CO2熱泵熱水器氣冷器的熱力性能研究

呂 靜1 李 果1 趙琦浩1 張繼凱 趙德鵬

(1 上海理工大學環(huán)境與建筑學院 上海 200093； 2 北京凱昆廣勝新能源電器有限公司 北京 101300)

CO2作為一種純天然制冷劑工質(zhì)，在氣體冷卻器放熱過程中存在較大的溫度滑移，這與水加熱時溫度升高相吻合，可以減少由溫差引起的傳熱不可逆損失[1]，在熱泵熱水器上得到了廣泛應(yīng)用。日本早在2001年就將CO2熱泵熱水器投放到市場，成為熱水器市場的主流產(chǎn)品[2]，而國內(nèi)對CO2熱泵的研究進展較慢，至今僅有一些實驗臺和原型機等，主要集中于天津大學、西安交通大學和上海理工大學等高校[3-7]。許多學者對CO2跨臨界循環(huán)的系統(tǒng)性能優(yōu)化進行了大量研究，但實驗中CO2熱泵熱水器還存在一個突出問題：在名義工況[8]下出水溫度往往不能達到設(shè)計溫度[6-7，9]，或達到了出水溫度但系統(tǒng)COP偏低。文獻[7]中設(shè)計工況下出水溫度只能達到48.51 ℃，文獻[3]中的系統(tǒng)COP<3。姜云濤等[3,6]通過實驗發(fā)現(xiàn)為了制取高溫熱水，需要將水和制冷劑的流量比降至很低，此時CO2充注量是一定的，出水量往往達不到設(shè)計要求。本文主要分析CO2工質(zhì)在氣冷器中的換熱過程，研究影響CO2熱泵熱水器出水溫度的主要因素，提出保證名義工況下出水量和出水溫度的優(yōu)化方法。

1 CO2氣冷器熱力性能的理論分析

1.1 CO2的特殊物性

從專業(yè)制冷劑軟件refprop8.0調(diào)用CO2的物性參數(shù)，圖1所示為6～14 MPa壓力下，CO2的定壓比熱容cp隨溫度的變化。由圖1可知，在一定壓力下，CO2的cp隨溫度的升高呈先增大后減小的趨勢，其峰值點對應(yīng)的溫度即為該壓力下的準臨界點溫度，在±10 ℃溫度區(qū)間內(nèi)，cp明顯高于其它溫度區(qū)間，定義為準臨界區(qū)間。隨著壓力的升高cp的峰值也呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，在臨界壓力為7.38 MPa下存在極大值。

圖1 CO2定壓比熱容隨壓力和溫度的變化Fig.1 Variation of cp for CO2 with pressure and temperature

圖2所示為準臨界點溫度和平均定壓比熱容cp,m隨壓力的變化。由圖2可知，隨著壓力的升高，CO2的準臨界點溫度逐漸升高。平均定壓比熱容定義為：在常規(guī)放熱溫度區(qū)間7.15～137.15 ℃，對cp以0.1 ℃溫差為權(quán)數(shù)的均值。cp,m隨著壓力的增大而先快速增大后緩慢減小，當壓力達到約8 MPa時達到最大值。

圖2 準臨界點溫度和平均定壓比熱容隨壓力的變化Fig.2 Variation of critical temperature and cp,m with discharge pressure

在熱泵熱水器的制熱循環(huán)中，CO2工質(zhì)在氣冷器中為超臨界狀態(tài)，不同于R22、R134a等常規(guī)制冷劑在氣體冷卻器中處于兩相區(qū)冷凝放熱，CO2需要依靠溫差放熱。一般情況下，CO2出口溫度低于出口壓力下的準臨界溫度[10]，由此可得在氣冷器換熱過程中CO2的cp將會處于先增大后減小的不穩(wěn)定狀態(tài)。

1.2 放熱特性分析

圖3 CO2在8 MPa下定壓比熱容的變化Fig.3 Variation of cp for CO2 under 8 MPa pressure

CO2工質(zhì)在準臨界溫度區(qū)間內(nèi)較小的溫差變化就可以釋放大量熱量，因此可以將該放熱過程類比成常規(guī)工質(zhì)在兩相區(qū)內(nèi)的相變放熱過程[11]。在實際的CO2套管式氣冷器中，制冷劑出口段CO2通常還處在準臨界點附近，因此氣冷器內(nèi)CO2只會經(jīng)歷第二和第三2個換熱階段。

2 熱勢能(火積)分析

由于準臨界溫度的限制，無論CO2在準臨界溫度區(qū)間內(nèi)能釋放多少熱量，也只能將水加熱至接近CO2的溫度。對于氣冷器內(nèi)處于超臨界變比熱容的CO2來說，引入“熱勢能(火積)”理論上分析CO2與水的對流換熱，熱勢能的變化[12-13]。

過增元[14-15]首先提出熱勢能(火積)的概念，以絕對零度為基準時，物體的火積為：

(1)

式中：Eh為物體的火積，kJ·K；cp為物體的定壓比熱容，kJ/(kg·K)；T為物體的溫度，K；m為物體的質(zhì)量，kg。

模擬計算采用分布參數(shù)法，氣冷器為逆流換熱，將氣冷器沿管長分為若干個微元，以水和CO2的入口參數(shù)及氣冷器結(jié)構(gòu)參數(shù)作為初始化條件，將前一個微元出口參數(shù)作為下一微元的入口參數(shù)，依次計算各單元內(nèi)的水和CO2的熱工參數(shù)，直至整個氣冷器計算結(jié)束，由此可以得到水溫、CO2溫度、火積等參數(shù)沿管長的變化值。模擬三重套管式氣冷器，管長為15 m，外管管徑為16 mm，壁厚為1 mm，3根內(nèi)管管徑均為5 mm，壁厚為0.8 mm，對稱嵌套在外管之中。CO2入口溫度為100 ℃，壓力為10.3 MPa，質(zhì)量流量為15 g/s，入口水溫為17 ℃，質(zhì)量流量為15 g/s。CO2火積的積分公式溫度上下限分別為CO2溫度Tr和水溫Tw，即：

(2)

圖4所示為CO2溫度、水溫、火積、CO2的cp沿管長變化的模擬結(jié)果。在管長為0～3 m內(nèi)：CO2處在準臨界區(qū)內(nèi)，即第二階段狀態(tài)，具有較大的火積，將入口處17 ℃的水迅速加熱至接近CO2溫度。在管長為3～11 m處：CO2處在準臨界區(qū)末端，cp逐漸減小，水溫的升高使兩者溫差很小，火積迅速減小，并在約10 m處達到了一個最小值。在該階段內(nèi)，水被平緩地加熱，最終由于CO2工質(zhì)的溫度限制只能被加熱至比準臨界溫度高約5 ℃。在管長為11～15 m內(nèi)：CO2處在準臨界后的溫度區(qū)間，即第三階段，cp逐漸減小但換熱溫差迅速增大?；鸱e在cp和溫差的共同作用下增大，換熱量增大，水溫也迅速升高。

圖4 氣冷器內(nèi)的模擬計算Fig.4 Simulated results in gas cooler

模擬分析證明CO2熱泵熱水器氣冷器內(nèi)水溫變化主要受CO2的熱物性cp影響：氣冷器前段，CO2處于準臨界區(qū)內(nèi)具有較高的cp，可以釋放大量熱量，水溫迅速升高，但水溫被加熱的上限受到準臨界溫度的限制，加熱過程放緩；氣冷器后段隨著cp減小，CO2與水溫差逐漸增大，火積在cp和溫差的共同作用下增大，換熱量增大，繼而水溫迅速升高。氣冷器前段的火積遠遠大于后面高溫段，說明CO2在剛進入氣冷器時具有較高的溫度，但火積較小，放熱量較少，CO2放熱主要集中于準臨界段內(nèi)。

3 氣冷器最優(yōu)進氣壓力和溫度的簡化算法

對CO2放熱特性和火積分析，發(fā)現(xiàn)影響CO2熱泵熱水器出水溫度的主要因素是CO2工質(zhì)本身在溫度變化下存在定壓比熱容變化。變定壓比熱容也給換熱計算增加了難度，現(xiàn)以性能曲線聯(lián)合求解，提出一種氣冷器最優(yōu)進氣壓力和溫度的簡化算法。

以名義工況(空氣干/濕溫度16/12 ℃，水溫17/65 ℃)下運行，傳熱溫差5 ℃[17]，質(zhì)量流量1∶1為例：先利用準臨界溫度區(qū)間內(nèi)的熱量將水加熱至比準臨界溫度tc高5 ℃的溫度，管長3～11 m處(圖4)，再利用CO2在準臨界溫度后區(qū)間的熱量加熱至65 ℃，若換熱充分，可認為氣冷器的熱利用效率最高。由圖1可知，80～120 ℃定壓比熱容的變化較小，常規(guī)CO2氣冷器進氣溫度為80～120 ℃，計算得到CO2在準臨界溫度后區(qū)間內(nèi)的cp,m=1.95 kJ/(kg·℃)(水的0.4665倍)，由此可以得到進氣溫度tk(℃)：

=(tc+10)+[65-(tc+5)]/0.466 5

(3)

蒸發(fā)溫度對系統(tǒng)COP的影響很小[16]，取11 ℃，壓縮機為DorinCD180H型CO2專用壓縮機，根據(jù)官網(wǎng)公布的壓縮機參數(shù)，可得進氣壓力pk(MPa)：

pk=0.002 79tk2-2.945tkη+551.7η2+

2.49tk-826.1η+303.34

(4)

式中：η為壓縮機總效率，取1。

由圖2曲線擬合可以得到準臨界溫度tc(℃)：

(5)

聯(lián)立式(3)、式(4)和式(5)可得最優(yōu)氣冷器的進氣壓力為11.34 MPa，進氣溫度為79.96 ℃。

4 實驗研究

4.1 實驗裝置

實驗臺及系統(tǒng)原理如圖5所示。氣冷器為三重套管式氣冷器，采用CO2-水逆流換熱方式，內(nèi)管為CO2制冷劑，冷卻水走外管與內(nèi)管之間，具體結(jié)構(gòu)參數(shù)與模擬結(jié)構(gòu)參數(shù)一致。選用T型熱電偶測量溫度，在管長分別為1.2、2.8、5.4、6.7、8.0、9.3、10.6、12.0、13.4和15 m處布置10個測點。采用型號為NS-F的壓力傳感器采集氣冷器進出口壓力，型號為Agilent34970A的安捷倫采集數(shù)據(jù)。

圖5 實驗臺及系統(tǒng)原理Fig.5 The experimental bench and system schematic

4.2 實驗工況

依據(jù)標準[8]中CO2熱泵熱水器的性能測試工況，根據(jù)上文計算出的進氣壓力制定的實驗工況為：干/濕球溫度16/12 ℃；進水溫度17 ℃；水和CO2流量15 g/s；進氣壓力11.0、11.3、11.5 MPa。氣冷器進氣壓力由壓縮機頻率調(diào)節(jié)，CO2流量由電子膨脹閥開度調(diào)節(jié)，實驗時保證CO2和水流量相等。

4.3 實驗結(jié)果分析

調(diào)節(jié)焓差室和實驗臺控制參數(shù)，穩(wěn)定10 min后記錄數(shù)據(jù)。實驗結(jié)果如表1和圖6所示。

表1 實驗結(jié)果Tab.1 The experimental results

圖6 水溫的沿程變化Fig.6 Variation of water temperature with discharge tube distance

由圖6可知，在進口壓力為11.3 MPa時，冷卻水溫度沿著管長先迅速增至約41 ℃，然后緩慢升至約53 ℃，最后再有一段快速溫升，直至排出約64 ℃的熱水。因為約11.3 MPa時，CO2的準臨界溫度為51.04 ℃，在進口處具有較大的火積，使水被迅速加熱至約41 ℃，加熱量占比為50.1%。但隨后由于準臨界溫度的限制，水溫不能高于CO2的溫度，水與CO2之間的溫差很小，火積很小，溫度緩慢升高。在管長為10.6 m處，由于CO2逐漸遠離了準臨界區(qū)到達第三階段內(nèi)，定壓比熱容迅速下降，但CO2與水的換熱溫差也迅速增大，火積也隨即增加，使水溫快速上升，溫度變化與上文中火積理論分析一致。最終，在11.3 MPa的進氣壓力下出水溫度為64.1 ℃，沒有達到計算的65 ℃，可能是因為大壓縮比下壓縮機效率會降低。

由表1可知，進氣壓力越高，進氣溫度越高，出水溫度也越高。11.3 MPa進氣壓力下系統(tǒng)COP=3.23，與系統(tǒng)的名義COP=4.2有較大差距，可能與流量比有關(guān)，但與11.5 MPa和11.0 MPa(系統(tǒng)COP分別為2.75和3.17)的進氣壓力相比，COP最高。說明以臨界區(qū)間傳熱平衡為基礎(chǔ)，名義工況下，控制氣冷器出水溫度為65 ℃，氣冷器的最優(yōu)進氣壓力算法有效。

5 結(jié)論

本文基于CO2工質(zhì)的熱力學性能，分析了CO2熱泵熱水器中氣冷器的理論換熱過程，將整個換熱過程分為：準臨界區(qū)間、準臨界前區(qū)間和準臨界后區(qū)間3個溫度區(qū)間段來分析，得到影響CO2熱泵熱水器出水溫度的主要原因。模擬計算分析和實驗結(jié)果也驗證了理論分析的結(jié)果，得到如下結(jié)論：

1)CO2工質(zhì)在氣冷器冷卻過程中，存在一個準臨界溫度區(qū)間，該溫度區(qū)間內(nèi)具有很大的火積可以向外釋放大量熱量，類似于常規(guī)制冷劑的兩相區(qū)。

2)準臨界溫度區(qū)間的放熱量最多，但其末端的火積減小，換熱惡化。

3)CO2熱泵熱水器出水溫度受限的主要影響因素是氣冷器的進氣壓力和CO2定壓比熱容變化，隨著進氣壓力下降準臨界溫度下降，火積減小，限制了出水溫度。

4)名義工況下，按照簡化算法，在CO2和水質(zhì)量流量相等時，制取65 ℃熱水，氣冷器最佳進氣壓力為11.34 MPa，進氣溫度為79.96 ℃，系統(tǒng)COP為3.23。