CO2跨临界制冷技术的应用研究

CO₂是天然工质，应用于蒸气压缩制冷循环具有传热性能好、流动阻力小、单位容积制冷量大且经济性好的优点。本文介绍CO₂跨临界制冷技术的基本原理，阐述该技术在人工冰场及新能源汽车空调系统的应用情况和相应的研究进展，指出系统全工况性能检测、关键部件可靠性提升是未来CO₂跨临界制冷技术的重要研究方向。     

混合工质回热式大温跨供热热泵循环的理论分析

物料干燥、印刷、印染纺织、电镀等领域普遍需要65～100℃的热源供应,常规热泵技术难以实现。本文充分利用非共沸混合工质相变过程中的大温度滑移,实现与水侧更好的热当量匹配,提出一种混合工质回热式大温跨热泵循环,建立了热力学模型,分析了运行压力、混合工质组分、环境温度、出水温度等关键参数对系统性能的影响,基于遗传算法优化了系统吸排气压力和工质配比,结果表明:混合工质回热式热泵可在常规空调压缩机的正常工况内运行,在环境温度为25℃、入水温度为15℃、出水温度为90℃时,系统理论COP最高可达5. 5,与同工况下CO₂跨临界热泵性能相当。     

跨临界二氧化碳制冷系统优化方案的研究综述

跨临界二氧化碳(CO₂)制冷循环系统因其节能环保的优势受到国内外专家学者的广泛关注,对该系统的研究在近些年取得了重要进展。介绍了 CO₂制冷剂的环境优势与应用方式,阐述了跨临界CO₂制冷循环系统的基本结构,总结了现有系统的四种优化方案：在系统中增设回热器、利用膨胀机代替节流阀、在系统中增设喷射器和采用双级压缩循环方式,随后分析了各种方案的工作原理及特点,并介绍了每种方案的现有研究内容。CO₂ 为一种非常具有发展潜力的制冷剂,对其跨临界制冷循环系统进行优化可有效的提升系统的制冷系数(COP),有利于充分发挥系统的节能环保优势,从而促进该类型系统的推广应用。     

CO2制冷压缩机性能检测装置与试验研究

根据CO₂制冷压缩机的运行特点,设计了一套适用于跨临界循环的压缩机性能检测装置,该装置适用于制冷量为14 kW⁷0 kW的冷冻冷藏及热泵系统用CO₂压缩机的测试,试验方法为制冷剂气体流量计法和跨临界气体冷却器法;在此基础上开展了CO₂制冷压缩机的性能测试,结果表明,该压缩机的主侧制冷量、辅侧制冷量及主辅侧平均值的测量结果重复性偏差均在±1%以内。     

闭式跨临界CO2热泵烘干系统最优工况研究

目的 对跨临界CO2热泵驱动的闭式干燥系统展开理论研究,得到CO2闭式热泵中最优工况的计算方法和原理。方法 通过建立CO2循环与空气循环热力学耦合的数学模型,计算干燥循环中空气的温度、焓值、相对湿度、含湿量,以及跨临界CO2热泵系统中工质的温度、压力、焓值等参数。通过调整冷凝干燥后空气温度,以热泵烘干系统的COP为评价依据,探究空气循环与CO2热泵循环的耦合机理。结果 获得了CO2循环系统最优排气压力随闭式空气循环系统在不同工况下的变化规律,并基于所建立的计算程序,获得了典型工艺参数下的热泵系统的热力学参数,为关键设备(风机、换热器、压缩机等)选型及系统控制方法提供了理论依据。结论 研究表明,在CO2热泵冷却器出口状态为临界状态时,系统的COP达到最优。     

一种新型CO2工质冷热电联供系统的热力性分析

为了开发利用太阳能、地热能、工业余热等低品位热能,提出一种以CO₂作为工质的冷热电联供系统,该系统通过共用气体冷却器的方式将超临界CO₂布雷顿发电循环和跨临界CO₂压缩式制冷循环进行耦合,可同时向用户提供电力、冷媒水和生活热水。建立了该系统的热力学数学模型,并对其运行工况进行了数值模拟,模拟结果表明:系统净输出功为140.34 kW,制冷量为340.50 kW,制热量为5 332.75 kW,热效率为113.27%,?效率为41.24%;随后在此基础上对系统进行了热力学参数敏感性分析,获得了透平进口压力、透平出口压力、透平进口温度、蒸发器压力和顶循环与底循环CO₂流量比5个热力参数对系统性能的影响。     

四种跨临界CO2压缩式热泵系统的热力性能研究

CO2是具有很大潜力的天然替代工质之一,CO2跨临界循环放热过程中具有较大温度滑移,与水侧温升过程相匹配,因此适合用于热泵热水器系统。国内外学者提出了许多提高跨临界CO2循环效率的方法,其中包括引入回热器、喷射器等设备,从不同角度对比分析在常规跨临界CO2热泵系统中引入回热器、喷射器后系统的性能变化。本文在前人工作的基础上,建立相关热力学计算模型,并进一步对四种不同形式的跨临界CO2热泵系统（常规跨临界CO2热泵系统（TCHS）、带回热器的跨临界CO2热泵系统（TCHSI）、带喷射器的跨临界CO2热泵系统（TCHSE）及带喷射器与回热器的跨临界CO2热泵系统（TCHSEI））的性能进行研究,对比分析排气压力一定的情况下四种循环的热力性能;从最优排气压力的角度出发,分析对比不同系统中气冷器出口温度变化对系统最优排气压力和制热系数的影响,以及喷射器等熵效率对系统性能的影响。以上研究为CO2压缩式热泵系统的实用化进展奠定良好的理论基础。     

跨临界CO2制冷技术发展现状及其改进途径综述

跨临界CO₂制冷是一种以CO₂作为制冷剂气体冷却过程在临界点以上的新型制冷技术。对近年来CO₂制冷技术的发展进行了概括及分析。针对传统制冷剂与CO₂制冷剂的特点,重点分析了二者在物理性质上的区别,说明了CO₂作为新型制冷剂的可取性;针对提升制冷系数的目标,讨论了两级压缩、膨胀机、回热器的工作原理以及对系统性能的影响。综述了新型双级压缩CO₂制冷循环的研究现状,归纳了CO₂制冷循环进一步改善性能的技术途径。     

CO2热泵系统气冷器的热力学性能分析

针对CO₂热泵系统螺旋套管式气冷器,基于MATLAB建立了仿真模型,采用单因素分析方法,研究进水温度、CO₂压力和质量流量对气冷器换热量、■耗散、■损失、■效率以及出水温度的影响。经实验验证,在进水温度为24.5～35.0℃、CO₂压力为8.4～10.7 MPa、CO₂质量流量为0.032 6～0.047 6 kg/s工况下,气冷器模型制热量与实验数据相比总体误差在±10%以内。模拟结果表明：相比进水温度和CO₂质量流量,CO₂压力对气冷器性能的影响更为显著,且存在最优压力。在进水温度为20℃、CO₂进口温度为90℃工况下,当CO₂压力为10 MPa时气冷器■效率最高,当CO₂压力为11 MPa时气冷器换热量最大;当进水温度低于20℃时,CO₂压力为10.5 MPa时出水温度最高。     

送风温度对车用跨临界CO2制冷系统影响的仿真研究

为研究送风温度对实际车用跨临界CO₂制冷系统综合性能的影响,借助GT-Suite仿真软件,建立了单级跨临界CO₂制冷系统的仿真模型。基于设计的三种工况,在风量设置上限的情况下对比了不同送风温度下系统的性能,提出了有效COP_eff的概念并对此进行研究。结果表明：在其他工况相同的条件下,提高送风温度可以提高系统的COP、有效COP_eff以及带风机功耗的有效COP_{eff, b};在低冷负荷工况下,考虑系统风机功耗后的综合性能COP_b存在最优值为3.819,即系统存在对应的最优送风温度,但当负荷增大至一定水平时,最优送风温度不再存在。     

机械过冷跨临界CO_2热泵供暖系统性能分析

采用辅助的蒸气压缩循环进行过冷,可改善传统跨临界CO_2热泵系统用于冬季供暖性能。本文通过构建机械过冷跨临界CO_2热泵系统的热力模型,分析了机械过冷跨临界CO_2热泵系统供暖工况下的运行特性,结果表明:机械过冷CO_2热泵系统存在最大COP,对应最优排气压力和过冷度,标准工况下比常规CO_2系统能效提高15.9%。该系统可有效解决常规CO_2热泵回水温度过高导致COP迅速衰减的问题,当回水温度由40℃升至50℃时,常规系统COP下降16.9%,而机械过冷热泵系统COP仅下降8.4%。通过改进可有效降低CO_2压缩机的排气压力和温度,且供水温度越低排气压力降低效果越显著。机械过冷循环工质的选取会影响系统整体性能,选取的11种过冷循环工质中能效最高的为R717,最低的为R1234yf。在低环境温度工况下性能的提升更加明显,通过配置小型常规工质蒸气压缩循环即可实现CO_2热泵系统性能显著改进,经济性优势明显。     

跨临界CO2热泵热水器系统的试验研究

介绍带回热器的跨临界CO2热泵热水试验系统。通过改变气冷器水流量对跨临界CO2水-水热泵多种工况的循环性能进行试验研究,获得一系列试验数据。试验结果表明:跨临界CO2热泵循环可获得比常规工质要高的出水温度;增加气冷器水流量可有效提高系统的制热系数。     

膨胀机与喷射器跨临界二氧化碳循环比较研究

减少跨临界二氧化碳热泵循环高压截流损失的方案主要有膨胀机和喷射器两种。建立了跨临界二氧化碳节流阀循环模型、膨胀机循环模型和喷射器循环模型。研究了在典型的家用热泵热水器工况下采用不同循环时,气体冷却器工质进出口温度对循环性能和高压侧压力的影响。研究结果表明,气体冷却器工质出口温度低于40℃时,膨胀机循环效率高于喷射器循环;气体冷却器工质出口温度高于40℃时,膨胀机循环效率低于喷射器循环;膨胀机循环与截流阀循环的高压侧压力相同,低于喷射器循环。     

基于引射器的双温蒸发CO2热泵系统性能分析

采用高效的热泵系统替代常规锅炉是实现“双碳”目标的有效措施。本文提出采用引射器实现双温蒸发的CO₂热泵系统,以实现余热梯级利用和高效制热。通过窄点分析法,建立了基本CO₂系统、CO₂引射器系统、双温蒸发CO₂引射系统的热力学模型,发现双温蒸发系统存在最优排气压力及最大COP。基于最优工况进行分析,结果表明：在热泵热水器名义工况下,双蒸发器系统COP最高达4.84,比基本CO₂热泵系统提高了9.88%。双温蒸发过程可显著降低吸热过程中的换热不可逆损失,双温蒸发系统蒸发器侧的不可逆性能指数为1.51,比基本CO₂和带有引射器的常规CO₂系统降低了24.50%。     

跨临界CO2制冷与热泵系统

概述跨临界CO2制冷和热泵循环的原理，提出几个影响该循环的技术关键。介绍跨临界CO2循环的相关应用领域，指出CO2作为性能良好的自然工质有着很好的发展前景。     

面向火星探测的CO2工质射频离子推力器离子源性能研究

火星是太阳系的行星之一,研究其磁场、大气、气候、构成以及地形地貌将有利于空间资源的开发和利用。CO₂是火星大气的主要成分,以CO₂为工质的电推进技术的研究对火星探测以及更远距离的深空探测具有重要意义。开展了CO₂射频离子推力器离子源点火试验;使用朗缪尔探针诊断腔体内的等离子体参数,并将其和地面试验中常用的Ar工质下的结果进行对比;研究了射频功率对CO₂工质腔内等离子体参数的影响;对推力器离子源栅极施加直流电压,进行离子束流引出试验,分析了屏栅电压、射频功率、工质流量和栅极透明度对推力器离子源栅极电流参数的影响。     

复叠式与二级压缩式热泵冷冻干燥系统循环特性比较

为了降低干燥过程的能耗,提高冷冻干燥过程的经济性,故以R600a/R290和R90为工质,分别构建了复叠式循环和二级压缩式循环的热泵冷冻干燥系统.对2种热泵干燥系统的构建方法和循环性能进行了分析和计算,并讨论了中间温度、加热温度和冷阱温度变化对系统循环特性的影响.计算结果表明,复叠式热泵循环和二级压缩式热泵循环均可用于冷冻干燥系统;在常规的冷冻干燥条件下,系统中采用复叠式热泵循环较适宜.     

一种新型跨临界CO2冷电联供系统热力分析

提出一种新型跨临界二氧化碳（trans-critical carbon dioxide,TCO₂）再压缩循环和喷射器制冷循环耦合的冷电联供系统。该系统在输出电能的同时,利用低品位热能驱动喷射器工作输出冷量。以输出电量1 MW为设计目标,对比冷电联供系统和再压缩发电系统的性能,研究联供系统各部件（火用）损和主要热力参数对其性能的影响。结果表明：联供系统利用CO₂余热驱动喷射器输出冷量,循环热效率高于单一再压缩系统;加热器（火用）损所占比例最大,回热器次之;透平进口温度、压力和背压对联供系统工质流量、循环效率、输出功率、加热器功率、压缩机耗功及喷射器制冷量等参数影响较大;而冷凝温度和蒸发温度仅对制冷循环制冷量影响较大。在设定条件下,联供系统的循环热效率和（火用）效率可分别达到46.99%和47.21%。     

燃气机驱动CO2跨临界循环热泵系统

以天然气为能源，以CO2为工质的燃气机驱动CO2跨临界循环热泵系统可以最大限度地降低总有效温室效应指数，提高一次能源利用率，减小对环境的污染，而且其运行费用也低于普通电动热泵，具有很好的发展前景。     

二氧化碳复叠式制冷系统实验研究

本研究提出了一种基于CO₂固气两相升华流动的复叠式制冷系统。系统采用环保的天然工质CO₂作为冷媒。复叠式制冷系统由高温循环（HTC:High Temperature Cycle）和低温循环（LTC:Low TemperatureCycle）二个部分构成。两部分用一个中间换热器相连接。本文提出CO₂两级复叠式循环概念并进行了实验测试,利用CO₂固气两相升华流动潜热潜力,可以同时实现低于-56.6℃的制冷和80℃以上的制热。通过实验和理论计算,两级系统成功地同时实现了以上功能。此外,本文还总结了基本实验特性并做了相应的系统优化设计和分析。