二氧化碳熱泵熱水器

二氧化碳熱泵熱水器跨臨界CO2循環(huán)的提出二氧化碳(CO2)上世紀(jì)90年月初，挪威NTH大學(xué)的Lorentzen教授依據(jù)CO2的特別物性提出跨臨界CO2循環(huán)，極大地推動(dòng)了CO2系統(tǒng)在制冷領(lǐng)域的進(jìn)展。在過去的十幾年中，國(guó)內(nèi)外很多爭(zhēng)論機(jī)構(gòu)對(duì)跨臨界 CO2循環(huán)投入了大量的爭(zhēng)論，?？缗R界CO2系統(tǒng)在高壓側(cè)的較大溫度變化〔約80—100℃〕的放熱過程，格外適合用于熱水加熱，因此，對(duì)熱泵領(lǐng)域的研究最先開頭于熱泵熱水器。根底性爭(zhēng)論與企業(yè)開發(fā)爭(zhēng)論現(xiàn)狀1996SINTEFNeskPettersonNTNUSINTEF能試驗(yàn)室建成了世界上第一臺(tái)熱泵熱水系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)。原型機(jī)電動(dòng)機(jī)的效率為，氣體冷卻器入口水溫從系統(tǒng)性能系數(shù)COP3.6，而且該試驗(yàn)系統(tǒng)能夠供給90℃的熱水。爭(zhēng)論CO275％左右。2023年，挪威科技大學(xué)ZakeriNeskASEggprodukt工廠建立了第一臺(tái)示范性工業(yè)用CO2熱泵熱水器。初步試驗(yàn)參數(shù)如下：蒸發(fā)溫度14.3℃，吸氣壓力50bar26℃，排氣溫度100℃，放熱壓力113bar，氣體冷卻器CO2出口溫度9.2℃，水的進(jìn)出口溫度水的質(zhì)流率0.26m3/hr18.43kw3.2kw5.77R.Kern〔2023〕將冷熱水分層水箱應(yīng)用于CO2熱泵熱水器中，冷水從水箱底部進(jìn)入熱水器，熱水則從水箱頂部供給，從而提高了CO2熱泵熱水器性能。2023年，挪威科技大學(xué)Stene設(shè)計(jì)了三段逆流式氣體冷卻器以更好的與其溫度滑移相匹配。氣體冷卻器低溫段用于水的預(yù)熱，中溫段用于低溫空間供熱，高溫段用于將水加熱到 60—70℃。日本電研院〔CRIEPI〕與東京電力公司〔TEPCO〕DENSO等人合作于CO22023TEPCOCO2結(jié)果說明包括風(fēng)扇和水泵耗功在內(nèi)的全年系統(tǒng)平均 且改進(jìn)型系統(tǒng)在外界空氣為－20℃時(shí)，仍可供給高達(dá) 90℃的熱水。等人研制的家用CO220120Hz的性能進(jìn)展了測(cè)試。結(jié)果說明制取65℃90℃的熱水時(shí)，年平均COP3.532.7240%CO2〔2023〕泵熱水器。該熱水器額定制熱量和COP分別為23kw和4.6，不用摻混冷水就可以直接供給所需水溫的熱水。2023年，日本大金和松下公司也各自推出了自己的 CO2熱泵熱水器。在日本，從2023年投放市場(chǎng)以來，銷售量穩(wěn)步上升。依據(jù)制熱量、水箱容量和地區(qū)適應(yīng)性的不同，現(xiàn)今日本市場(chǎng)上有 Mitsubishi、Daikin、Sanyo、Hitachi、Matsushita、Toshiba、Denso、Chofu等各公司共計(jì)16種以上不同類型的CO2熱泵熱水器。國(guó)內(nèi)院校中，天津大學(xué)、上海交通大學(xué)、西安交通大學(xué)等學(xué)府也對(duì) CO2熱泵熱水器開展了爭(zhēng)論，天津大學(xué)和上海交通大學(xué)還制作了樣機(jī)并對(duì)樣機(jī)進(jìn)展了具體的爭(zhēng)論。國(guó)內(nèi)企業(yè)方面，慶安制冷對(duì) CO2熱泵熱水器也進(jìn)展了細(xì)致爭(zhēng)論和樣機(jī)開發(fā)工作。為了能使其自身開發(fā)的 很好的表現(xiàn)，特地投入研發(fā)力氣從 CO2熱泵熱水器構(gòu)造設(shè)計(jì)、流程進(jìn)展設(shè)計(jì)、系統(tǒng)掌握策略、電機(jī)拖動(dòng)掌握策略、掌握器和水路系統(tǒng)等角度進(jìn)展詳細(xì)爭(zhēng)論，為其今后CO2CO2熱泵熱水器的仿真爭(zhēng)論現(xiàn)狀Yokoyama〔2023〕承受數(shù)值模擬的方法分析爭(zhēng)論了外界環(huán)境溫度對(duì)家用風(fēng)冷式熱泵熱水器性能的影響。Cavallini〔2023〕對(duì)根本的兩級(jí)壓縮機(jī)中間冷卻跨臨界CO2系統(tǒng)〔無回?zé)崞鳌尺M(jìn)展了試驗(yàn)測(cè)試，并依據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立了熱力學(xué)模型，分析優(yōu)化了兩級(jí)壓縮機(jī)中間冷卻跨臨界 CO2系統(tǒng)。通過在回氣管路上增加回?zé)崞骱驮跉怏w冷卻器后增加后冷卻器，可提高COP25%。AgrawalN〔2023〕同樣對(duì)兩級(jí)壓縮機(jī)中間冷卻跨臨界 了優(yōu)化設(shè)計(jì)，提出了三種優(yōu)化方式并得出相應(yīng)循環(huán)的最優(yōu)高壓壓力和壓CO2此模型可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)展穩(wěn)態(tài)模擬，也可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)展優(yōu)化設(shè)計(jì)。既可以用于制冷計(jì)算，也可以用于制熱計(jì)算，而且空氣和水都可以用做熱源和熱匯，這樣包括了熱水加熱、空調(diào)、制冷和熱泵系統(tǒng)。 Wang和Hihara對(duì)CO2和R22熱泵熱水器的性能進(jìn)展了爭(zhēng)論，對(duì)每個(gè)部件和整個(gè)系統(tǒng)建立了模型。結(jié)果顯示，CO2熱泵熱水器的COP值低于R22裝置；但是當(dāng)系統(tǒng)中參加回?zé)崞骱?，CO2的COP與R22相當(dāng)，只不過CO2壓縮機(jī)的排氣溫度增加很快，并且最正確高壓壓力時(shí)所對(duì)應(yīng)的制熱量明顯降低。 Sarkar〔2023〕建立了跨臨界CO2熱泵系統(tǒng)同時(shí)制冷和制熱時(shí)的穩(wěn)態(tài)模型，得出了最優(yōu)的 側(cè)壓力的關(guān)系式。Skaugen和Svensson對(duì)CO2跨臨界熱泵裝置進(jìn)展了動(dòng)態(tài)模擬。他們首先開發(fā)了一個(gè)穩(wěn)態(tài)模型，以便為動(dòng)態(tài)模擬供給相關(guān)的初始數(shù)據(jù)，以及為CO2熱泵裝置的設(shè)計(jì)和操作進(jìn)展優(yōu)化。結(jié)果說明，兩者在定性方面符合得很好。Pfafferott和Schmitz開發(fā)了CO2制冷系統(tǒng)用Modelica合得很好。國(guó)內(nèi)主要有上海交通大學(xué)的丁國(guó)良等人進(jìn)展了 CO2汽車空調(diào)的仿真爭(zhēng)論。Ma?Y?T對(duì)膨脹機(jī)在跨臨界兩級(jí)壓縮CO2制冷系統(tǒng)中的優(yōu)化配置進(jìn)展了爭(zhēng)論。YangJL對(duì)三種不同循環(huán)形式的帶膨脹機(jī)跨臨界兩級(jí)壓縮 統(tǒng)進(jìn)展了熱力學(xué)分析比較，得出了膨脹機(jī)在兩級(jí)壓縮 CO2制冷系統(tǒng)中最優(yōu)的配置形式。CO2膨脹機(jī)構(gòu)爭(zhēng)論現(xiàn)狀活塞式膨脹機(jī)HeylPQuack臨界CO2循環(huán)膨脹機(jī)。Heyl?P教授和QuackH博士〔1999〕開發(fā)出的第一代自由活塞膨脹壓縮機(jī)，承受雙作用對(duì)稱式構(gòu)造，具有兩個(gè)膨脹缸和兩個(gè)壓縮缸，在CO2制冷試驗(yàn)臺(tái)上的測(cè)試結(jié)果說明，與承受節(jié)流閥時(shí)的系統(tǒng) 相比可提高30%。Nickl〔2023〕在發(fā)表的論文中介紹了其次代自由活塞式膨脹壓縮機(jī)。通過增加一個(gè)雙臂搖桿，使膨脹機(jī)活塞和壓縮機(jī)活塞的運(yùn)動(dòng)同，從而解決了第一代中膨脹機(jī)活塞和壓縮機(jī)活塞必需同步運(yùn)轉(zhuǎn)的問題，減小了效率損失，其系統(tǒng)性能比第一代提高 10%?！抽_發(fā)的第三代自由活塞式膨脹壓縮機(jī)重承受了第一代的全壓膨脹原理，但是通過三級(jí)膨脹的方法，提高膨脹功的回收，減小〔2023〕對(duì)第三代膨脹壓縮機(jī)樣機(jī)成功進(jìn)展了原理性實(shí)驗(yàn)。試驗(yàn)驗(yàn)證了膨脹機(jī)的掌握機(jī)構(gòu)完全可行，同時(shí)驗(yàn)證了 CO2自身攜帶的潤(rùn)滑油就可滿足機(jī)器的潤(rùn)滑需要，無需額外的潤(rùn)滑系統(tǒng)。 Nickl〔2023〕給出了對(duì)樣機(jī)進(jìn)展進(jìn)一步試驗(yàn)得出的 P-V圖，并估算出膨脹機(jī)等熵效率到達(dá)65%—70%，壓縮機(jī)等熵效率超過90%。Li等〔2023〕對(duì)CO2循環(huán)系統(tǒng)中不同的膨脹設(shè)備進(jìn)展了熱力分析，提出承受渦管和活塞式膨脹機(jī)來減小節(jié)流損失。 BaekS〔2023〕將一商用的四沖程兩缸發(fā)動(dòng)機(jī)改造成活塞式膨脹機(jī)，吸、排氣口的開閉承受快速電磁閥掌握，試驗(yàn)測(cè)得膨脹機(jī)的等熵效率為 提高7%—10%。BaekS〔2023〕對(duì)研制的活塞式膨脹機(jī)建立了具體的數(shù)學(xué)模型，并通過模型對(duì)樣機(jī)進(jìn)展了分析。渦旋式膨脹機(jī)Preissner〔2023〕HuffJ〔2023〕將兩臺(tái)半封閉式R134a機(jī)改造成1.7mm則保持不變，仍為14mm和容積效率僅為28%40%。對(duì)于樣機(jī)Ⅱ，由于膨脹機(jī)的工作容積大，減弱了內(nèi)部泄漏的影響，其性能高于樣機(jī)Ⅰ，最大等熵效率和容積效率分別42%68%。WestphalenD〔2023〕也在理論上對(duì)CO2爭(zhēng)論，提出了CO2渦旋膨脹機(jī)的設(shè)計(jì)方案和功回收的方式，推測(cè)其泄漏損失約為20%，摩擦損失約為15%，總效率可到達(dá)72%滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式膨脹機(jī)天津大學(xué)的魏東，查世彤，李敏霞，管海清等人先后對(duì)CO2式膨脹機(jī)進(jìn)展了開發(fā)和爭(zhēng)論。魏東開發(fā)了第一代D3ER1.0型滾動(dòng)活塞膨脹機(jī)。初步試驗(yàn)說明，膨脹機(jī)樣機(jī)可以正常運(yùn)轉(zhuǎn)。查世彤在第一代的根底上開發(fā)了其次代D3ER2.0型滾動(dòng)活塞膨脹機(jī)，通過增加滾針軸承減小膨脹機(jī)內(nèi)部的摩擦，為防止外泄漏，將發(fā)電機(jī)和膨脹機(jī)合并為一體。李敏霞在D3ER2.0型膨脹機(jī)上進(jìn)一步的改進(jìn)成型滑板滾動(dòng)活塞膨脹機(jī)，型號(hào)D3ER2.1，將線密封改為面密封，理論計(jì)算泄漏可減小 50%。此外，李敏霞又設(shè)計(jì)開發(fā)了D3ESW1.0搖擺轉(zhuǎn)子式膨脹機(jī)，將滾動(dòng)活塞與滑板做成一體，D3ER2.1型和D3ESW1.0型膨脹機(jī)效率均高于D3ER2.0型膨脹機(jī)分別為33%—44%35%—47%。管海清則在前人爭(zhēng)論的根底上，設(shè)計(jì)開發(fā)了搖擺轉(zhuǎn)子式膨脹壓縮機(jī)，測(cè)試出了樣機(jī)中膨脹機(jī)和壓縮機(jī)的效率分別為30%—50%60%—80%。其他膨脹機(jī)CityStosic〔2023〕在理論上對(duì)CO2了爭(zhēng)論，膨脹機(jī)和壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)子通過共軸方式連接，并置于兩個(gè)獨(dú)立的荷可以完全抵消，徑向負(fù)荷較小20%。Fukuta〔2023〕對(duì)滑片式膨脹機(jī)進(jìn)展了爭(zhēng)論，建立的數(shù)學(xué)模型模擬結(jié)果型推測(cè)滑片式膨脹機(jī)總效率在20%—40%，并隨著轉(zhuǎn)速的增加而增大。由滑片式油泵改造成的CO2滑片式膨脹機(jī)樣機(jī)，在膨脹機(jī)進(jìn)口壓力 9.1MPa，出口壓力4.1MPa的工況下，總效率可到達(dá)43%。Fukuta〔2023〕研制了滑片式膨脹壓縮機(jī)樣機(jī)，其中壓縮機(jī)局部作為 CO2循環(huán)的二級(jí)壓縮機(jī)。試驗(yàn)結(jié)果顯示，壓縮機(jī)局部的性能主要受壓縮機(jī)前后壓差和轉(zhuǎn)速的影響。MIEE?Driver公司對(duì)一般的滑片式膨脹壓縮機(jī)進(jìn)展了改進(jìn)，并申請(qǐng)了專利。其它膨脹設(shè)備LiDQ建立了噴射器等壓混合模型，并在 年進(jìn)一步建立了兩相流淌噴射器和相應(yīng)的CO2循環(huán)系統(tǒng)的模型。計(jì)算結(jié)果覺察，主噴嘴膨脹過程的等熵效率為95%，但副噴嘴的等熵效率很低只有26%。Tdell〔2023〕CO220%—30%CO2壓縮機(jī)的爭(zhēng)論現(xiàn)狀活塞式壓縮機(jī)1998，SüβKurseBock公司生產(chǎn)的開啟式CO2DanfossA/S公司的斜盤式CO2CO2縮機(jī)，包括雙缸單級(jí)和兩級(jí)壓縮機(jī)兩種形式。瑞士蘇黎世大學(xué)對(duì)應(yīng)用在家用熱水器上的半封閉小型無油活塞式 CO2壓縮機(jī)進(jìn)展了爭(zhēng)論開發(fā)。Nesk等人對(duì)半封閉式兩級(jí)CO2活塞式壓縮進(jìn)展了爭(zhēng)論，測(cè)試結(jié)果顯示轉(zhuǎn)速1450r/min下，效率和等熵效率最大分別到達(dá) 工況下，其性能要優(yōu)于單級(jí)壓縮。日本DENSO公司和靜岡大學(xué)合作開發(fā)了活塞式 了測(cè)試并與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)展了比較。爭(zhēng)論覺察活塞環(huán)的密封效果很好，但是存在通過氣閥的反泄漏，這對(duì)相對(duì)較小的工作容積的壓縮機(jī)效率影響很大。國(guó)內(nèi)上海交通大學(xué)的陳江平和上海易初通用合作開發(fā)了車用斜盤式CO2壓縮機(jī)并進(jìn)展了一系列的爭(zhēng)論。滾動(dòng)活塞式和搖擺活塞式壓縮機(jī)日本三洋公司開發(fā)出了全封閉CO2雙級(jí)滾動(dòng)活塞式壓縮機(jī)。這種氣路設(shè)計(jì)，使得機(jī)殼內(nèi)壓力為一級(jí)排氣壓力，約為 5-6MPa，減小了壓縮機(jī)工作腔與機(jī)殼腔體之間的泄漏，有利于提高壓縮機(jī)的效率，據(jù)報(bào)道其在50—80Hz的工作頻率下，最高絕熱效率可到達(dá) 0.8以上。日本大金公司設(shè)計(jì)開發(fā)了搖擺轉(zhuǎn)子式 認(rèn)為，由于CO2搖擺轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)的偏心距較小，雖然其工作壓差很大，但設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求與R410A壓縮機(jī)相當(dāng)。Hubacher和Groll對(duì)一臺(tái)全封閉兩級(jí)壓縮CO2轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)進(jìn)展了試驗(yàn)測(cè)試，結(jié)果顯示壓比在1.5—5范圍內(nèi)，容積效率為0.78—0.9。Dreiman和Bunch開發(fā)了全封閉式CO2轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)。Yokoyama等人對(duì)用于熱泵系統(tǒng)的兩級(jí)壓縮級(jí)間補(bǔ)氣滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式CO2壓縮機(jī)進(jìn)展了開發(fā)并進(jìn)展了試驗(yàn)爭(zhēng)論，在高壓比和低轉(zhuǎn)速狀況下，兩級(jí)壓縮型式的 CO2壓縮機(jī)在效率和供熱力量方面均優(yōu)于單級(jí)。在國(guó)內(nèi)，慶安制冷從年開頭對(duì)滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式CO2。主要工作集中在壓縮機(jī)耐高壓整體構(gòu)造設(shè)計(jì)、軸承系統(tǒng)牢靠性設(shè)計(jì)、組直流電機(jī)拖動(dòng)掌握方案爭(zhēng)論、掌握器設(shè)計(jì)和制造工藝技術(shù)爭(zhēng)論。在 2023年開發(fā)出樣機(jī)，樣機(jī)容積效率到達(dá)0.75%-0.91%，并通過了牢靠性評(píng)價(jià)試驗(yàn)。渦旋壓縮機(jī)DENSO公司研制了CO2渦旋壓縮機(jī)用于CO2日本松下公司在410A渦旋壓縮機(jī)的根底上，對(duì)渦圈、殼體等部件進(jìn)展了重設(shè)計(jì)，開發(fā)了CO2渦旋壓縮機(jī)樣機(jī)。對(duì)樣機(jī)的試驗(yàn)結(jié)果說明，壓縮機(jī)容積效率和絕熱效率隨轉(zhuǎn)速增大而增加，在 34.6—48.2Hz工作頻率范圍內(nèi)，容積效率在0.720.86之間，等熵效率為0.430.47也開發(fā)了用于CO2熱泵熱水器的渦旋壓縮機(jī)，壓縮機(jī)的絕熱效率可到達(dá)0.76YanoNakao等人還開發(fā)了大容量的CO2滑片壓縮機(jī)美國(guó)馬里蘭大學(xué)和日本靜岡大學(xué)合作對(duì) ，包括可行性、壓縮腔內(nèi)的溫度和壓力等關(guān)鍵參數(shù)分析、容積效率和指示效率的估算、滑片的受力狀況等。爭(zhēng)論覺察，泄漏損失是影響壓縮機(jī)效率的主要因素。另還對(duì)兩級(jí)壓縮滑片式 CO2壓縮機(jī)和滑片式膨脹壓縮機(jī)進(jìn)展了分析。螺桿壓縮機(jī)公司開發(fā)了冷和制熱，壓縮機(jī)排出的CO2City大學(xué)開發(fā)了用于CO2CO2換熱器的爭(zhēng)論現(xiàn)狀開發(fā)了CO2平板組成傳熱管，平板被擠壓成微通道。Schonfeld和Kraus對(duì)超臨界流體換熱進(jìn)展理論計(jì)算和試驗(yàn)爭(zhēng)論，覺察計(jì)算結(jié)果高于試驗(yàn)值，說明超臨界不能用常規(guī)對(duì)流換熱方法準(zhǔn)確計(jì)算。Dang和Hiara也進(jìn)展了上述工作，比較了多個(gè)關(guān)聯(lián)式，并在 Pilta方程的根底上建立了的關(guān)聯(lián)式，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果誤差為20%東京大學(xué)的Hihara和Tanaka對(duì)高壓下CO2流體沸騰做了大量的試驗(yàn)，由于在蒸發(fā)器內(nèi)，流體涉及兩相流換熱，流體的流型對(duì)換熱影響很大。挪威 CO2流體在微通道內(nèi)低壓沸騰流淌流型進(jìn)展試驗(yàn)爭(zhēng)論，給出了流型圖，同時(shí)試。Grol和Kim都對(duì)CO2流體干度對(duì)水平管換熱系數(shù)的影響進(jìn)展了理論與試驗(yàn)爭(zhēng)