明。 作者签名： 壹巨鱼 日期：丑年互月墨日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允许学位论文被查 阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或 其它手段保存学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录 到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 中南大学硕士学位论文 绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 上个世纪8 0 年代以前，高效、节能一直是制冷空调行业关心的主要问题。然而，1 9 7 4 年美国科学家r o w l a n d 和m o l i n a 关于氯、溴对大气臭氧保护层破坏的发现以及著名的臭氧层 衰减学说，促使人们把目光聚集在了制冷剂的安全使用和环境保护的问题上。相关研究表明， 与制冷剂有关的大气污染主要有两方面：其一是由人工合成的化合物中释放出的氯元素和溴 元素会破坏臭氧层，引起紫外线对地球表面的过量辐射【1 1 ；其二是温室气体的排放导致全球 气候变暖 2 1 。 为了保护地球生态环境，使人与自然协调发展，实现对制冷工质的替代达成了全球共识。 1 9 8 7 年的蒙特利尔议定书以及1 9 9 0 年伦敦会议和1 9 9 2 年哥本哈根会议对蒙特利尔议定 书的修正规定，发达国家在1 9 9 5 年底就要停止使用c f c 作为制冷剂。含氢氯氟烃( h c f c ) 只作为一种过渡性的替代物规定使用到2 0 2 0 年，一些国家的法规提出了更早的禁用日期。 1 9 9 1 年6 月，我国在修改的蒙特利尔议定书上签字，1 9 9 2 年5 7 月编制了中国消耗臭 氧层物质逐步淘汰国家方案，并于1 9 9 3 年1 月经国务院批准。因此，我国也将逐步淘汰c f c 等消耗臭氧层物质，研究制冷工质的替代问题迫在眉睫。 因此，在保护臭氧层和减缓全球变暖的双重压力下，传统制冷剂已逐渐走向“下课 边 缘，而人工合成的制冷剂可能对环境造成潜在的、不可预知的危害。虽然人们可以努力合成 性能更佳的工质，但由于制冷剂的使用量非常大，最终将不可避免地有相当部分泄露到大气 中。另外，这些物质是人工合成物质而非自然物质，任何大量人工合成物质排放到自然界中， 都会对环境造成影响。因而在各种可选的制冷工质中，c 0 2 、氨、氢、水、空气等自然工质 受到了人们的亲睐。其中，c 0 2 以其物性和热力性能上的优势，成为天然工质中的首选。 二氧化碳是地球生物圈的组成物质之一，它无毒、不可燃，臭氧消耗潜能值o d p ( o z o n e i ) e p l e t i o l lp o t e n t i a l ) 为零，全球变暖潜能值g w p ( g l o b a lw a r m i n gp o t e n t i a l ) 约为l ，但是制冷 系统本身并不产生c 0 2 ，它可以广泛来源于工业废气等，因此c 0 2 用作制冷剂时其实际有效的 g w p 值也为零。除了环境方面的友好性外，c 0 2 还具有优良的热物性。基于c 0 2 作为工质的这 些优点，近年来美国、欧洲和日本等发达国家和地区的研究者们不断尝试将c 0 2 应用于各种 可能的制冷、空调和热泵系统。其中，热泵热水器( ，w h ) 是c 0 2 应用研究的一个主要领域。 由于人们生活的改变和对清洁卫生要求的提高，特别是由于新型卫生设备的采用，热水 的供应备受重视，但目前国内家庭日常生活中所需要的热水大部分均通过专门的热水器( 如 电热水器、燃气热水器等) 获得。这些装置都是用高品位能量来换取同等数量的低品位热量， 很不符合现代节能的原则，这就使小型热泵热水器应运而生。热泵热水器是以消耗一部分电 2 中南大学硕士学位论文绪论 能为代价，通过热力循环，把环境介质水、地热源、空气等储存的能量加以发掘利用，用来 生产热水。c 0 2 热泵热水器因其具有绿色环保、高效节能的特点，具有很大的发展潜质。同 时c 0 2 跨临界循环中气体冷却器所具有的较高排气温度和较大的温度滑移，和冷却介质的温 升过程相匹配，与传统亚临界系统冷凝器中的冷凝放热过程有很大不同，使其在热泵循环方 面具有独特的优势【3 4 j 。 c 0 2 热泵热水器是目前公认的各方面优于常规工质的热泵热水装置，也是世界各国研究 开发较多的装置。与常规工质的亚临界循环相比，c 0 2 热泵热水器无论从能效方面还是从环 境保护方面均有明显优势。从热力学角度看，由于采用了跨临界循环，一方面降低了传热温 差，另一方面可以使热水的出口温度达到常规工质难以实现的9 0 高温，即便在冬季室外空 气温度较低的环境条件下系统也可以有效的运行。理论分析计算和对所开发的样机测试结果 均证明了这一点。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 二氧化碳作为制冷剂的历史及研究现状 二氧化碳作为制冷剂的历史可以大致分为三个阶段： 1 早期被广泛使用，达到辉煌的程度。 作为制冷剂，在1 9 世纪末至2 0 世纪3 0 年代前，c 0 2 ( r 7 4 4 ) 、氨( r 7 1 7 ) 、s 0 2 ( r 7 6 4 ) 等被广泛应用。上述除了c 0 2 外，其余工质均有毒性或可燃性，而c 0 2 则因无毒且不燃，在民 用和船用制冷等方面有其巨大的优势【5 】。 1 8 5 0 年美国人a l e x a n d e rt w i n i n g 最初提出在蒸汽压缩系统中采用c 0 2 作为制冷剂，并获英 国专利1 6 】。t h a d d e u sscl o w e 第一次成功使用c 0 2 并应用于商业机。他在做试验过程中，证实 了c 0 2 作为制冷剂的可能性，并于1 8 6 7 年获得了英国专利，于1 8 6 9 年制造了一台制冰机，还 设计了一种置于船上的机器，用于在墨西哥港运送冷冻肉。1 8 8 2 年c a r lv o hl i n d e 为德国埃森 的fk r u p p 公司设计和开发了采用c 0 2 作为工质的制冷机。1 8 8 4 年wr a y d t 设计的c 0 2 压缩制 冰系统获得了英国1 5 4 7 5 号专利。1 8 8 4 澳大利亚的jh a r r i s o n 年设计了一台用于制冷的c 0 2 装置 获得了英国1 8 9 0 号专利。随后c 0 2 制冷剂的使用有了显著的发展。1 8 8 6 年德国人f r a n z w i n d h a u s e n 设计的c 0 2 压缩机获得英国专利，英国的j & eh a l l 公司收购了该专利，将其改进后 于1 8 9 0 年开始投入生产。h a l l 的c q 压缩机在船上有广泛的应用，取代了原先使用的空气压缩 机。2 0 世纪4 0 年代英国的船上广泛采用t 0 0 2 压缩机。 1 9 世纪9 0 年代美国开始将c 0 2 应用于制冷。1 8 9 7 年k r o e s c h e l lb r o s 锅炉公司在芝加哥成立 了分公司c 0 2 压缩机，称为k r o e s c h e l lb r o s 铝1 冰机械公司。k r o e s c h e l l 生产c 0 2 制冷压缩机、冷 凝器、水和盐水冷却器、高压c 0 2 和冷藏系统的阀门及零件。1 9 2 4 年k r o e s c h e l l 和b n m s w i c k 常1 冷公司合并成nj 公司，生产氨压缩机和附件。1 9 1 8 年k r o e s c h e l l 公司制冷部门的工作人员f r e d 中南大学硕十学位论文绪论 w i t t e n m e i e r 辞职，在芝加哥成立了另一个制冷机械公司w i 舵砌e i e r 公司，该公司成功地 安装了一些c 0 2 制冷与空调系统。c 0 2 用于空调机相对较晚，1 9 1 9 年前后，c 0 2 制冷压缩机才 被广泛应用在舒适性空调中。例如，1 9 1 9 年在剧院和百货商店的空调系统中得到应用；1 9 2 0 年在教堂的空调系统中得到应用；1 9 2 5 年干冰循环用于空气调节；1 9 2 7 年在办公室的空调系 统中得到使用；1 9 3 0 年在住宅的空调系统中得到使用；后来又被用于各种商业建筑和公共设 施的空调制冷系统，达到很辉煌的程度。 2 被c f c s 类制冷剂所替代，少有使用。 由于其较高的工作压力和传统p e d d i l s 循环下较低的制冷系数，c 0 2 被其它制冷剂所取代。 1 9 3 1 年，以r 1 2 为代表的c f c s 制冷剂一经开发，便以其无毒、不可燃、不爆炸、无刺激性、 适中的压力和较高的制冷效率，很快取代了c 0 2 在安全制冷剂方面的位置，c 0 2 逐渐不再被 作为制冷剂使用，最后一艘使用c 0 2 制冷机的轮船在1 9 5 0 年停止工作。只是干冰仍在制造、 贮藏冰淇淋和其它易坏食物等领域中得到广泛应用。 3 成为全球范围内备受关注的热点，再次得到发展。 近年来由于环境问题日益突出，自然工质c 0 2 作为制冷剂替代品再次得到人们的重视。 国内外已有的研究表明，利用c 0 2 在蒸发潜热、比热、动力粘度等物性上的优势，采用合适 的制冷循环，c 0 2 在热力特性等方面上与传统制冷剂相比较有更为优越的性能【7 - l o l ，因此c 0 2 作为制冷剂在制冷空调热泵等各领域再次得到广泛的研究【1 1 1 7 1 。 目前，c 0 2 制冷剂的研究和应用主要集中在以下三个方面： 第一是急需替代制冷剂的应用场合。如汽车空调，由于制冷剂排放量大，对环境的危害 也大，必须尽早采用对环境无危害的制冷剂。c 0 2 空调系统在跨临界条件下运行，其工作压 力虽然较高，但压比却很低，压缩机的效率相对较高；超临界流体优良的传热和热力学性质 使得换热器的效率也很高，这就使得整个空调系统的能效比较高，完全可与传统的制冷剂( 如 r 1 2 ，1 1 2 2 等) 及其现有的替代物( 如r 1 3 4 a ，r 4 1 0 a 等) 媲美【1 8 1 9 1 。同时c 0 2 在气冷器中 大的温度变化，使得气体冷却器进口空气温度与出口制冷剂温度非常接近，减少了高压侧不 可逆传热引起的损失。为了减轻质量、缩小尺寸及增加安全性，换热器的优化设计也正在进 行。另外，c 0 2 在热泵方面的特性，还可以解决现代汽车空调冬季不能向车厢提供足够热量 的缺陷。我国天津大学的马一太，王侃红等在二氧化碳循环系统理论研究及实验分析方面做 了许多工作；上海交通大学的陈芝久、丁国良、穆景阳、陈江平等人对跨临界二氧化碳汽车 空调进行了实验研究及系统模拟：中南大学的廖胜明对二氧化碳循环系统进行了分析和优化。 第二是最利于采用c 0 2 循环的场合。如热泵热水器则充分利用了c 0 2 跨临界循环气体冷 却器所具有的较高排气温度和较大的温度滑移特点，可与冷却介质的温升过程相匹配，有利 于将热水加热到一个更高的温度，而且气体冷却器出口温度越低，系统性能越好，这些特性 非常适合于热水系统。 第三是能发挥c 0 2 良好的低温流动性能和换热特性的场合。如采用c 0 2 作为复叠制冷循 4 中南大学硕士学位论文 绪论 环低温级制冷剂。c 0 2 用作低压级制冷剂，高压级用n i t 3 做制冷剂，构成复叠式制冷系统。 与其他低压制冷剂相比，即使处在低温，c 0 2 的黏度也非常小，传热性能良好，可充分利用 其潜热，其制冷能力相当大。目前，欧洲在超市中已建立了几个这种用c 0 2 作低温制冷剂的 复叠式制冷系统，运行情况表明技术上是可行的，该系统还适用于低温冷冻干燥系统。 1 2 2 二氧化碳热泵热水系统的研究现状及发展趋势 因为二氧化碳热泵热水器充分利用了c 0 2 跨临界循环气体冷却器所具有的较高排气温 度和较大的温度滑移特点，可与冷却介质的温升过程相匹配，有利于将热水加热到一个更高 的温度，而且气体冷却器出口温度越低，系统性能越好，这些特点使得c 0 2 热泵热水器的研 究受到了国内外相关人士的重视。 该领域的研究由挪威的s i n t e f 研究所的p n e k s a 、j p e t t e r s o n 等人率先发起，他们对水 水热泵的特性、系统设计进行了理论与实验研究，热泵热水器加热量为5 0 k w ，可提供5 0 9 0 热水，c o p 为4 5 。此结果表明：c 0 2 跨临界循环不仅具有高的供热系数，而且系统紧 凑，产生的热水温度高，在工业和民用两方面都具有相当大的发展潜力。 德国等欧洲国家在热泵研究领域进行了广泛深入的研究。k a s s e l 大学的j k o h l e r 等人开 展了c 0 2 跨临界热泵应用的理论研究与分析。d r e d s d e n 大学的e h e y l 等人对c 0 2 跨临界循环 热泵的热力学性能进行分析，对各种循环方式的计算方法，系统部件的设计、选取和组装原 则等方面展开研究与讨论，并在d r e s d e n 大学建立了c 0 2 跨临界循环热泵实验台，对于不同 装置中的计算和评价方法等进行分析研究，得到了一些有意义的结论。e s s e n 大学的 e l s c h m i d t 等人以商业洗衣店中的干燥器为研究对象，分析和讨论了c 0 2 跨临界循环在热泵 干燥方面应用的可行性。通过与r 1 3 4 a 热泵系统的对比后认为，跨临界循环热泵并没有比后 者引起更多的能量消耗，加上c 0 2 自身优良的环境性能和热力学性质，在热泵干燥系统中用 c 0 2 作制冷工质具有良好的应用前景。德国f k w 制冷热泵研究中心的h k r u s e 和荷兰t n o 环境科学研究所的p a o o s t e n d o r p 等人针对德国、荷兰等国大量使用石化燃料供热造成c 0 2 排放日益严重的现状，对c 0 2 跨临界循环热泵在供热系统中的应用前景进行了分析与讨论， 认为c 0 2 热泵在该领域的使用不仅有效地减少了c 0 2 排放，而且热泵性能较好，具有广阔的 应用与开发前景。 日本c r i e p i 的m s a i k a w a 等人于1 9 9 5 年开始进行了c 0 2 热泵的基础研究，通过对c 0 2 热泵( 尤其是c 0 2 热水供应热泵) 性能的计算及相应循环理论的分析后，他们认为c 0 2 热泵 在热水供应时的性能高于传统工质热泵。1 9 9 6 年3 月，他们在y o k o s u k a 研究所建立了相应 的c 0 2 热泵实验台，对跨临界热泵的性能及c 0 2 在超临界条件下的传热及热力学特性进行了 进一步研究。 近年来，国内一些学者也对二氧化碳热泵热水系统进行了深入的研究。天津大学的马一 太等进行了二氧化碳跨临界热泵系统的实验研究 2 0 2 1 1 ，分析了各部件的特性，其系统中使用 中南大学硕士学位论文绪论 的是管壳式换热器。中南大学的廖胜明瞄彩】等对二氧化碳热泵热水系统进行第一定律与第二 定律分析，提出了最优排气压力的优化控制方法，并进行了其它方面的研究。 分析公开发表的文献，未来关于c 0 2 热泵热水器的研究方向和重点主要有： 1 新型高效c 0 2 压缩机的开发与改进。例如，以日本三洋公司开发的双级滚动活塞压缩机为 代表的双级压缩机，是未来压缩机发展的一个方向。另外日本d a i k i n 、d e n s o 等公司也致力开 发新型高效c 0 2 压缩机。 2 高效膨胀机或膨胀压缩机的研制。在c 0 2 跨临界循环中，由于气体冷却器出口端与蒸发端 的压差较大，因此降低膨胀部分的损失是提高效率的有效途径。利用膨胀机的输出功率驱动 压缩机完成压缩过程，设计能胜任两相膨胀的高效率的膨胀机，使膨胀机与压缩机组成一体 而形成膨胀压缩机。这是另一个重要的、需要突破的技术关键。 3 高效换热器的研制。针对c 0 2 的传热和流动特性，设计出高效、低阻而紧凑的c 0 2 换热器， 尤其是耐高压的气体冷却器，对提高整个系统的效率很重要。但目前对于c 0 2 工质流动和换 热性能的研究尚不成熟，没有通用的经验关联式，部分流动和换热机理尚不明了，有待于进 一步的研究。已经开发的高效换热器，有日本三洋公司开发的防止重结冰的新型换热器，用 从气体冷却器出来的高压工质通到室外蒸发器底部的方法达到防止重结冰目的。瑞士s w e p 公司生产的高效、紧凑、耐高压的板式换热器，尚未商业化。对已经广泛应用于各行各业的 板式换热器，其优点是明显的：换热效率高，结构紧凑轻巧，使用寿命长等。如果把它用作 c 0 2 热泵热水器中的气冷器，对减小整机体积非常有利，但材料选用和结构设计上要解决耐 高压的问题，加工工艺难度大。近年来国内开发的c 0 2 热泵热水器没有用板式换热器作气冷 器，目前国内还没有生产厂家能制造耐高压的板式换热器。所以对c o 板式换热器的数值模拟 和实验研究还需要深入开展。 4 系统优化、部件匹配及控制方面的研究。采用先进的控制方式，可以使系统更加可靠、稳 定，使用更加方便。目前为止所开发的c 0 2 热泵热水器样机较少涉及系统的优化以及各设备 和部件之间的匹配，对系统控制方面的研究也较少，这方面有待于进一步深入研究【2 5 1 。 5 探讨热水供应与其他供热方式的耦合问题，并合理利用低品位能源或可再生能源( 如太阳 能) 。把太阳能利用技术与热泵技术有机结合起来，可以比采用常规工质的空气源热泵提高性 能系数大约5 0o o 2 6 1 。太阳能辅助空气源跨临界c 0 2 热泵热水、空调系统，实现空调和热水两 个功能，把太阳能技术和c 0 2 技术联合起来优势明显。这方面需要深入研究，针对不同气候， 提出合适的控制策略。 6 逐渐降低部件、系统或整机的成本，为普及应用创造条件。以家用c 0 2 热泵热水器为例， 2 0 0 1 年日本的价格是5 0 0 0 多美元，价格较贵 2 7 1 。批量化生产后，价格有所下降，目前日本各 品牌的平均价格还高达4 0 0 0 多美元，约是日本市场上同等产热量燃气和电热水器的2 倍左右。 目前，国内c 0 2 热泵热水器系统中的关键设备都处于研制阶段，部件只能依靠进口，造成成 本很高，直接影响普及使用。所以，加大研究力度，提高部件国产化率，且批量化生产，是 6 中南大学硕+ 学位论文 绪论 降低整机价格的关键，也是c 0 2 热泵热水器推向市场的前提条件。 1 2 3 二氧化碳热泵热水器系统仿真与优化 相对于常规实验研究，另一个重要的研究手段是仿真【2 8 2 9 。在进行实际系统的分析、综 合与设计的过程中，人们除了对系统进行理论的分析计算外，常常需要对系统的特性进行实 验研究。这种实验研究有两种：一种是在系统上进行，另一种是在模型上进行。在许多情况 下，如果直接用真实系统进行实验，往往不经济或不安全，有时甚至做不到。因此在实践中 出现了用模型代替真实系统做实验的方法，发展了仿真技术。 仿真，又称模拟( s i m u l a t i o n ) ，1 9 7 8 年k o r n 在其著作连续系统仿真中将其定义为“用 能代表所研究的系统的模型作实验”。仿真又根据其模型性质的不同可分成物理仿真和计算机 仿真。物理仿真不在本文讨论范围之内，所谓计算机仿真是指用一组( 偏) 微分方程来描述 系统的运行规律，然后编程进行求解。计算机仿真技术随着计算机技术的发展而发展，近年 来已广泛应用到各个学科之中，极大的促进了学科发展。自2 0 世纪6 0 年代开始，仿真技术 开始在制冷、空调、热泵领域得到应用，至今已有4 0 余年的发展历史。期间随着计算机技术 的高速发展，仿真技术在该领域得到了充分的研究和越来越广泛的应用。仿真算法也变得多 种多样，由最初的传统迭代法发展到有限差分法、n r 算法、人工神经网络算法等等【3 0 】。回 顾热泵系统的仿真发展历程，大体上可以分为三个趋势：从对热泵系统的局部仿真发展到对 热泵系统整体进行仿真；从对热泵系统作简单的稳态仿真发展到对热泵系统作相对复杂的动 态仿真；建模方法从集总参数法发展到分布参数法。 随着计算机的发展以及各种动态仿真模型的建立，系统的动态仿真成为优化控制方案的 一种手段。动态仿真即为通过改变系统的控制参数，分析各部件或整个系统的动态特性。系 统动态特性是指系统对工况改变等外界扰动的动态响应，具体表现在系统受到扰动后恢复到 稳定的响应时间和设定值超差等参数。动态特性着眼于系统各点工况参数随时间的变化，在 这一点上区别于只注重系统稳定后最终性能的稳态特性分析。对系统进行动态特性分析可以 进一步了解系统在外部或内部参数改变后的动态特性情况，并可根据其选择和设计系统控制 方案。现在大多采用的系统动态模型为：对气冷器、蒸发器和中间换热器建立集总参数动态 模型；由于压缩机和节流阀的热惯性较小，状态参数变化速度快，可认为其处于准稳态，故 利用经验公式对其建立了稳态模型；将各部件模型根据质量守恒和能量守恒原理耦合起来， 便组成一个完整的系统模型。 国外对制冷系统数值仿真模型的研究开始于2 0 世纪9 0 年代，发展到现在，经历了从单 纯的部件模型研究，到适合系统仿真要求的部件模型和系统模型研究；从稳态、集中参数， 到动态、分布参数模型的研究；从瞬态特性研究，到长时间运行过程的研究。 跨临界二氧化碳热泵热水系统主要由压缩机、蒸发器、气冷器、中间换热器和节流阀等 部件组成。对于部件的仿真主要集中在热泵热水器的换热器上，主要包括气冷器和蒸发器。 7 中南大学硕士学位论文绪论 j c h i 和d d i d o n t 3 l 】的仿真研究是公认的早期代表作，他们将蒸发器按制冷剂的状态分两相区 和过热区两个区段，各区段内的计算采用集中参数法来考虑热质交换，但其数学模型粗糙， 验证范围较小。随后x j i a 和c e t s o t 3 2 】等人将换热器内简化成一维管内流动，并将其分为若干 控制容积，建立通用的分布参数模型，当今局部机组换热器仿真模型大多基于这一思想。g e i r s k a u g e n 和y u n h oh w a n 9 1 3 3 】等对整个- - g g 碳制冷系统进行了全面的分析，其中后者对气冷 器的分析和模拟进行了详细的介绍，对各种模型进行了对照。作为制冷系统的核心部件压缩 机，因其种类很多，使相应的建模方法也不尽相同，通常对其进行集中参数法建模，另外还 有效率法、图形法和多变压缩指数法。y a s u d ah 、t o u b e rs 1 3 4 1 和p a r i s ej a r 3 5 】建立了压缩机数 学模型，这些模型考虑了压缩机内制冷剂流量的变化及与外界的传热，模型较复杂。c o n d e m r 3 6 1 建立的模型将压缩机进出口制冷剂流量看成一致。关于变频压缩机的模型研究，国外 至今仍以类似于定速压缩机的效率法为主。h u e l l e 和b e c k e y 用力平衡分析法建立了膨胀阀模型 方程，此方程需要引入一些经验或试验得出的系数。 系统的仿真模型自从1 9 7 7 年福岛敏彦等人首次提出制冷剂充注量方程，使得模型封闭 后，系统仿真模型一直都是以质量方程、动量方程和能量方程作为控制方程对模型进行求解。 e d o m a n s k i 和d d i d o n 等1 3 7 , 3 s 用质量平衡、动量平衡和能量平衡将部件模型联系起来，建立 了热泵系统稳态仿真模型。随着研究的发展，引入了动态仿真的概念。j c h i 和d d i d o n t 3 1 l 首先用集中参数法建立了热泵系统的动态模型，暂时只分析了系统的开机过程。为动态响应 换热器、储液器、热力膨胀阀、电动机、压缩机、轴杆和电扇的运行过程，建立了7 个部件 子程序，仿真结果与相应的试验进行了比较。文献【3 l 】将主要部件和辅助部件置于同一地位， 不分主次，导致方程组包括3 2 个一阶微分方程，求解非常复杂，而且在算法上采用全显式 e u l e r 离散微分方程，运用连续迭代法联立求解系统方程组，所采用的时间步长必须取得相当 小，文中为0 0 0 5 s 。国外不仅在空调计算机模拟方面投入大量研究，而且其研究成果已投入 实际应用，比如开发出的p u r e z 软件。挪威的g e i rs k a u g e n 等人在1 9 9 8 年建立了二氧 化碳热泵热水系统的动态模型，通过改变流入气冷器的水流量以及膨胀阀开度得到了气冷器 压力变化以及气冷器出口水温度等动态特性。 二氧化碳热泵热水系统仿真在我国起步较晚，但发展较快。目前大多数有关二氧化碳制 冷系统的仿真集中在制冷空调领域。上世纪八十年代以来，上海交通大学的陈芝久 3 9 1 教授等 人率先展开了对汽车空调系统的仿真研究，随后丁国良团勰删等人在该领域内不断取得进展， 基本建立了制冷空调装置仿真与优化的完整理论。国内研究路线基本与国外相仿，其研究内 容也是经历了从适合系统仿真要求的部件模型到系统模型，从集中参数建模到分布参数建模， 从稳态模型到动态模型。目前，房间空调器、汽车空调器等单元式空调机组的仿真理论和方 法较多且日渐成熟，并已成功运用在产品设计中。国内二氧化碳热泵热水系统的仿真主要集 中在天津大学、中南大学、西安交通大学、南京理工大学等学校。 在部件仿真方面，吴业正等对压缩机开停机过程建立了较完整的数学模型，对压缩机的 中南大学硕士学位论文绪论 汽缸、吸气腔、排气腔和运动气阀等结构部件在吸气、排气、膨胀或压缩过程分别建立了流 量、质量和能量方程来求流量和功率【4 1 1 。陈芝久等考虑汽缸与外界存在热交换情况采用集总 参数法建立压缩机非稳态仿真模型 4 2 , 4 3 】。还要提到的是，丁国良等引入人工神经网络方法来 改进压缩机模型，提出了传统理论模型和神经网络相结合的新型压缩机热力计算模型，将 传统计算模型中压缩机的容积效率和电效率以及其它诸多难以描述的因素归入神经网络部 分，减轻对试验的要求，同时达到较高的计算精度，这对模型的简化有重要的指导意义。对 于制冷空调系统的节流装置，于兵等建立了汽车空调热力膨胀阀的k 模型，采用s i m p l e s t 算法模拟了流过阀体的制冷剂的速度场和压力场【4 5 】。彦启森和陈芝久分别建立了非绝热毛细 管的非线性模型 4 6 , 4 7 ，两者的不同之处在于后者考虑了毛细管与空气的热交换。邓湘华基于 两相流压降算法建立了非绝热毛细管模型【4 8 】。此外，张华俊采用步进法建立了毛细管的模型， 考虑了亚稳态区过热液体的存在【4 9 l 。而对于换热器，张华俊采用步进计算法选取控制体建立 了换热器的稳态分布模型。陈芝久等根据制冷剂在换热器中的状态分为过热区、两相区和过 冷区，把每区取为一个控制体，建立了换热器的动态分区集中参数模型。葛云亭等根据两相 区质量流速的不同所出现的雾状流、环状流及波状流三种流型，建立了两相区的三种不同的 动态分布参数模型，它是各种模型中较为详细的模型，也是目前广泛被采用的模型。周兴禧 和阴建民等假设换热器的两相区为均相流建立了两相区模型【5 0 5 1 1 ，其实就是葛云亭的雾状流 模型i s 2 1 。廖胜明、饶政华f 5 3 5 4 】建立了跨临界c 0 2 制冷系统中微通道气体冷却器模型，对管内 c 0 2 和空气侧的流动和换热进行了数值仿真，并应用标准的k - 模型对超临界c 0 2 在竖直微通道 管内的湍流流动和传热进行了数值模拟。 1 3 本课题的研究意义及研究内容 1 3 1 研究意义 自然工质c 0 2 循环具有非常好的应用前景。c 0 2 应用研究的一个主要领域是热泵热水器 ( h p w h ) ，因其具有绿色环保、高效节能的特点，具有很大的发展潜质。c 0 2 跨临界循环中 气体冷却器所具有的较高排气温度和较大的温度滑移，和冷却介质的温升过程相匹配，与传 统亚临界系统冷凝器中的冷凝放热过程有很大不同，使其在热泵循环方面具有独特的优势。 如何提高c 0 2 跨临界制冷循环系统的效率，加快其向实用化迈进是需要解决的关键问题。本 课题主要对c 0 2 跨临界循环系统进行性能模拟和优化研究，立足于挖掘该系统性能提高的潜 力和措施，旨在为促进c 0 2 跨临界循环向实用化靠近以及新产品开发提供理论依据和指导。 从根本上解决常规制冷工质的替代问题，以及臭氧层破坏和温室效应等环境问题，这对可持 续发展具有非常重要的意义。 9 中南大学硕士学位论文 绪论 1 3 2 研究内容 本文以自然工质c 0 2 为研究对象，根据热力学定律及模型控制方程，建立跨临界热泵循 环系统及其关键部件气体冷却器、蒸发器、中间换热器、压缩机、节流阀的仿真模型，进行 模拟和优化。旨在提高c 0 2 跨临界循环系统的性能，为系统的优化设计和控制提供理论指导， 从而为加快其向实用化迈进起到促进作用。研究计算采用的物性参数来自n i s tr e f r i g e r a n t d a t a b a s er e f p r o p t 4 8 1 ，计算过程采用的主要软件为e e s 和m a t l a b 。具体内容包括： 1 用m a t l a b 语言编写了二氧化碳的热力学计算程序。 2 跨临界c 0 2 热泵循环热力学分析。分析系统运行时各参数对第二定律效率的影响，从 能量转换的守恒性和质的差异性上反应热力系统的完善程度。 3 基于热力学第一定律和第二定律，建立c 0 2 热泵热水系统的仿真模型进行计算。随着 排气压力增加，系统第二定律效率存在最大值，此时对应的最优排气压力p o p t 2 并不 等同于系统c o p 最大值对应的p o p t 。通过一