基于SINDA平台的CO2热泵热水器仿真

中国工程热物理学会 工程热力学与能源利用 学术会议论文 编号 121012 基于基于 SINDA 平台的平台的 CO2 热泵热水器仿热泵热水器仿 真真 李廷勋 1 梁杰荣 2 1 中山大学工学院 广州 510725 2 广东申菱空调设备有限公司 顺德 528313 Tel 020 84115955 Email Litx 摘要 本文基于 SINDA FLUINT 平台建立了 CO2热泵热水器分布参数模型 并对系统稳态过程 开 机及制取热水动态过程进行仿真 得到温度 压力等参数的沿程分布特征和实时运行规律 通过与实 验数据的对比 模型计算误差为 10 左右 仿真模型可用于 CO2 热泵热水器气冷器等关键部件设计 以及系统超临界运行的控制参数优化 关键词 CO2热泵热水器 SINDA FLUINT 仿真 0 前言 出于保护臭氧层和减排温室气体的需要 空调制冷剂 R22 在发展中国家于 2013 年 实施冻结 并逐渐淘汰 而臭氧消耗潜能 ODP 为 0 的 HFC 类制冷工质 如 R134a 物质属于需减排的温室气体 因此 HFCs 只能是一种替代工质而不是能长久使 用的制冷剂 从对环境的长期安全来看 重用自然工质是一种出于长远考虑而又安全 的选择 CO2 R744 作为制冷 制热工质具有以下特点 1 环境友好 自然工质 无毒 不可燃 与常用制冷设备材质和润滑油相溶 其 ODP 为 0 全球温室潜能值 GWP 仅为 1 2 良好的热物性 较高的高压侧压力使得制冷剂气体密度较高 绝热指数较大 能制取较高温度的热水 3 临界温度低 31 1 系统在跨临界状态下运行 由于跨临界运行 二氧化 碳热泵系统放热过程的压力可达 9 10MPa 远高于常规制冷 热泵系统的许可最大压 力 另外 跨临界运行时高压侧没有相变发生 其温度和压力独立变化 与常规系统 比较 跨临界二氧化碳循环系统多一个自由度 因此系统的运行状态控制更为复杂 SINDA FLUINT 是由美国 C R 公司开发 应用于复杂系统热设计和流体流动分析 的仿真平台 已经在航空 航天领域取得很好的应用效果 是美国航天航空局 NASA 指 定的流体传热和流动分析设计工具 1 在 SINDA FLUINT 提供的环境下 本文运用分 布参数方法 建立一个精度较高 通用性较强的二氧化碳热泵仿真模型 进行稳态运 1基金资助 国家自然科学基金资助 51076170 项目 广东省自然科学基金资助项目 10151027501000095 行性能和分布参数计算 也可以分析开机 制取热水等动态过程的特征 用于优化系 统运行参数提高系统的性能和安全系数 1 模型结构 仿真模型以 CO2为工质 由压缩机 背压阀 套管式气冷器和回热器 管翅式蒸发 器以及水箱组成 所有部件均按照实际的结构尺寸 2 建立 模型示意如图 1 所示 图 1 模型总体图 1 1 压缩机和背压阀 压缩机和背压阀分别采用 SINDA FLUINT 软件的 COMPPD 和 ORIFICE 来建立 压缩机的输入量包括转速 排量 容积效率及等熵效率 其关系如下 1 2 in r m V dt nVV r t v V V c inout is P hhm 其中 是制冷剂实际体积流量 是压缩机理论输气量 是质量流量 in 是吸 r V t V m 气密度 n 是转速 Vd是排量 Pc是压缩机输入功率 为容积效率 为等熵效率 v is 背压阀的输入量为最大流量对应的直径和开度 质量流量采用 Hooper 3 计算公式 3 AFAORICCDISC PCDISAORI m vv valveback 1 2 其中 是开度 Cv是速度系数 CDIS 系数 discharge coefficient 见如下公式 4 FKAF AORI CCCCDIS ccv 1 1 其中 1 2 换热器 1 气冷器和回热器 气冷器和回热器都为并列式换热器 结构相同 冷流体为水 热流体为 CO2 其 模型均可离散化如图 2 所示 水侧可视为单相流动 采用以下通用性较强的 Dittus Boelter 1 和 Hausen 4 公式 CO2 侧当处于超临界状态 采用以下的 Gnielinski 公式 5 5 3 2 3 2 1 1Pr8 7 121 Pr1000Re8 L d Nu 侧阻力系数 2 采用 6 2 9 0 Re 74 5 7 3 log 25 0 d f 其中 d 为管内径 L 为管长 为粗糙度 本文模型为光管 取值 10 5 图 2 气冷器或回热器离散化示意图 图 3 蒸发器离散化示意图 2 蒸发器 蒸发器为管翅式结构 其传热及流动模型如图 3 CO2 侧处于两相态时 界定核 沸腾出现的干度范围为 0 0 7 此时传热系数采用 Chen 6 公式 为保持传热系数的连续 性 当干度在 0 7 1 时 传热系数是由核沸腾 Chen 公式和单相传热 Dittus Boelter 公式 根据干度插值而得 1 考虑胀管式开缝翅片换热器的特点 管壁和翅片的接触热阻采 用拟合关系式 7 7 0 899107 893 4 2 3 2 E DtP t CmWc off f o Pf为翅片间距 m tf为翅片厚度 m E 为胀管率 空气侧利用一个空气节点负责半条 U 型管的传热 其中迎风管排的空气节点温度 湿度相同 而后排管的空气节点流量是前排距离最近两管路的流量的平均值 传热系 数和阻力系数均采用拟合公式 7 如下 8 2Relg1034 0 Relg2078 0 1974 1 10 aNu finair 9 2Relg0711 0Relg9307 0 4249 2 10 bfair 1 3 气液分离器和水箱气液分离器和水箱 在 SINDA FLUINT 中 气液分离器模型可简化两个 Tank 容器 模型 代表上层 饱和气的 Tank A 所含的液体由于重力作用通过 Path 通道模型 传递到下层气液两相 的 Tank B 而 Tank B 蒸发出的气体 同样通过 Path 传给 Tank A 模型中考虑与外界 的漏热 传热系数假定为常数 对于水箱模型 在稳态计算中 为保证系统能够达到稳定状态 假定进水温度恒 定 动态计算中 水箱顶部接受被加热的热水 底部排出的水送去热泵热水器加热 图 1 因此水箱各点的温度也会随时间而变化 可模拟显示水箱温度的变化情况 2 系统仿真系统仿真 本模型旨在仅仅输入结构 环境等初始参数条件下 通过稳态或动态计算 输出 系统的分布特征参数和性能参数 具体流程如图 4 在 SINDA FLUINT 求解器中 模 型经过离散化后 转化为基于单元模型的控制方程 差分成统一格式后建立矩阵求解 环境工况 尺寸参数 风机 压缩 机性能参数 物性参数 初始值 Thermal Desktop SINDA FLUINT 分布参数 性能参数 图 4 仿真示意图 3 模型验证与数据分析模型验证与数据分析 3 1 模型验证模型验证 文献 2 中通过调节背压阀的不同开度 实现了不同高压状态下的运行测试 本文在 稳态模型中也采用固定排气压力的方法 得出的仿真结果与实验结果对比如表 1 可以 看出 误差基本保持在 10 以内 证明该模型的可用性 其中误差较大集中在气冷器 压降 原因在于所采用的通用压降公式适用范围没有覆盖整个运行范围 需要分段采 用不同的更加精准的压降公式 表 1 不同高压下模型参数验证 高压 11 3MPa高压 10 4MPa高压 9 9MPa 参数 实验计算误差实验计算误差实验计算误差 排气温度 oC 109 4 107 41 8 100 296 73 5 96 793 03 8 冷出温度 oC 18 920 16 2 21 220 15 4 24 220 6 14 7 吸气温度 oC 17 920 0 11 6 20 220 00 8 22 520 2 10 3 节前温度 oC 22 421 44 4 21 619 78 8 21 419 3 10 0 节后温度 oC 13 413 93 4 13 413 50 7 13 313 11 5 蒸出温度 oC 24 022 56 4 22 419 214 5 21 319 58 4 进水温度 oC 16 316 30 1 16 316 30 1 16 316 30 1 出水温度 oC 69 170 01 3 66 865 51 9 66 463 05 1 进风温度 oC 24 324 30 0 22 822 80 0 22 122 10 0 出风温度 oC 20 320 61 4 19 019 00 1 18 718 03 6 低压 MPa 4 70 9 4 7741 4 4 6524 9055 4 4 63 0 4 8605 0 流量 Kg h 46 8 6 47 741 9 50 0249 900 2 51 2 0 50 172 0 制热量 w318732391 6 325831762 5 316229476 8 气冷器压降 kPa 59 752 5 12 1 84 259 928 8 98 563 7 35 4 蒸发器压降 kPa 85 794 5 10 3 90 694 44 1 90 5115 4 27 5 3 2 换热器沿程分析换热器沿程分析 1 气冷器和回热器 图 5 气冷器和回热器温度分布 排气压力为 9 9MPa 气冷器和回热器温度的沿程分布如图 5 由于回热器温度已低于临界点 温度分布 和普通单相逆流换热器趋势一致 气冷器的温度分布是两端温度变化较快 中间较慢 温差最小点出现在的假临界温度 约 45 此状态点 CO2物性变化剧烈 其比热容 快速变得很大 传热系数急剧上升 因此温差变小且温度变化缓慢 2 蒸发器 蒸发器的沿程温度分布和温度场如图 6 图 7 可以看出 由于系统压力较高而且 CO2 黏度较低 流路分流均匀 出口温差小于 1 由于流量减少 本系统蒸发器换 热面积过大 造成过热区较长 图 7 红色和黄色部分 容易形成热短路 反而降低了 蒸发器的效率 图 6 蒸发器温度分布 图 7 蒸发器温度场 3 3 开机过程开机过程 假定系统启动前 CO2的液体成本全部集中在气液分离器 图 8 和图 9 分别说明了 开机过程吸 排气压力和流量的变换情况 可以看出 开机过程基本可分为四个阶段 1 压差建立 排气压力和温度上升 吸气压力和温度下降 由于吸气点 CO2没及 时被吸走 密度较大 流量瞬间达到最大值然后急剧下降 由于本文假定开机前液体 全积聚在气液分离器 一开始参与循环的 CO2并不多 因此在此假设下 排气压力在 这个阶段没有达到最大值 2 压力振荡阶段 温度 压强 流量都出现较强的波动现象 3 调整阶段 随着气液分离器的液体不断蒸发 加入循环的 CO2不断增加 吸气 点和排气点压力上升 温度下降 压缩机流量也开始反弹增加 4 稳定阶段 气液分离器的完全蒸干后 干度为 1 没有新的 CO2加入循环 系 统趋于稳定 图 8 吸气和排气压强 图 9 压缩机流量 3 4 制取热水过程制取热水过程 制取热水过程模拟系统给水箱加热 10 小时 时 系统 图 10 以及水箱温度 图 11 的变化情况 可以看出 水箱温度呈分层特征 并且温度梯度随着加热的进 行而减少 同时吸气点和排气点的压力也会因进水温度的提高升高 10 左右 图 10 吸气和排气压强 图 11 水箱温度分布 4 结论结论 本文基于 SINDA FLUINT 平台建立了 CO2热泵热水器仿真模型 对稳态 开机瞬 态以及制取热水过程进行模拟 经过与实验数据对比 模型精度基本在 10 以内 另 外通过仿真还发现 1 由于 CO2超临界状态的物性特点 其比热容较大 温差变小 效率较高 2 普通的管翅式换热器可应用于二氧化碳热泵系统 由于其高压以及低黏度特性 各流路分流均匀 3 模型能够模拟系统开机瞬态过程 开机期间根据各参数的变化情况可划分四个 阶段 压力建立 振荡阶段 调整阶段及稳定阶段 4 在制取热水时由于进水温度的提高 排气点和吸气点的压强会升高约 10 水 箱温度呈分层特征 并且最终趋于一致 参考文献 1 B A Cullimore S G Ring D A Johnson SINDA FLUINT User s Manual 2 王冬 家用空气源二氧化碳热泵热水器实验及模拟 硕士学位论文 D 中山大学 2010 3 W B Hooper Calculate head loss caused by change in pipe size Chemical Engineering Nov 7 1988 89 92 4 Karlekar and Desmond Engineering Heat Transfer 1977 5 Klaus Spindler A Review on Heat Transfer Correlations for Supercritical Carbon Dioxide under Cooling Conditions 7th IIR Gustav Lore