二氧化碳熱泵熱水器性能測(cè)試

湯輝

【摘 要】二氧化碳具備良好環(huán)境性能，并且在跨臨界循環(huán)運(yùn)行過(guò)程中具備獨(dú)特?zé)崃W(xué)的優(yōu)勢(shì)，為空調(diào)、制冷、熱泵行業(yè)主要研究?jī)?nèi)容。本文創(chuàng)建二氧化碳熱泵熱水器測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)二氧化碳熱泵熱水器運(yùn)行性能進(jìn)行測(cè)試。

【關(guān)鍵詞】二氧化碳；熱泵；熱水器；性能

因?yàn)榉褐评鋭┍唤?，工質(zhì)替代成為人們重視的問(wèn)題。人們開(kāi)始重視二氧化碳，因?yàn)閷?duì)環(huán)境保護(hù)進(jìn)行考慮，二氧化碳制冷劑被再次使用。二氧化碳沒(méi)有味道、顏色和毒性，不可燃卡，消耗臭氧潛能值ODP為0，為空氣中常見(jiàn)化合物。因?yàn)橐陨显颍瑝嚎s效率較高，二氧化碳熱泵系統(tǒng)的效率也比較高。二氧化碳熱泵為利用二氧化碳的全新熱泵，在熱泵系統(tǒng)及裝置不斷改進(jìn)的過(guò)程中，系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性也有所提高。

一、實(shí)驗(yàn)裝置

項(xiàng)目創(chuàng)建二氧化碳跨臨界熱水器試驗(yàn)臺(tái)流程。此系統(tǒng)部件包括意大利生產(chǎn)開(kāi)臨界CD1500H型號(hào)半封閉活塞式壓縮機(jī)；自行設(shè)計(jì)套管式雙壁同軸氣冷器；瑞典生產(chǎn)板式蒸發(fā)器。氣冷器內(nèi)管走水，外夾層走二氧化碳，避免結(jié)垢。使用JKV-24D型號(hào)電子膨脹閥作為節(jié)流裝置，在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，板式蒸發(fā)器熱源側(cè)進(jìn)出口水溫、氣冷器都是通過(guò)公司創(chuàng)建標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室保持恒定[1]。

二、實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

（一）氣冷器水流量對(duì)系統(tǒng)性能的影響

對(duì)二氧化碳熱泵熱水器性能造成影響的因素比較多，二氧化碳在超臨界狀態(tài)中不會(huì)出現(xiàn)冷凝的情況，流體冷卻過(guò)程中的溫度跨度比較大。圖1為氣冷器出水溫度和水流量關(guān)系，通過(guò)圖1可以看出來(lái)，在氣冷器水流量不斷增加的過(guò)程中，出水溫度在不斷的降低。此主要是因?yàn)闅饫淦魉髁坎粩嗟奶岣撸訌?qiáng)了換熱，所以出水溫度在不斷的降低。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，氣冷器及蒸發(fā)器的進(jìn)水溫度為30.4℃。蒸發(fā)器水流速為25.2L/h，氣冷器水流量不斷增加[2]。

圖1 氣冷器出水溫度和水流量關(guān)系

氣冷器二氧化碳出口溫度在氣冷器水流量不斷增加的過(guò)程中降低，逐漸趨于冷卻水進(jìn)口溫度，此主要是因?yàn)槔鋮s水流量在不斷的增加，換熱增強(qiáng)。另外，壓縮機(jī)吸氣溫度在氣冷器水流量增加過(guò)程中降低，在氣冷器水流量為16.8L/h的時(shí)候，壓縮機(jī)吸氣溫度為36℃；在氣冷器水流量為52.1L/h的時(shí)候，吸氣溫度降低到32℃；使水流量增加到128.7L/h的時(shí)候，吸氣溫度減低到31.53℃。壓縮機(jī)排氣壓力也是在氣冷器水流量增加的過(guò)程中降低，在氣冷器水流量達(dá)到16.8L/h的時(shí)候，排氣壓力為13.43MPa。在將水流量提高到最后128.7L/h的時(shí)候，排氣壓力為12.26MPa。以此表示，提高氣冷器水流量能夠降低氣冷器出口溫度和壓縮機(jī)排氣壓力，并且提高系統(tǒng)COP值[3]。

（二）電子膨脹閥（EEV）的影響

在蒸發(fā)器和氣冷器的進(jìn)水溫度都為15℃的時(shí)候，電子膨脹閥開(kāi)度對(duì)于系統(tǒng)性能影響為：在55℃及65℃出水工況中，電子膨脹閥開(kāi)度的持續(xù)增加，系統(tǒng)制熱量、COP和制冷量的值都會(huì)持續(xù)增加，之后減小，峰值在開(kāi)度200和180以下，這個(gè)時(shí)候系統(tǒng)COP分別為4.8和4.3。基于75℃出水工況中，并且機(jī)組允許運(yùn)行，也就是電子膨脹閥開(kāi)度從150提高到480過(guò)程中，系統(tǒng)制冷量、COP和制熱量的值都在開(kāi)度不斷增加的過(guò)程中減小，為了避免降低潤(rùn)滑油的性能，導(dǎo)致壓縮機(jī)損傷，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中設(shè)置電子膨脹閥開(kāi)度的最小值為150?；诖耍到y(tǒng)CDP為最大值4.0。使用不同側(cè)出水溫度，電子膨脹閥開(kāi)度對(duì)于系統(tǒng)制冷量、制熱量及COP都具有相似影響[4]。

（三）蒸發(fā)器熱源口的影響

通過(guò)分析研究結(jié)果表示，蒸發(fā)器熱源口入口溫度對(duì)系統(tǒng)影響為：基于相同制冷劑充注量背景下，系統(tǒng)制熱系數(shù)在熱源口入口溫度不斷提高的過(guò)程中增加，而且系統(tǒng)最大制熱系數(shù)也在熱源水入口溫度提高過(guò)程中增加。在熱源口入口溫度從10℃提高到20℃的時(shí)候，最大制熱系數(shù)提高26%。一般，在熱源水入口溫度不斷提高的過(guò)程中，也會(huì)增加最佳制冷劑充注量[5]。壓縮機(jī)吸氣和排氣壓力、壓縮比、排氣溫度在熱源水入口溫度變化過(guò)程中的改變存在一定的關(guān)系，壓縮機(jī)吸氣壓力在熱源水入口溫度不斷提高的過(guò)程中提高，排氣壓力受到熱源水入口溫度影響比較小。通過(guò)研究表示，排氣溫度變化趨勢(shì)和壓縮比變化趨勢(shì)相同，也就是排氣溫度和壓縮比在熱源水入口溫度提高過(guò)程中降低。在制冷劑充注量不斷增加的過(guò)程中，其在制冷劑充注量在充注量前上升比較緩慢，超過(guò)最佳充注量以以后快速生成。在最優(yōu)的充注量中，熱源水入口溫度提高了10℃，壓縮比降低16.7%、排氣溫度降低12.6℃[6]。

三、結(jié)束語(yǔ)

為了對(duì)二氧化碳熱泵系統(tǒng)性能特點(diǎn)進(jìn)行研究，創(chuàng)建項(xiàng)目試驗(yàn)，并且基于壓縮機(jī)與制冷量入口的過(guò)熱度一定基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)性能試驗(yàn)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表示：

（1）假如二氧化碳熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，那么二氧化碳熱泵COP值基本和常規(guī)工質(zhì)熱泵系統(tǒng)較為接近。其次，二氧化碳熱泵熱水器可供給熱水溫度范圍比較大，系統(tǒng)最高能夠?qū)⑺訜岬?0℃。

（2）電子膨脹閥在開(kāi)度調(diào)節(jié)的過(guò)程中具有最佳開(kāi)度，在此開(kāi)度中，系統(tǒng)COP、制冷量和制熱量都達(dá)到最大值；

（3）在制冷劑充注量不斷增加的過(guò)程中，壓縮機(jī)排氣壓力和溫度不斷提高，壓縮機(jī)吸氣壓力不發(fā)生變化，但是氣體冷卻器出口制冷劑溫度降低。具有使系統(tǒng)制熱系數(shù)最大的最佳制冷劑充注量，壓縮機(jī)入口過(guò)熱度不斷提高使壓縮機(jī)排氣溫度不斷提高，但是對(duì)于直熱系數(shù)并沒(méi)有太大的影響。

【參考文獻(xiàn)】

[1]漆鵬程， 何雅玲， 孟祥兆，等. 二氧化碳熱泵熱水器性能實(shí)驗(yàn)研究與氣體冷卻器的數(shù)值模擬[C]// 勇于創(chuàng)新，服務(wù)發(fā)展——2013中國(guó)制冷學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)年會(huì). 2013.

[2]羅會(huì)龍， 林辯啟， 杜培儉，等. 大功率二氧化碳熱泵熱水系統(tǒng)運(yùn)行性能[J]. 化工學(xué)報(bào)， 2015， 66（6）：2274-2279.

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[5]楊德宇， 俞建榮， 蔣小明，等. 二氧化碳熱泵熱水器技術(shù)與性能的對(duì)比分析[J]. 北京石油化工學(xué)院學(xué)報(bào)， 2013， 21（2）：50-55.

[6]王柯， 劉穎， 張雷，等. R417a替代R22工質(zhì)的靜態(tài)加熱式熱泵熱水器性能試驗(yàn)研究[J]. 流體機(jī)械， 2013， 41（5）：60-65.