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跨临界CO2热泵系统变工况性能的试验研究

作　者: 梁志礼
导　师: 龚毅
学　校: 郑州轻工业学院
专　业: 制冷及低温工程
关键词: 跨临界CO2 热泵系统 变工况 COP_H 试验研究
分类号: TB61
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


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℃。

全文目录


摘要  4-6
ABSTRACT  6-12
第一章 绪论  12-21
  1.1 课题研究的背景及意义  12-14
    1.1.1 课题研究的背景  12-13
    1.1.2 课题研究的意义  13-14
  1.2 CO_2 的发展史  14-15
    1.2.1 CO_2 亚临界循环  14-15
    1.2.2 CO_2 跨临界循环  15
  1.3 国内外 CO_2 热泵技术的研究现状  15-18
    1.3.1 国外的研究现状  15-17
    1.3.2 国内的研究现状  17-18
  1.4 CO_2 热泵热水器存在的问题和解决方法  18-19
  1.5 本课题研究的内容和方法  19-21
    1.5.1 本课题的研究内容  19-20
    1.5.2 本课题的研究方法  20-21
第二章 跨临界 CO_2热泵系统的热力学分析  21-29
  2.1 跨临界 CO_2 热泵循环的特点  21-22
  2.2 影响跨临界 CO_2 热泵系统性能的因素  22-28
    2.2.1 蒸发温度tev 对热泵系统的影响  22
    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  22-24
    2.2.3 吸气过热度?t′对热泵系统的影响  24
    2.2.4 压缩机效率ηi 对热泵系统的影响  24-25
    2.2.5 系统高压侧压力 Pcond 对热泵系统的影响  25-28
  2.3 本章小结  28-29
第三章 跨临界 CO_2水源热泵系统的设计及设备选型  29-45
  3.1 跨临界 CO_2 水源热泵系统的设计  29-30
  3.2 压缩机的选型  30-31
  3.3 换热器换热面积的计算  31-38
    3.3.1 气冷器的换热面积计算  32-34
    3.3.2 蒸发器的的换热面积计算  34-36
    3.3.3 回热器（IHE）的选择  36-38
  3.4 膨胀阀的选型  38-39
  3.5 高压侧安全阀的选型  39
  3.6 变送器的选型  39-42
  3.7 软化水设备的选型  42-43
  3.8 恒温箱的选型  43
  3.9 其他设备的选型  43-44
  3.10 本章小结  44-45
第四章 跨临界 CO_2水源热泵系统的安装与调试  45-55
  4.1 跨临界 CO_2 水源热泵系统  45-52
    4.1.1 制冷循环系统  45-47
    4.1.2 水循环系统  47-48
    4.1.3 数据测量系统  48-50
    4.1.4 数据采集系统  50-52
    4.1.5 电力控制系统  52
  4.2 试验前的准备工作  52-54
    4.2.1 跨临界 CO_2 热泵系统的气密性试验  53
    4.2.2 跨临界 CO_2 热泵系统的抽真空  53-54
  4.3 试验研究的方法和步骤  54
  4.4 本章小结  54-55
第五章 跨临界 CO_2热泵系统的试验结果与分析  55-70
  5.1 蒸发温度t_(ev) 对热泵系统性能的影响  55-57
  5.2 高压侧压力 P_(cond) 对热泵系统性能的影响  57-58
  5.3 终止水温度t_(ter,w) 对热泵系统性能的影响  58-60
  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  60-63
  5.5 回热器对热泵系统性能的影响  63-67
  5.6 试验结果的误差分析  67-68
  5.7 本章小结  68-70
第六章 结论与展望  70-72
  6.1 主要结论  70-71
  6.2 展望  71-72
致谢  72-73
参考文献  73-78
附录  78

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中图分类: > 工业技术 > 一般工业技术 > 制冷工程 > 制冷理论
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