CO2跨临界循环冷热联供机组性能实验研究

采用CO₂跨临界循环水-水热泵技术，测试了CO₂跨临界循环冷热联供机组的性能特点。通过调节压缩机频率、电子膨胀阀开度、蒸发器侧乙二醇水溶液进口温度与气冷器侧进水温度等方式，测试该机组在以制热为主要目标时最优排气压力的变化，以及不同参数对制热量、制冷量、制热COP_h与系统综合能效COP(制热COP_h与制冷COP_c之和)的影响规律。研究结果表明：在额定工况下，压缩机频率从80 Hz增加到120 Hz时，系统最大制热COP_h从3.9降到3.3;当乙二醇水溶液进口温度升高、气冷器进口水温降低时，系统的制热COP_h以及系统综合能效COP都随之升高。机组同时供冷供热可明显提高系统综合能效，经济性好且节能效果显著。文中的研究成果对于屠宰、酿造等同时具有冷热需求的行业推广应用CO₂冷热联供机组具有参考价值。     

采用分流过冷的跨临界CO2冷热联供系统性能

为了探索不借助外力即可实现跨临界CO₂冷热联供系统循环中工质过冷的方法,本文提出了三种采用系统循环内部工质分流实现过冷的跨临界CO₂循环系统形式,建立了系统循环热力学模型,通过模拟计算分析不同工况下系统性能变化规律。结果表明：在蒸发器与节流阀间分流的系统方案不会提高系统的性能;在气体冷却器与过冷器间分流的系统方案与在过冷器与节流阀间分流的系统方案对系统性能提升的效果相同,相对于在蒸发器与节流阀间分流的系统方案,综合循环性能系数（coefficient of performance,COP）最大可提高17.62%;采用分流过冷会提高压缩机的吸气压力,当气体冷却器出口CO₂温度确定时,存在最佳的排气压力使综合COP最高。因此,采用合理的分流过冷循环系统可以使跨临界CO₂冷热联供系统仅依靠自身循环实现过冷并提升系统性能。     

CO2跨临界热泵系统特性再分析

在原有研究的基础上，结合实际系统，本文对CO₂跨临界热泵系统的特性进行再分析，通过参数计算，分析回热温度、气体冷却器出口温度、运行压力三种因素如何影响系统性能，提出提高CO₂热泵运行效率的方法。分析结果表明：回热器并不总有效，而是与气体冷却器出口温度有关，当温度小于某临界值时回热会降低系统运行制热性能系数COP_h，当温度大于此临界值时回热则有助于提高COP_h；对应气体冷却器出口温度存在最优压力，但实际压缩机的可承受压力是有限的，导致系统在某些气体冷却器出口温度下不能在最优压力下运行，同时在不同的排气压力下，存在气体冷却器出口温度最高限定值，否则COP_h不合理也不可接受；热泵出水温度以及气体冷却器出口温度共同影响系统排气压力的选择。     

一种带引射器和经济器的CO2跨临界制冷系统

在蒸发温度较低的工况下,CO₂跨临界循环高低压差过大,运行效率下降。针对CO₂跨临界循环特性,提出了一种带引射器和经济器的CO₂跨临界制冷系统,通过引射器部分回收工质膨胀功减小能量损失,可增加制冷量;合理设计CO₂压缩机和中间补气孔,采用经济器进行中间补气可减少系统压缩过程的能量损失。构建了热力学模型,研究表明该系统在较低蒸发温度工况下,相比于基础CO₂跨临界制冷系统系统性能可提升40%左右,其中压缩机排气温度可降低40℃左右,有利于系统稳定运行。同时对准二级压缩过程中分段效率计算问题提出近似公式,在一定范围内相比于传统计算方式误差从5%降低至2%。     

将CO2、R170和R41应用于跨临界空气源热泵热水器系统的性能对比研究

基于一套空气源热泵热水器系统，首先建立了相关的热力学参数计算模型，之后将CO₂、R170和 R41这3种制冷剂分别应用于该系统，并对跨临界循环的热力学性能及效率进行计算，最后对各性能参数进行详细对比。研究结果表明：在同样的工况下对比COP_heat和效率，R41系统分别比CO₂系统提升了31.77%和23.34%，而R170系统则提升了4.9%和3.6%；R41和R170在提升系统制热量方面也具有明显的优势；R41和R170的系统最优运行高压也比CO₂系统分别降低了35%和43%。因此，除了CO₂外，R41和R170也是另外2种很有潜力的应用于跨临界循环的制冷剂。     

二氧化碳混合工质临界参数计算模型对比研究

二氧化碳(CO₂)混合工质是具有应用潜力的动力循环工质,临界参数作为CO₂混合工质的关键基础热物性,对其进行准确地计算和预测具有重要意义。采用4种不同类型的计算模型,分别针对CO₂+HFC、CO₂+HFO和CO₂+HC三类二元混合工质的临界温度和临界压力进行了推算,并与公开发表的实验数据和REFPROP数据库计算结果进行对比,分析讨论了各种计算方法对各类CO₂混合工质的适用性。结果表明,Li方法形式简单,混合物临界温度的计算式仅与纯质组分的临界温度及临界体积有关,可用于CO₂+HFC和CO₂+HFO混合工质临界温度的快速推算。对于CO₂+HC混合工质,RK方法计算偏差最小,该类混合物临界参数实验数据点数和套数较多,因此可直接通过RK方法回归得到关联式进行应用。     

CO2跨临界热泵系统采暖工况下能效和经济对比分析

为提高CO₂跨临界热泵采暖系统的性能,提出了双级压缩双气冷器中间补气回热系统。结合其他3种CO₂热泵系统和R134a单级压缩回热系统,通过建立热力学模型,分析各因素对系统能效的影响。此外,通过构建综合考虑初始投资成本和年运行成本的经济性评价模型,结合典型年气象参数,研究不同城市中各系统在运行周期内的总投资情况。结果表明,CO₂热泵系统中,双级压缩双气冷器中间补气回热系统最优COP_h最高且可以超过R134a单级压缩回热系统,在环境温度为0℃、出水/回水温度为65℃/40℃时,理论性能系数（COP_h）可达2.58,比R134a系统高9.1%,比CO₂单级压缩系统高22.5%,且排气温度不超过现有压缩机排气温度极限,是能效最优系统。在选定样本城市中,热泵系统运行周期内的总投资成本在上海最低,而在沈阳最高,可见总投资成本受气候区域影响较大。由于CO₂压缩机成本过高,CO₂热泵系统的总投资成本高于R134a系统。随着CO₂热泵技术的提高和生产规模的扩大,当压缩机成本降低80%,CO₂双级压缩双气冷器中间补气回热系统的总投资成本将低于R134a系统。     

CO2跨临界喷射制冷循环计算分析

目前还很少有关于CO₂跨临界喷射式制冷循环的研究。本文对CO₂跨临界喷射制冷循环建立了热力学模型,计算了在不同的冷却压力、冷却器出口温度、加热器压力、加热器出口温度及蒸发温度下,喷射器的喷射系数、跨临界喷射制冷循环性能系数(COP)和有效性能系数(COP_m)的变化趋势。结果表明:随着冷却器压力的升高,喷射器的喷射系数减小,循环的COP 和COP_m值先增大后减小,在某个冷却压力下存在最优值;提高冷却器的出口温度,循环的COP 和COP_m值均降低;提高加热器压力、加热器出口温度及蒸发温度均能增大喷射器的喷射系数和循环的COP_m值。     

跨临界CO2热泵系统的喷射器特性

在自行研制的跨临界CO₂热泵热水器实验台上,通过调节系统中阀门开度控制喷射器的进出口压力和温度,研究喷射器的流量、喷射系数、压缩比和效率的变化规律。实验结果表明:同时增大工作流体压力和引射流体压力可以提高喷射器的工作性能,减小工作流体压力或者增大引射流体压力可以提高喷射器的工作完善度。高效率喷射器的研制是优化跨临界CO₂热泵系统的关键要素。     

混合室直径对带喷射器的跨临界CO2热泵性能影响

通过在跨临界CO₂系统中引入喷射器是回收系统节流损失的有效手段。实验研究了混合室直径分别为1.2、1.4、1.6 mm时,对带喷射器的跨临界CO₂热泵整体性能以及喷射器自身性能的影响。整个实验中热水进口温度、蒸发温度不变,热水出口温度作为比较基准,在实验中为变量。结果表明,混合室直径对压缩机排气温度影响较小,而其对压缩机排气压力影响较大,当混合室直径为1.6 mm时,压缩机排气压力最小;当混合室直径为1.6 mm时,系统制热系数最高。     

CO2及其混合工质双级回热朗肯循环

利用热力学仿真的方法建立双级回热朗肯循环系统模型，研究CO₂及其与R134a、R143a和R1234ze 3种有机工质组成的混合物在循环系统下的热效率和■效率。结果表明：当循环系统采用CO₂与R143a按3∶7摩尔比混合产生的混合物做循环工质时，系统热效率和■效率达到最高。相较CO₂工质循环，热效率提高了2.21%，■效率提高了5.17%；当循环系统采用混合工质时，热效率随着泵入口温度的减小而升高，随着膨胀机入口温度的增大而升高。当高温、低温循环系统的泵入口温度为23℃、高温循环系统膨胀机入口温度为303℃时，热效率最高；系统的■效率随着分流比的增大而升高，当分流比为0.64时，■效率达到最大为56.24%。     

跨临界二氧化碳热泵喷射循环实验

在跨临界CO₂热泵热水器系统中引入优化设计的喷射器,对系统进行实验研究,分析了制热系数、引射比、升压比、喷射器效率等参数随热水体积流量和出口温度及高压侧压力的变化趋势以及优化设计的喷射器对系统的影响。实验结果表明:随着热水体积流量减小或其出口温度增加,引射比将逐渐减小,而喷射器效率逐渐升高;在测试工况范围内升压比基本保持不变,系统COP_h最高将近3.5;系统高压侧的压力因优化喷射器的引入而明显降低,有利于系统的安全运行;跨临界二氧化碳热泵喷射循环系统存在一个最优运行压力,值得注意的是在最优运行压力下,热水出水温度虽未达到最高,但依旧超过55℃。系统稳定运行在最优高压侧压力下,不仅系统性能大幅度提高,而且保证了热水的出水温度。     

N_2O跨临界二级蒸气压缩制冷循环及回热特性

为解决CO2跨临界循环能效低、排气压力高的问题,将天然工质N2O用于跨临界循环,建立了相应的理论模型,比较了CO2和N2O用于二级蒸气压缩跨临界循环的性能,并分析了回热效率对于CO2和N2O系统能效Ccop和最优高压侧排气压力的影响。结果表明:N2O用于二级蒸气压缩跨临界制冷循环中的综合性能要优于CO2,在所选定的工况范围内,N2O的Ccop值比CO2最多提高13.3%,最优高压侧排气压力最多降低17.7%。回热效率对于CO2和N2O系统的最优高压侧排气压力几乎没有影响,回热循环对于CO2二级压缩跨临界系统的能效提升更为有利。     

CO2混合工质的气液相平衡的混合规则对比与预测研究

CO₂混合工质兼顾高效和环境友好的特点,在新一代热功转化循环中受到广泛关注。混合工质气液相平衡性质是循环分析与计算的基础。为了提高CO₂混合工质气液相平衡数据的计算精度,采用PR状态方程结合三种混合规则（vdW、MHV1、WS）,对7种CO₂+HFCs/HFOs及4种CO₂+HCs混合工质的气液相平衡性质进行了计算。结果表明,对CO₂+HCs混合工质,vdW混合规则可达较好的结果;对CO₂+HFCs/HFOs混合工质,在亚临界区三者计算精度相近,但在超临界区,WS混合规则对计算精度提升明显。最后,提出了一种差值模型预测CO₂混合工质气液相平衡性质,预测的AARD(p)值为2.03%,AAD(y)值为0.0120,预测精度较高。     

考虑环境影响的ORC系统综合评价指标及性能分析

为综合评价有机朗肯循环(ORC)系统的热经济和环保性能,采用(火用)参数量化工质的环境影响,提出了结合工质环境影响和循环热经济性能的综合评价指标"综合环境影响(火用)效率",在150℃的低温热源条件下,对考虑工质环境影响的亚临界有机朗肯循环和跨临界有机朗肯循环的系统性能进行了分析对比,结果表明,综合考虑循环热经济性能和工质环境影响因素时,R123和R32分别为亚临界有机朗肯循环系统和跨临界朗肯循环系统的最佳工质;跨临界ORC系统循环净输出功率要高于亚临界ORC系统,但是跨临界ORC系统较高的循环蒸发压力会引起工质泄漏量的增加,进而造成综合环境影响(火用)效率并不高,所以综合考虑环保和循环性能时,亚临界ORC系统是较好的选择.     

CO2跨临界循环系统性能影响的研究进展

CO_2因其优良性质被认为是最具有潜力的长期热泵替代工质。然而,实际应用中CO_2循环系统大多采用跨临界循环,其高压侧压力比常规系统要高很多。为了解决这一问题,一些学者尝试将性能优异的冷媒与CO_2组成混合制冷工质应用于CO_2跨临界循环系统中。从国内外CO_2跨临界系统的研究及应用现状出发,总结了当前典型的CO_2混合工质跨临界制冷循环系统,并概述了不同种类添加剂对CO_2热泵系统性能的影响,为CO_2跨临界系统的进一步研究和应用提供了参考和依据。     

基于SOFC/GT/TCO2复合动力循环和溴化锂制冷机的冷热电联供系统性能

提出了一种新型冷热电联供系统,通过TCO₂循环和溴化锂制冷机回收SOFC/GT循环的排烟余热,实现对外供冷、供热和供电。建立了联供系统热力性能的数学模型,对系统进行了能量分析和（火用）分析,并研究了空燃比、SOFC压力、CO₂工质流率、CO₂工质分流比和TCO₂泵出口压力对系统性能的影响。研究结果表明,在额定工况下,系统的净发电效率为70.79%,系统总（火用）效率为68.29%,综合能源利用率为108.5%。增大空燃比、CO₂工质分流比或降低SOFC工作压力、CO₂工质流率和TCO₂泵出口压力可提高联供系统的综合能源利用率;增大SOFC工作压力、TCO₂泵出口压力或降低空燃比可提高联供系统的净发电效率和总（火用）效率,随CO₂工质流率和CO₂工质分流比的增大,净发电效率和总（火用）效率先降低后增大。     

二氧化碳热泵技术的发展及应用案例分析

CO₂跨临界热泵循环,其制冷剂工质为CO₂,不可燃,无毒,无刺激性气味,零臭氧层破坏能力（ODP=0）以及微乎其微的温室效应（GWP=1）而对环境无害,可从工业生产中回收,逐渐成为被广泛应用的热泵技术。本文从国内外CO₂热泵技术的研究现状及应用现状出发,总结概述了目前典型的CO₂热泵循环系统应用案例,如单级压缩供给加用热水系统、双级压缩带中间补气供给家用热水系统、家用供暖及供给热水于一体的双热泵单元家电辅热系统、大型公用建筑用CO₂热泵系统,并从系统层面对影响CO₂热泵循环系统效率的相关热力学参数进行循环分析,如水箱进出水温度、气冷器水流量、系统的制冷剂充注量等参数的控制。以期为未来CO₂热泵技术在中国的发展、进一步研究和应用设计提供一些参考和依据。     

数据驱动的跨临界CO2热泵多目标优化设计

针对跨临界CO₂热泵成本过高与占用空间大等问题，提出了一种基于经济性与实用性的数据驱动跨临界CO₂热泵多目标优化设计方法。本文通过对跨临界CO₂热泵进行性能模拟获得大量的驱动数据，然后经由BP神经网络构建跨临界CO₂热泵的热力学预测模型，并且从投资、运营、环境以及空间占用等多角度建立跨临界CO₂热泵的多目标优化模型。最后以住宅用户最关心的总年度成本与水箱容积为设计优化目标，通过精英策略非支配排序遗传算法（NSGA-Ⅱ）与TOPSIS决策法进行最优设计方案求解。案例研究表明，占用空间小、总年度成本低的最优设计方案的水箱体积为0.235m³、总年度成本为958.1USD/a。且通过分析设计参数对优化目标的影响，发现水箱保温层厚度的影响主要集中在一个较优区域，水箱直径与高度的影响较大，而气冷器换热温差的影响较小。     

三角转子膨胀机在跨临界CO2制冷循环中的应用分析

在高压比跨临界CO₂制冷循环中,采用膨胀机替代节流元件对提高循环效率有较大的潜力。分析了以三角转子机械作为膨胀机的运行机理,对三角转子膨胀机的工作过程进行计算和分析,并从形状因子、转子型线、进气角度、偏心距和轴距系数入手,讨论了影响三角转子膨胀机的影响因素。在设定情况下,使用三角转子膨胀机可以通过将10 MPa、313.15 K的超临界CO₂膨胀至3.49 MPa、273.69 K,并将制冷系数提高23.7%。形状因子和进气角度是影响膨胀机运行效果的主要因素,需选取适当的参数来提高效率。