二氧化碳热泵热水器

二氧化碳热泵热水器跨临界CO2循环的提出二氧化碳(CO2)上世纪90年月初，挪威NTH大学的Lorentzen教授依据CO2的特别物性提出跨临界CO2循环，极大地推动了CO2系统在制冷领域的进展。在过去的十几年中，国内外很多争论机构对跨临界 CO2循环投入了大量的争论，。跨临界CO2系统在高压侧的较大温度变化〔约80—100℃〕的放热过程，格外适合用于热水加热，因此，对热泵领域的研究最先开头于热泵热水器。根底性争论与企业开发争论现状1996SINTEFNeskPettersonNTNUSINTEF能试验室建成了世界上第一台热泵热水系统试验台。原型机电动机的效率为，气体冷却器入口水温从系统性能系数COP3.6，而且该试验系统能够供给90℃的热水。争论CO275％左右。2023年，挪威科技大学ZakeriNeskASEggprodukt工厂建立了第一台示范性工业用CO2热泵热水器。初步试验参数如下：蒸发温度14.3℃，吸气压力50bar26℃，排气温度100℃，放热压力113bar，气体冷却器CO2出口温度9.2℃，水的进出口温度水的质流率0.26m3/hr18.43kw3.2kw5.77R.Kern〔2023〕将冷热水分层水箱应用于CO2热泵热水器中，冷水从水箱底部进入热水器，热水则从水箱顶部供给，从而提高了CO2热泵热水器性能。2023年，挪威科技大学Stene设计了三段逆流式气体冷却器以更好的与其温度滑移相匹配。气体冷却器低温段用于水的预热，中温段用于低温空间供热，高温段用于将水加热到 60—70℃。日本电研院〔CRIEPI〕与东京电力公司〔TEPCO〕DENSO等人合作于CO22023TEPCOCO2结果说明包括风扇和水泵耗功在内的全年系统平均 且改进型系统在外界空气为－20℃时，仍可供给高达 90℃的热水。等人研制的家用CO220120Hz的性能进展了测试。结果说明制取65℃90℃的热水时，年平均COP3.532.7240%CO2〔2023〕泵热水器。该热水器额定制热量和COP分别为23kw和4.6，不用掺混冷水就可以直接供给所需水温的热水。2023年，日本大金和松下公司也各自推出了自己的 CO2热泵热水器。在日本，从2023年投放市场以来，销售量稳步上升。依据制热量、水箱容量和地区适应性的不同，现今日本市场上有 Mitsubishi、Daikin、Sanyo、Hitachi、Matsushita、Toshiba、Denso、Chofu等各公司共计16种以上不同类型的CO2热泵热水器。国内院校中，天津大学、上海交通大学、西安交通大学等学府也对 CO2热泵热水器开展了争论，天津大学和上海交通大学还制作了样机并对样机进展了具体的争论。国内企业方面，庆安制冷对 CO2热泵热水器也进展了细致争论和样机开发工作。为了能使其自身开发的 很好的表现，特地投入研发力气从 CO2热泵热水器构造设计、流程进展设计、系统掌握策略、电机拖动掌握策略、掌握器和水路系统等角度进展详细争论，为其今后CO2CO2热泵热水器的仿真争论现状Yokoyama〔2023〕承受数值模拟的方法分析争论了外界环境温度对家用风冷式热泵热水器性能的影响。Cavallini〔2023〕对根本的两级压缩机中间冷却跨临界CO2系统〔无回热器〕进展了试验测试，并依据试验数据建立了热力学模型，分析优化了两级压缩机中间冷却跨临界 CO2系统。通过在回气管路上增加回热器和在气体冷却器后增加后冷却器，可提高COP25%。AgrawalN〔2023〕同样对两级压缩机中间冷却跨临界 了优化设计，提出了三种优化方式并得出相应循环的最优高压压力和压CO2此模型可以对系统进展稳态模拟，也可以对系统进展优化设计。既可以用于制冷计算，也可以用于制热计算，而且空气和水都可以用做热源和热汇，这样包括了热水加热、空调、制冷和热泵系统。 Wang和Hihara对CO2和R22热泵热水器的性能进展了争论，对每个部件和整个系统建立了模型。结果显示，CO2热泵热水器的COP值低于R22装置；但是当系统中参加回热器后，CO2的COP与R22相当，只不过CO2压缩机的排气温度增加很快，并且最正确高压压力时所对应的制热量明显降低。 Sarkar〔2023〕建立了跨临界CO2热泵系统同时制冷和制热时的稳态模型，得出了最优的 侧压力的关系式。Skaugen和Svensson对CO2跨临界热泵装置进展了动态模拟。他们首先开发了一个稳态模型，以便为动态模拟供给相关的初始数据，以及为CO2热泵装置的设计和操作进展优化。结果说明，两者在定性方面符合得很好。Pfafferott和Schmitz开发了CO2制冷系统用Modelica合得很好。国内主要有上海交通大学的丁国良等人进展了 CO2汽车空调的仿真争论。Ma?Y?T对膨胀机在跨临界两级压缩CO2制冷系统中的优化配置进展了争论。YangJL对三种不同循环形式的带膨胀机跨临界两级压缩 统进展了热力学分析比较，得出了膨胀机在两级压缩 CO2制冷系统中最优的配置形式。CO2膨胀机构争论现状活塞式膨胀机HeylPQuack临界CO2循环膨胀机。Heyl?P教授和QuackH博士〔1999〕开发出的第一代自由活塞膨胀压缩机，承受双作用对称式构造，具有两个膨胀缸和两个压缩缸，在CO2制冷试验台上的测试结果说明，与承受节流阀时的系统 相比可提高30%。Nickl〔2023〕在发表的论文中介绍了其次代自由活塞式膨胀压缩机。通过增加一个双臂摇杆，使膨胀机活塞和压缩机活塞的运动同，从而解决了第一代中膨胀机活塞和压缩机活塞必需同步运转的问题，减小了效率损失，其系统性能比第一代提高 10%。〕开发的第三代自由活塞式膨胀压缩机重承受了第一代的全压膨胀原理，但是通过三级膨胀的方法，提高膨胀功的回收，减小〔2023〕对第三代膨胀压缩机样机成功进展了原理性实验。试验验证了膨胀机的掌握机构完全可行，同时验证了 CO2自身携带的润滑油就可满足机器的润滑需要，无需额外的润滑系统。 Nickl〔2023〕给出了对样机进展进一步试验得出的 P-V图，并估算出膨胀机等熵效率到达65%—70%，压缩机等熵效率超过90%。Li等〔2023〕对CO2循环系统中不同的膨胀设备进展了热力分析，提出承受涡管和活塞式膨胀机来减小节流损失。 BaekS〔2023〕将一商用的四冲程两缸发动机改造成活塞式膨胀机，吸、排气口的开闭承受快速电磁阀掌握，试验测得膨胀机的等熵效率为 提高7%—10%。BaekS〔2023〕对研制的活塞式膨胀机建立了具体的数学模型，并通过模型对样机进展了分析。涡旋式膨胀机Preissner〔2023〕HuffJ〔2023〕将两台半封闭式R134a机改造成1.7mm则保持不变，仍为14mm和容积效率仅为28%40%。对于样机Ⅱ，由于膨胀机的工作容积大，减弱了内部泄漏的影响，其性能高于样机Ⅰ，最大等熵效率和容积效率分别42%68%。WestphalenD〔2023〕也在理论上对CO2争论，提出了CO2涡旋膨胀机的设计方案和功回收的方式，推测其泄漏损失约为20%，摩擦损失约为15%，总效率可到达72%滚动转子式膨胀机天津大学的魏东，查世彤，李敏霞，管海清等人先后对CO2式膨胀机进展了开发和争论。魏东开发了第一代D3ER1.0型滚动活塞膨胀机。初步试验说明，膨胀机样机可以正常运转。查世彤在第一代的根底上开发了其次代D3ER2.0型滚动活塞膨胀机，通过增加滚针轴承减小膨胀机内部的摩擦，为防止外泄漏，将发电机和膨胀机合并为一体。李敏霞在D3ER2.0型膨胀机上进一步的改进成型滑板滚动活塞膨胀机，型号D3ER2.1，将线密封改为面密封，理论计算泄漏可减小 50%。此外，李敏霞又设计开发了D3ESW1.0摇摆转子式膨胀机，将滚动活塞与滑板做成一体，D3ER2.1型和D3ESW1.0型膨胀机效率均高于D3ER2.0型膨胀机分别为33%—44%35%—47%。管海清则在前人争论的根底上，设计开发了摇摆转子式膨胀压缩机，测试出了样机中膨胀机和压缩机的效率分别为30%—50%60%—80%。其他膨胀机CityStosic〔2023〕在理论上对CO2了争论，膨胀机和压缩机的转子通过共轴方式连接，并置于两个独立的荷可以完全抵消，径向负荷较小20%。Fukuta〔2023〕对滑片式膨胀机进展了争论，建立的数学模型模拟结果型推测滑片式膨胀机总效率在20%—40%，并随着转速的增加而增大。由滑片式油泵改造成的CO2滑片式膨胀机样机，在膨胀机进口压力 9.1MPa，出口压力4.1MPa的工况下，总效率可到达43%。Fukuta〔2023〕研制了滑片式膨胀压缩机样机，其中压缩机局部作为 CO2循环的二级压缩机。试验结果显示，压缩机局部的性能主要受压缩机前后压差和转速的影响。MIEE?Driver公司对一般的滑片式膨胀压缩机进展了改进，并申请了专利。其它膨胀设备LiDQ建立了喷射器等压混合模型，并在 年进一步建立了两相流淌喷射器和相应的CO2循环系统的模型。计算结果觉察，主喷嘴膨胀过程的等熵效率为95%，但副喷嘴的等熵效率很低只有26%。Tdell〔2023〕CO220%—30%CO2压缩机的争论现状活塞式压缩机1998，SüβKurseBock公司生产的开启式CO2DanfossA/S公司的斜盘式CO2CO2缩机，包括双缸单级和两级压缩机两种形式。瑞士苏黎世大学对应用在家用热水器上的半封闭小型无油活塞式 CO2压缩机进展了争论开发。Nesk等人对半封闭式两级CO2活塞式压缩进展了争论，测试结果显示转速1450r/min下，效率和等熵效率最大分别到达 工况下，其性能要优于单级压缩。日本DENSO公司和静冈大学合作开发了活塞式 了测试并与理论计算结果进展了比较。争论觉察活塞环的密封效果很好，但是存在通过气阀的反泄漏，这对相对较小的工作容积的压缩机效率影响很大。国内上海交通大学的陈江平和上海易初通用合作开发了车用斜盘式CO2压缩机并进展了一系列的争论。滚动活塞式和摇摆活塞式压缩机日本三洋公司开发出了全封闭CO2双级滚动活塞式压缩机。这种气路设计，使得机壳内压力为一级排气压力，约为 5-6MPa，减小了压缩机工作腔与机壳腔体之间的泄漏，有利于提高压缩机的效率，据报道其在50—80Hz的工作频率下，最高绝热效率可到达 0.8以上。日本大金公司设计开发了摇摆转子式 认为，由于CO2摇摆转子压缩机的偏心距较小，虽然其工作压差很大，但设计强度要求与R410A压缩机相当。Hubacher和Groll对一台全封闭两级压缩CO2转子式压缩机进展了试验测试，结果显示压比在1.5—5范围内，容积效率为0.78—0.9。Dreiman和Bunch开发了全封闭式CO2转子压缩机。Yokoyama等人对用于热泵系统的两级压缩级间补气滚动转子式CO2压缩机进展了开发并进展了试验争论，在高压比和低转速状况下，两级压缩型式的 CO2压缩机在效率和供热力量方面均优于单级。在国内，庆安制冷从年开头对滚动转子式CO2。主要工作集中在压缩机耐高压整体构造设计、轴承系统牢靠性设计、组直流电机拖动掌握方案争论、掌握器设计和制造工艺技术争论。在 2023年开发出样机，样机容积效率到达0.75%-0.91%，并通过了牢靠性评价试验。涡旋压缩机DENSO公司研制了CO2涡旋压缩机用于CO2日本松下公司在410A涡旋压缩机的根底上，对涡圈、壳体等部件进展了重设计，开发了CO2涡旋压缩机样机。对样机的试验结果说明，压缩机容积效率和绝热效率随转速增大而增加，在 34.6—48.2Hz工作频率范围内，容积效率在0.720.86之间，等熵效率为0.430.47也开发了用于CO2热泵热水器的涡旋压缩机，压缩机的绝热效率可到达0.76YanoNakao等人还开发了大容量的CO2滑片压缩机美国马里兰大学和日本静冈大学合作对 ，包括可行性、压缩腔内的温度和压力等关键参数分析、容积效率和指示效率的估算、滑片的受力状况等。争论觉察，泄漏损失是影响压缩机效率的主要因素。另还对两级压缩滑片式 CO2压缩机和滑片式膨胀压缩机进展了分析。螺杆压缩机公司开发了冷和制热，压缩机排出的CO2City大学开发了用于CO2CO2换热器的争论现状开发了CO2平板组成传热管，平板被挤压成微通道。Schonfeld和Kraus对超临界流体换热进展理论计算和试验争论，觉察计算结果高于试验值，说明超临界不能用常规对流换热方法准确计算。Dang和Hiara也进展了上述工作，比较了多个关联式，并在 Pilta方程的根底上建立了的关联式，计算结果与试验结果误差为20%东京大学的Hihara和Tanaka对高压下CO2流体沸腾做了大量的试验，由于在蒸发器内，流体涉及两相流换热，流体的流型对换热影响很大。挪威 CO2流体在微通道内低压沸腾流淌流型进展试验争论，给出了流型图，同时试。Grol和Kim都对CO2流体干度对水平管换热系数的影响进展了理论与试验争