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90年月初，挪威NTH大學的Lorentzen教授依據(jù)CO2的特別物性提出跨臨界CO2循環(huán)，極大地推動了CO2系統(tǒng)在制冷領域的進展。在過去的十幾年中，國內(nèi)外很多爭論機構(gòu)對跨臨界 CO2循環(huán)投入了大量的爭論，?？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，對熱泵領域的研究最先開頭于熱泵熱水器。根底性爭論與企業(yè)開發(fā)爭論現(xiàn)狀1996SINTEFNeskPettersonNTNUSINTEF能試驗室建成了世界上第一臺熱泵熱水系統(tǒng)試驗臺。原型機電動機的效率為，氣體冷卻器入口水溫從系統(tǒng)性能系數(shù)COP3.6，而且該試驗系統(tǒng)能夠供給90℃的熱水。爭論CO275％左右。2023年，挪威科技大學ZakeriNeskASEggprodukt工廠建立了第一臺示范性工業(yè)用CO2熱泵熱水器。初步試驗參數(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用于CO2熱泵熱水器中，冷水從水箱底部進入熱水器，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Stene設計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)果說明包括風扇和水泵耗功在內(nèi)的全年系統(tǒng)平均 且改進型系統(tǒng)在外界空氣為－20℃時，仍可供給高達 90℃的熱水。等人研制的家用CO220120Hz的性能進展了測試。結(jié)果說明制取65℃90℃的熱水時，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)適應性的不同，現(xiàn)今日本市場上有 Mitsubishi、Daikin、Sanyo、Hitachi、Matsushita、Toshiba、Denso、Chofu等各公司共計16種以上不同類型的CO2熱泵熱水器。國內(nèi)院校中，天津大學、上海交通大學、西安交通大學等學府也對 CO2熱泵熱水器開展了爭論，天津大學和上海交通大學還制作了樣機并對樣機進展了具體的爭論。國內(nèi)企業(yè)方面，慶安制冷對 CO2熱泵熱水器也進展了細致爭論和樣機開發(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)造設計、流程進展設計、系統(tǒng)掌握策略、電機拖動掌握策略、掌握器和水路系統(tǒng)等角度進展詳細爭論，為其今后CO2CO2熱泵熱水器的仿真爭論現(xiàn)狀Yokoyama〔2023〕承受數(shù)值模擬的方法分析爭論了外界環(huán)境溫度對家用風冷式熱泵熱水器性能的影響。Cavallini〔2023〕對根本的兩級壓縮機中間冷卻跨臨界CO2系統(tǒng)〔無回熱器〕進展了試驗測試，并依據(jù)試驗數(shù)據(jù)建立了熱力學模型，分析優(yōu)化了兩級壓縮機中間冷卻跨臨界 CO2系統(tǒng)。通過在回氣管路上增加回熱器和在氣體冷卻器后增加后冷卻器，可提高COP25%。AgrawalN〔2023〕同樣對兩級壓縮機中間冷卻跨臨界 了優(yōu)化設計，提出了三種優(yōu)化方式并得出相應循環(huán)的最優(yōu)高壓壓力和壓CO2此模型可以對系統(tǒng)進展穩(wěn)態(tài)模擬，也可以對系統(tǒng)進展優(yōu)化設計。既可以用于制冷計算，也可以用于制熱計算，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CO2和R22熱泵熱水器的性能進展了爭論，對每個部件和整個系統(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；但是當系統(tǒng)中參加回熱器后，CO2的COP與R22相當，只不過CO2壓縮機的排氣溫度增加很快，并且最正確高壓壓力時所對應的制熱量明顯降低。 Sarkar〔2023〕建立了跨臨界CO2熱泵系統(tǒng)同時制冷和制熱時的穩(wěn)態(tài)模型，得出了最優(yōu)的 側(cè)壓力的關系式。Skaugen和Svensson對CO2跨臨界熱泵裝置進展了動態(tài)模擬。他們首先開發(fā)了一個穩(wěn)態(tài)模型，以便為動態(tài)模擬供給相關的初始數(shù)據(jù)，以及為CO2熱泵裝置的設計和操作進展優(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。國內(nèi)主要有上海交通大學的丁國良等人進展了 CO2汽車空調(diào)的仿真爭論。Ma?Y?T對膨脹機在跨臨界兩級壓縮CO2制冷系統(tǒng)中的優(yōu)化配置進展了爭論。YangJL對三種不同循環(huán)形式的帶膨脹機跨臨界兩級壓縮 統(tǒng)進展了熱力學分析比較，得出了膨脹機在兩級壓縮 CO2制冷系統(tǒng)中最優(yōu)的配置形式。CO2膨脹機構(gòu)爭論現(xiàn)狀活塞式膨脹機HeylPQuack臨界CO2循環(huán)膨脹機。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，承受雙作用對稱式構(gòu)造，具有兩個膨脹缸和兩個壓縮缸，在CO2制冷試驗臺上的測試結(jié)果說明，與承受節(jié)流閥時的系統(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。通過增加一個雙臂搖桿，使膨脹機活塞和壓縮機活塞的運動同，從而解決了第一代中膨脹機活塞和壓縮機活塞必需同步運轉(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重承受了第一代的全壓膨脹原理，但是通過三級膨脹的方法，提高膨脹功的回收，減小〔2023〕對第三代膨脹壓縮機樣機成功進展了原理性實驗。試驗驗證了膨脹機的掌握機構(gòu)完全可行，同時驗證了 CO2自身攜帶的潤滑油就可滿足機器的潤滑需要，無需額外的潤滑系統(tǒng)。 Nickl〔2023〕給出了對樣機進展進一步試驗得出的 P-V圖，并估算出膨脹機等熵效率到達65%—70%，壓縮機等熵效率超過90%。Li等〔2023〕對CO2循環(huán)系統(tǒng)中不同的膨脹設備進展了熱力分析，提出承受渦管和活塞式膨脹機來減小節(jié)流損失。 BaekS〔2023〕將一商用的四沖程兩缸發(fā)動機改造成活塞式膨脹機，吸、排氣口的開閉承受快速電磁閥掌握，試驗測得膨脹機的等熵效率為 提高7%—10%。BaekS〔2023〕對研制的活塞式膨脹機建立了具體的數(shù)學模型，并通過模型對樣機進展了分析。渦旋式膨脹機Preissner〔2023〕HuffJ〔2023〕將兩臺半封閉式R134a機改造成1.7mm則保持不變，仍為14mm和容積效率僅為28%40%。對于樣機Ⅱ，由于膨脹機的工作容積大，減弱了內(nèi)部泄漏的影響，其性能高于樣機Ⅰ，最大等熵效率和容積效率分別42%68%。WestphalenD〔2023〕也在理論上對CO2爭論，提出了CO2渦旋膨脹機的設計方案和功回收的方式，推測其泄漏損失約為20%，摩擦損失約為15%，總效率可到達72%滾動轉(zhuǎn)子式膨脹機天津大學的魏東，查世彤，李敏霞，管海清等人先后對CO2式膨脹機進展了開發(fā)和爭論。魏東開發(fā)了第一代D3ER1.0型滾動活塞膨脹機。初步試驗說明，膨脹機樣機可以正常運轉(zhuǎn)。查世彤在第一代的根底上開發(fā)了其次代D3ER2.0型滾動活塞膨脹機，通過增加滾針軸承減小膨脹機內(nèi)部的摩擦，為防止外泄漏，將發(fā)電機和膨脹機合并為一體。李敏霞在D3ER2.0型膨脹機上進一步的改進成型滑板滾動活塞膨脹機，型號D3ER2.1，將線密封改為面密封，理論計算泄漏可減小 50%。此外，李敏霞又設計開發(fā)了D3ESW1.0搖擺轉(zhuǎn)子式膨脹機，將滾動活塞與滑板做成一體，D3ER2.1型和D3ESW1.0型膨脹機效率均高于D3ER2.0型膨脹機分別為33%—44%35%—47%。管海清則在前人爭論的根底上，設計開發(fā)了搖擺轉(zhuǎn)子式膨脹壓縮機，測試出了樣機中膨脹機和壓縮機的效率分別為30%—50%60%—80%。其他膨脹機CityStosic〔2023〕在理論上對CO2了爭論，膨脹機和壓縮機的轉(zhuǎn)子通過共軸方式連接，并置于兩個獨立的荷可以完全抵消，徑向負荷較小20%。Fukuta〔2023〕對滑片式膨脹機進展了爭論，建立的數(shù)學模型模擬結(jié)果型推測滑片式膨脹機總效率在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滑片式膨脹機樣機，在膨脹機進口壓力 9.1MPa，出口壓力4.1MPa的工況下，總效率可到達43%。Fukuta〔2023〕研制了滑片式膨脹壓縮機樣機，其中壓縮機局部作為 CO2循環(huán)的二級壓縮機。試驗結(jié)果顯示，壓縮機局部的性能主要受壓縮機前后壓差和轉(zhuǎn)速的影響。MIEE?Driver公司對一般的滑片式膨脹壓縮機進展了改進，并申請了專利。其它膨脹設備LiDQ建立了噴射器等壓混合模型，并在 年進一步建立了兩相流淌噴射器和相應的CO2循環(huán)系統(tǒng)的模型。計算結(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壓縮機的爭論現(xiàn)狀活塞式壓縮機1998，SüβKurseBock公司生產(chǎn)的開啟式CO2DanfossA/S公司的斜盤式CO2CO2縮機，包括雙缸單級和兩級壓縮機兩種形式。瑞士蘇黎世大學對應用在家用熱水器上的半封閉小型無油活塞式 CO2壓縮機進展了爭論開發(fā)。Nesk等人對半封閉式兩級CO2活塞式壓縮進展了爭論，測試結(jié)果顯示轉(zhuǎn)速1450r/min下，效率和等熵效率最大分別到達 工況下，其性能要優(yōu)于單級壓縮。日本DENSO公司和靜岡大學合作開發(fā)了活塞式 了測試并與理論計算結(jié)果進展了比較。爭論覺察活塞環(huán)的密封效果很好，但是存在通過氣閥的反泄漏，這對相對較小的工作容積的壓縮機效率影響很大。國內(nèi)上海交通大學的陳江平和上海易初通用合作開發(fā)了車用斜盤式CO2壓縮機并進展了一系列的爭論。滾動活塞式和搖擺活塞式壓縮機日本三洋公司開發(fā)出了全封閉CO2雙級滾動活塞式壓縮機。這種氣路設計，使得機殼內(nèi)壓力為一級排氣壓力，約為 5-6MPa，減小了壓縮機工作腔與機殼腔體之間的泄漏，有利于提高壓縮機的效率，據(jù)報道其在50—80Hz的工作頻率下，最高絕熱效率可到達 0.8以上。日本大金公司設計開發(fā)了搖擺轉(zhuǎn)子式 認為，由于CO2搖擺轉(zhuǎn)子壓縮機的偏心距較小，雖然其工作壓差很大，但設計強度要求與R410A壓縮機相當。Hubacher和Groll對一臺全封閉兩級壓縮CO2轉(zhuǎn)子式壓縮機進展了試驗測試，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。Yokoyama等人對用于熱泵系統(tǒng)的兩級壓縮級間補氣滾動轉(zhuǎn)子式CO2壓縮機進展了開發(fā)并進展了試驗爭論，在高壓比和低轉(zhuǎn)速狀況下，兩級壓縮型式的 CO2壓縮機在效率和供熱力量方面均優(yōu)于單級。在國內(nèi)，慶安制冷從年開頭對滾動轉(zhuǎn)子式CO2。主要工作集中在壓縮機耐高壓整體構(gòu)造設計、軸承系統(tǒng)牢靠性設計、組直流電機拖動掌握方案爭論、掌握器設計和制造工藝技術爭論。在 2023年開發(fā)出樣機，樣機容積效率到達0.75%-0.91%，并通過了牢靠性評價試驗。渦旋壓縮機DENSO公司研制了CO2渦旋壓縮機用于CO2日本松下公司在410A渦旋壓縮機的根底上，對渦圈、殼體等部件進展了重設計，開發(fā)了CO2渦旋壓縮機樣機。對樣機的試驗結(jié)果說明，壓縮機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，壓縮機的絕熱效率可到達0.76YanoNakao等人還開發(fā)了大容量的CO2滑片壓縮機美國馬里蘭大學和日本靜岡大學合作對 ，包括可行性、壓縮腔內(nèi)的溫度和壓力等關鍵參數(shù)分析、容積效率和指示效率的估算、滑片的受力狀況等。爭論覺察，泄漏損失是影響壓縮機效率的主要因素。另還對兩級壓縮滑片式 CO2壓縮機和滑片式膨脹壓縮機進展了分析。螺桿壓縮機公司開發(fā)了冷和制熱，壓縮機排出的CO2City大學開發(fā)了用于CO2CO2換熱器的爭論現(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對超臨界流體換熱進展理論計算和試驗爭論，覺察計算結(jié)果高于試驗值，說明超臨界不能用常規(guī)對流換熱方法準確計算。Dang和Hiara也進展了上述工作，比較了多個關聯(lián)式，并在 Pilta方程的根底上建立了的關聯(lián)式，計算結(jié)果與試驗結(jié)果誤差為20%東京大學的Hihara和Tanaka對高壓下CO2流體沸騰做了大量的試驗，由于在蒸發(fā)器內(nèi)，流體涉及兩相流換熱，流體的流型對換熱影響很大。挪威 CO2流體在微通道內(nèi)低壓沸騰流淌流型進展試驗爭論，給出了流型圖，同時試。Grol和Kim都對CO2流體干度對水平管換熱系數(shù)的影響進展了理論與試驗爭