采用膨脹機(jī)和噴射器的跨臨界二氧化碳熱泵熱水器熱力循環(huán)_百度文

1、采用膨脹機(jī)和噴射器的跨臨界二氧化碳熱泵熱水器熱力循環(huán) 比較研究郭興龍 , 宋新南 , 胡自成(江蘇大學(xué)能源與動力工程學(xué)院,鎮(zhèn)江 212013摘 要 減少二氧化碳循環(huán)高壓截流損失的方案主要有膨脹機(jī)和噴射器兩種。 建立了跨臨界二氧化碳節(jié)流 閥循環(huán)模型、 膨脹機(jī)循環(huán)模型和噴射器循環(huán)模型。 研究了在典型的家用熱泵熱水器工況下采用不同循環(huán)時(shí), 氣體冷卻器工質(zhì)進(jìn)出口溫度對循環(huán)性能和高壓側(cè)壓力的影響。 研究結(jié)果表明, 氣體冷卻器工質(zhì)出口溫度低 于 40時(shí),膨脹機(jī)循環(huán)效率高于噴射器循環(huán);氣體冷卻器工質(zhì)出口溫度高于 40時(shí),膨脹機(jī)循環(huán)效率低 于噴射器循環(huán);膨脹機(jī)循環(huán)與截流閥循環(huán)的高壓側(cè)壓力相同,低于噴射器循環(huán)。

2、關(guān)鍵詞 跨臨界循環(huán) ; 二氧化碳 ; 膨脹機(jī) ; 噴射器COMPARATIVE STUDY ON THE TRANSCRITICAL CARBON DIOXIDE THERMODYNAMIC CYCLES OF HEAT PUMP WATER HEATER WITH EXPANDER AND EJECTORGuo Xinglong, Song Xinnan, Hu Zicheng(School of Energy and Power Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang, 212013, ChinaAbstract The methods to

3、decrease the high pressure throttling loss include expander and ejector. The transcritical carbon dioxide cycle models with a throttling valve, that with an expander and that with an ejector were developed. The effect of gas cooler outlet temperature and inlet temperature of the carbon dioxide on th

4、e cycle performance and discharge pressure was investigated. The calculation result shows that when the gas cooler outlet temperature of the carbon dioxide below 40 , the performance of expander cycle is higher than that of the ejector cycle; when the gas cooler outlet temperature of the carbon diox

5、ide above 40 , the performance of expander cycle is lower than that of the ejector cycle; the discharge pressures of the expander and throttling valve is the same, and lower than that of the ejector cycle.Keywords Transcritical cycle; Carbon dioxide; Expander; Ejector0 前言天然制冷劑二氧化碳以其不燃、無毒、零臭氧 破壞指數(shù) (O

6、DP和微弱的溫室效應(yīng)指數(shù) (GWP, 在氟 利昂制冷劑的替代方面顯示出巨大的潛力,特別是 在熱泵熱水器領(lǐng)域, CO 2顯示出獨(dú)特的優(yōu)勢,近年來成為研究的熱點(diǎn)之一。相比于傳統(tǒng)制冷劑,跨臨 界 CO 2系統(tǒng)運(yùn)行壓力高,節(jié)流前后壓差高達(dá)約 7MPa , 節(jié)流損失大, 減少節(jié)流損失是提高 CO 2系統(tǒng) 的關(guān)鍵 12。目前提出的解決方案主要有膨脹機(jī) 34和噴射器 58兩種。 國內(nèi)外學(xué)者對帶噴射器和膨脹機(jī) 的 CO 2跨臨界循環(huán)進(jìn)行了熱力學(xué)分析、系統(tǒng)模擬、 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)等方面研究。日本 Denso 公司成功實(shí)現(xiàn)了 帶噴射器的 CO 2熱泵熱水器的商業(yè)化。已有的膨脹 機(jī)循環(huán)與噴射器循環(huán)研究主要在集中在空調(diào)工況,

7、 對于噴射器循環(huán)與膨脹機(jī)循環(huán)在熱水器工況下的對 比分析鮮有報(bào)道。基金項(xiàng)目:江蘇大學(xué)高級專業(yè)人才科研啟動基金(11JDG042作者簡介:郭興龍 (1981-,男,講師,主要研究方向:制冷與低溫系統(tǒng) 節(jié)能及優(yōu)化設(shè)計(jì) , E-mail: guoxl本文建立了跨臨界二氧化碳節(jié)流閥循環(huán)、膨脹 機(jī)循環(huán)和噴射器循環(huán)模型,研究了典型熱水器工況 下,氣體冷卻器的工質(zhì)進(jìn)出口溫度對循環(huán)性能和高 壓側(cè)壓力的影響。研究結(jié)果對于 CO 2熱泵熱水器系 統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行有一定的理論指導(dǎo)意義。1 循環(huán)流程描述基本 CO 2跨臨界節(jié)流閥循環(huán)流程如圖 1實(shí)線所 示,從壓縮機(jī)出來的高壓氣流先后經(jīng)過氣體冷卻器 內(nèi)與熱水的換熱過程 1-2

8、,等焓節(jié)流過程 2-3,蒸發(fā) 器內(nèi)與空氣的換熱過程 3-4, 壓縮過程 4-1完成整個(gè) 循環(huán)。 圖 2實(shí)線 1-2-3-4-1循環(huán)過程表示了基本跨臨 界節(jié)流閥循環(huán)熱力過程,各狀態(tài)點(diǎn)與圖 1的各狀態(tài) 點(diǎn)相對應(yīng)。膨脹機(jī)代替節(jié)流閥可以回收節(jié)流膨脹功,從而 減少壓縮機(jī)的輸入功,提高系統(tǒng)性能系數(shù)。 CO 2跨 臨界膨脹機(jī)循環(huán)流程如圖 1虛線部分所示。圖 2的 虛線 1-2-3t-4-1循環(huán)過程表示了膨脹機(jī)跨臨界循環(huán) 熱力過程,各狀態(tài)點(diǎn)與圖 1的各狀態(tài)點(diǎn)相對應(yīng)。圖 1 節(jié)流閥循環(huán)和膨脹機(jī)循環(huán)的流程圖 圖 膨脹過程動能,提高了壓縮機(jī)入口壓力,節(jié)省了壓 縮機(jī)輸入功,提高了系統(tǒng)性能。 CO 2跨臨界噴射器 循環(huán)

9、流程如圖 3所示。超臨界 CO 2經(jīng)過氣體冷卻器 冷卻后流入主噴嘴變?yōu)榈蛪焊咚倭黧w,從而吸收蒸 發(fā)器中的低壓冷媒蒸汽流入引射噴嘴。然后工作流 和引射流在混合段混合,再經(jīng)擴(kuò)壓段變?yōu)榈退俑邏?流體排出。圖 4的 1-2-5-6-3-4-1循環(huán)過程表示了工 作流熱力循環(huán)過程, 10-7-6-3-8-9-10循環(huán)過程表示 了引射流熱力循環(huán)過程,各狀態(tài)點(diǎn)與圖 3的各狀態(tài) 點(diǎn)相對應(yīng)。圖 3 噴射器循環(huán)的系統(tǒng)流程圖圖的壓降; 2. 忽略噴射器進(jìn)、出口動能; 3壓縮機(jī)等熵 效率 c 、膨脹機(jī)等熵效率 t 、工作流噴嘴效率 mb ,引 射流的噴嘴效率 sb 、擴(kuò)壓段效率 d 為定值。三種循環(huán)的系統(tǒng)性能指數(shù) CO

10、P 可由下式計(jì)算, P(MPa1P(MPanet w q /COP gc = (1 三種種循環(huán)氣體冷卻器換熱量 q gc 可由下式計(jì)算,21gc h h q = (2節(jié)流閥循環(huán)系統(tǒng)輸入功可由下式計(jì)算,(c 41s 41net /h h h h w = (3式 (3中的 h 1s 為等熵壓縮過程壓縮機(jī)出口焓。膨脹機(jī)循環(huán)系統(tǒng)輸入功可由下式計(jì)算, t c net w w w = (c 41s 41c /h h h h w =(3s 2t 3t 2t h h h h w =式 (4-1、 (4-2 和 (4-3中的變量含義參見圖 2的虛線部分, h 3s 為等熵膨脹過程膨脹機(jī)出口焓。 噴射器循環(huán)系統(tǒng)輸

11、入功可由下式計(jì)算,(c 41s 41net /h h h h w = (5 噴射器中的熱力過程可由 式 (6-1(6-8描述,式中各變量的含義參見圖 4, h 5s 和 h 7s 分別表示等熵膨脹時(shí)噴射器工作流噴嘴出口和引射流噴嘴出口焓, u表示速度,射工作流的質(zhì)量流量為 1,引射流的質(zhì) 量流量為 w ,則有下述式子成立。對于噴射器工作流噴嘴段有 (s h h h h 5252mb =(25252h h u =對于噴射器引射流噴嘴段有 (s h h h h 710710sb =(271072h h u = (6-4對噴射器混合段有(6751u w u w u +=+ (6-5(21266102

12、u h w h w h +=+ (6-6對噴射器擴(kuò)壓段有(6767d /h h h h s = (6-7(71021h w h w h +=+ (6-8 3 結(jié)果與討論3.1 系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行條件基于以上理論模型,對典型的熱水器工況設(shè)計(jì)工況進(jìn)行分析。運(yùn)行工況如下 :氣體冷卻器工質(zhì)進(jìn)口溫度 T gc,i =90 ; 工質(zhì)出口溫度 T gc,o =20 ; 蒸發(fā)溫度T e =0 ; 壓縮機(jī)進(jìn)口蒸汽過熱度 T sh =5 ; 蒸發(fā)壓力與 噴 射 器 噴 嘴 段 出 口 壓 力 差 P e -P b =0.03MPa;c =0.75; t =0.6; mb = sb =0.9; d =0.889。 3.2

13、 系統(tǒng) COP 分析當(dāng)制取不同溫度的熱水時(shí),氣體冷卻器需要不同進(jìn)口溫度的超臨界 CO 2。圖 5為氣體冷卻器工質(zhì) 出口溫度為 20時(shí), 系統(tǒng) COP 隨工質(zhì)進(jìn)口溫度的變 化,隨著工質(zhì)進(jìn)口溫度的升高,系統(tǒng) COP 均降低。相同工質(zhì)進(jìn)口溫度下,膨脹機(jī)循環(huán)效率最高,噴射器循環(huán)次之,節(jié)流閥循環(huán)最低。C O P工 質(zhì)入口溫度 ( 圖 5 COP隨氣體冷卻器 CO 2進(jìn)口溫度的變化, T gc,o =20C O P工 質(zhì)出口溫度 ( 圖 6 COP隨氣體冷卻器 CO 2出口溫度的變化, T gc,i=90當(dāng)進(jìn)入氣體冷卻器的冷水溫度不同時(shí),氣體冷卻器內(nèi)超臨界 CO 2工質(zhì)的出口溫度不同。圖 6為氣體冷卻器工

14、質(zhì)進(jìn)口溫度為 90 時(shí), 系統(tǒng) COP 隨著工質(zhì)出口溫度的變化,隨著工質(zhì)出口溫度的降低,三種循環(huán)的系統(tǒng) COP 均降低。工質(zhì)出口溫度低于 40時(shí),膨脹機(jī)效率最高,噴射器循環(huán)次之,節(jié)流閥 循環(huán)最低。當(dāng)工質(zhì)出口溫度高于 40,膨脹機(jī)循環(huán)和節(jié)流閥循環(huán) COP 迅速降低,膨脹機(jī)循環(huán) COP 會低于噴射器循環(huán)。這是由于在 4060范圍內(nèi),同一壓力下 CO 2的比焓隨溫度的升高迅速升高,壓力越低時(shí)這種比焓隨溫度升高而迅速升高效應(yīng)越明顯,如圖 7所示。當(dāng)工質(zhì)出口溫度高于 40時(shí),節(jié)流閥循環(huán)和膨脹機(jī)循環(huán)高壓側(cè)壓力均低于 10MPa , 噴射器循環(huán)高壓側(cè)壓力高于節(jié)流閥循環(huán)和噴射器循環(huán)。所以膨脹機(jī)循環(huán)和節(jié)流閥循環(huán)

15、 COP 迅速降低,而噴射器循環(huán) COP 降低不明顯。 最終導(dǎo)致噴射器循 環(huán) COP 高于膨脹機(jī)循環(huán)和節(jié)流閥循環(huán)。 比 焓 (k J /k g 溫度 ( 圖 7 CO2比焓隨溫度的變化3.3 系統(tǒng)運(yùn)行高壓分析跨臨界 CO2的一個(gè)特點(diǎn)是運(yùn)行壓力高, 特別是 高壓側(cè)壓力,會對系統(tǒng)安全造成以一定影響。圖 8顯示了氣體冷卻器工質(zhì)出口溫度為 20時(shí) , 高壓側(cè) 壓力隨工質(zhì)入口溫度的變化。高壓側(cè)壓力隨著氣體 冷卻器工質(zhì)入口溫度的升高而升高。節(jié)流閥循環(huán)和 膨脹機(jī)循環(huán)高壓側(cè)壓力相同,低于噴射器循環(huán)。噴 射器循環(huán)因?yàn)樘岣吡藟嚎s機(jī)進(jìn)口壓力,所以高壓側(cè) 壓力也會相應(yīng)提高一些。圖 9顯示了氣體冷卻器工質(zhì)入口溫度為 9

16、0 時(shí),高壓側(cè)壓力隨工質(zhì)出口溫度的變化。節(jié)流閥循 環(huán)與膨脹機(jī)循環(huán)的高壓側(cè)壓力相同,隨工質(zhì)出口溫 度變化保持恒定。噴射器循環(huán)的高壓側(cè)壓力高于節(jié) 流閥循環(huán)和膨脹機(jī)循環(huán),這是由于噴射器提高了壓 縮機(jī)的入口壓力,所以壓縮機(jī)出口壓力也會相應(yīng)提 高。噴射器循環(huán)中,隨著工質(zhì)出口溫度的提高,高 壓側(cè)壓力逐漸升高,工質(zhì)出口溫度越高時(shí),噴射器 出口壓力越高,壓縮機(jī)進(jìn)口壓力越高,所以壓縮機(jī) 出口壓力也越高。 ¸高 壓 壓 力 (M P a 工 質(zhì)入口溫度 ( 圖 8 高壓壓力隨氣體冷卻器 CO 2進(jìn)口溫度的變化, T gc,o =20高 壓 壓 力 (M P a 工 質(zhì)出口溫度 ( 圖 9 高壓側(cè)壓力隨氣

17、體冷卻器 CO 2出口溫度的變化,T gc,i =904 結(jié)論膨脹機(jī)和噴射器是提高跨臨界 CO 2熱泵循環(huán) COP 的兩種重要方法。本文建立了跨臨界二氧化碳 熱泵熱水器節(jié)流閥循環(huán)、膨脹機(jī)循環(huán)和噴射器循環(huán) 模型,對典型的熱水器工況進(jìn)行了分析。通過結(jié)果 分析,初步得出以下結(jié)論:(1系統(tǒng) COP 隨氣體 冷器工質(zhì)進(jìn)口溫度的升高而降低,膨脹機(jī)、噴射器 和節(jié)流閥 COP 依次降低。(2系統(tǒng) COP 隨著氣體 冷卻器工質(zhì)出口溫度的升高而降低,冷卻器出口溫 度低于 40時(shí),膨脹機(jī)循環(huán),噴射器循環(huán)和節(jié)流閥 循環(huán) COP 依次降低; 在溫度高于 40時(shí), 噴射器循 環(huán)效率會高于膨脹機(jī)效率; (3 隨工質(zhì)入口溫度

18、的 上升,高壓側(cè)壓力上升,節(jié)流閥和膨脹機(jī)循環(huán)壓力 相同,均低于噴射器循環(huán);(3隨工質(zhì)出口溫度的 上升,節(jié)流閥和膨脹機(jī)循環(huán)壓力相同且保持恒定, 噴射器循環(huán)壓力上升。參 考 文 獻(xiàn)1 Tian H, Yang Z, Li M et al Research and application ofCO2 refrigeration and heat pump cycleJ. Science in China Series E.52(6 1563-1575 20092 Fernandez N, Hwang Y, Radermacher R. Comparison ofCO2 heat pump water

19、 heater performance with baseline cycle and two high cop cyclesJ. International Journal of Refrigeration 33 635-644, 20103 Robinson D M, Groll E A. Efficiencies of transcriticalCO2 cycles with and without an expansion turbineJ. International Journal of Refrigeration 21(7 577-589, 1998 4 Tian Hua, Ma Y T, Li M et al. Study on expansion powerrecovery in CO2 trans-critical cycleJ. Energy Conversion and Management 51 2516-2522 20105 Li D, Groll E A. Transcritical CO2 refrigeration cyclewith ejector-expansion deviceJ. International Journal ofRefrigeration 28 766-773