低温下提高CO2空气源热泵进水温度对系统性能的影响

在低温工况下,因跨临界循环CO₂热泵系统气体冷却器的进水温度和CO₂出口温度降低,压缩机吸气压力和温度随之降低。当系统的吸气压力低于压缩机的吸气压力下限时,将导致系统无法稳定运行。为了改变这种现象,采用在气体冷却器冷水入口处混水的方法,将热水箱的热水旁通至气体冷却器冷水入口。采用三通调节阀调节混水比例,适当提高气体冷却器的进水温度,以期实现系统在低温工况下的稳定运行。实验测试结果表明,采用混水方法不仅可保证低温工况下跨临界循环CO₂空气源热泵热水系统的稳定运行,同时可降低结霜频率,延长系统运行时间,但系统的制热量和COP将小幅下降。兼顾系统的热力性能及运行稳定性,当环境温度为-20℃、制热温度为60℃时,较为适宜的混水温度为12~18℃。     

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。     

带毛细管的变频压缩机空气源热泵实验研究

针对家用“煤改电”空气源热泵,提出采用毛细管作为节流元件替代热力膨胀阀或电子膨胀阀,搭建了热泵系统实验装置。研究压缩机不同频率下,不同的毛细管长度对压缩机吸气压力、排气温度和机组制热量等制热性能的影响。实验结果表明,毛细管替代热力膨胀阀或电子膨胀阀后,系统能够长时间稳定运行;毛细管长度为500 mm、压缩机频率为35 Hz时系统制热性能最优,制热量、制热COP获得最大值,而其吸气压力和排气温度适中。     

容积比及排压对CO2单机双级热泵性能的影响

为了研究排气压力和高低压容积比对跨临界CO₂单机双级热泵热水器制热性能的影响,在不同工况条件下构建考虑压缩机输气系数的中间压力理论计算式并结合实验,以制取50℃热水为前提,分析蒸发温度在-20—0℃、排气压力在7.9—9.2 MPa、高低压容积比在1.0—2.8的范围内,二者对其性能的影响规律。结果表明：随着高低压容积比的增大,中间压力和制热量会不断增大,而制热性能系数缓慢减小;随着排气压力的升高,中间压力随之增大,制热量先迅速增长后趋于缓慢,制热性能系数先增大后降低,存在最优值3.41,且对应的最优排气压力会随着蒸发温度的升高而增大。此结果为合理地选择CO₂单机双级热泵系统高低压容积比及控制排压从而提升其性能提供了指导依据。     

高温CO2热泵的超临界喷气增焓性能

提出了一种基于高温超临界喷气增焓技术的新型CO₂热泵循环,以显著提升跨临界CO₂热泵在高温循环加热工况下的制热性能。通过建立超临界喷气增焓型高温CO₂热泵系统的数值模型,并采用EES（engineering equation solver）软件对该热泵系统的循环加热性能进行了仿真分析。研究了在较高气体冷却器出口温度下,蒸发温度、压缩机中间压力、气体冷却器压力等参数对单位容积制热量和性能系数（COP）的影响。结果表明：在最优排气压力下,气体冷却器出口温度高达60℃时,该热泵循环的COP也能达到3.0左右;相对于普通喷气增焓系统,COP明显提高;相对于无喷气增焓的常规系统,在气体冷却器出口温度为60℃时,相对补气量为0.3、0.4、0.5的超临界喷气增焓系统COP分别提高了14.8%、21.2%、29.2%;气体冷却器压力和中间压力对系统COP的影响变化趋势一致,但气体冷却器压力的影响更为显著;此外,存在最优的气体冷却器压力和中间压力使系统COP达到最大,在气体冷却器出口温度为60℃,相对补气量为0.4时,最优气体冷却器压力和中间压力分别为13.5MPa和8.5MPa。     

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。     

不凝性气体对热泵系统性能影响的实验研究

为研究不凝性气体对热泵系统性能的影响，以氮气作为实验气体，测试热泵系统在不同冷却水流量和温度下以及不同压缩机排气压力下，系统中存在体积分数为0.5%—10%的氮气时，系统的压缩机耗功、制热量以及COP的变化。结果表明：体积分数仅0.5%的氮气，对系统性能就造成了严重影响；氮气体积分数为0.5%—3%时，系统性能下降速度最快；进一步增大氮气体积分数，发现压缩机耗功增幅变缓，但制热量和COP仍有较大的下降速率。在含氮气的系统中调节冷却水流量、温度以及压缩机排气压力，系统性能虽有所改善，但大多会低于纯制冷剂系统。     

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。     

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。     

跨临界CO2热泵系统最优排气压力的实验研究

为了研究跨临界CO₂热泵系统中不同热水出水温度下,环境温度对系统最优排气压力的影响,通过理论结合实验分析,以跨临界CO₂热泵机组为平台,在环境室进行了热泵热水器的性能研究。研究结果表明：环境温度和出水温度的上升都会导致系统最优排气压力的上升。出水温度为50℃时,随着环境温度从-20℃上升至3℃,系统的最优排气压力从8.26 MPa上升至9.07 MPa。拟合出以环境温度为自变量的最优排气压力关联式,关联式预测值和实验值最大偏差为1.33%。以环境温度和出水温度为自变量,通过曲面拟合的方法得到适用于该机组的最优排气压力关联式,关联式预测值和实验值最大偏差为1.26%。后者拟合的关联式具有更高的准确性。     

R32制冷系统湿压缩的最佳吸气干度范围

湿压缩应用于R32制冷系统时能有效降低压缩机排气温度,但是其对系统性能的影响有待研究。在热力循环理论计算分析的基础上,利用变频滚动转子式压缩机制冷循环实验台,通过改变压缩机频率和电子膨胀阀的开度做了一系列实验,研究不同工况下R32制冷系统各项参数的变化趋势,寻找系统最优时吸气干度范围。理论分析表明:吸气带液时系统的性能比吸气过热时要好;从吸气过热到吸气带液,排气温度快速降低,而制冷量和COP先升高后降低,压缩机吸气干度在0.90~0.93内,理论COP存在最大值。实验分析表明:吸气干度在0.96~1.0范围内,制冷量比常规应用中控制过热度5℃时的高5%~10%;排气温度比吸气过热度5℃时的排气温度低8%~16%;COP比吸气过热度5℃时的高5%~8%;系统压比降低,系统性能达到最优。     

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。     

变流量水源热泵系统频率与阀开度联合调控策略

为提高变流量水源热泵系统在实际应用过程中的运行性能,分别进行恒定压缩机频率变膨胀阀开度和恒定阀开度变频率实验,提出一种频率-阀开度联合调控的策略并进行协同控制实验,研究该策略对于水源热泵系统性能的影响,并与仅使用电子膨胀阀或压缩机频率调控进行对比。结果显示：较低频率下电子膨胀阀的调节区间减小,适当增加冷冻水温度可以扩大其调控范围,最高制热量和最优性能系数C_OP对应的阀开度相同;频率为45—55 Hz时,调控区间较小,改变冷冻水进水温度对频率的调节特性影响不大,制热量随着频率的升高而升高,C_OP随着频率的升高而降低,可根据用户的不同需求选择较优的频率值;频率-阀开度的联合调控策略使系统在2个工况下的最高C_OP比仅使用阀开度调节提高了10%和9.9%,比使用频率调节提高了6.5%和7.6%。     

基于蒸汽压缩技术的热泵蒸汽系统热力性能分析

热泵蒸汽技术相比电锅炉及燃煤、燃气锅炉制取蒸汽,具有更高的一次能源利用效率,并且不产生CO₂和NO_x,符合我国节能环保发展战略。本文提出一种基于蒸汽压缩技术的热泵蒸汽系统,采用两级冷凝直接制取低压蒸汽,再通过蒸汽压缩升压至0.7MPa。并基于EES软件建立数值模型,分析冷凝温度T_cond、蒸发温度T_evap、经济器温度T_econ、喷气率β_g对冷媒压缩机功耗W_refri、蒸汽压缩机功耗W_vapor和系统能效系数COP的影响。结果如下：基于蒸汽压缩的热泵蒸汽系统,制取165℃的饱和蒸汽,在T_evap为50℃、T_cond为93℃时,系统COP为2.996,制取1t蒸汽消耗功率仅为247kW·h;系统COP随T_evap的升高逐渐增大,但是T_evap的升高需要更高的热源温度;蒸发温度不变时,系统存在最佳的T_cond、中间冷却温度T_econ和喷气率β_g,当蒸发温度T_evap为50℃,最佳冷凝温度T_cond为93℃时,最佳经济器温度T_econ为65℃,最佳喷气率β_g为0.13。     

双缸滚动转子式压缩机采暖热泵低温制热性能

对双缸滚动转子式压缩机采暖热泵在环境温度（T_od）为-30～0℃,出水温度（T_wo）为41～50℃范围内的制热进行测试。研究表明：外界环境温度对排气温度、蒸发温度影响很大,对冷凝温度影响很小;热水出水温度对冷凝温度影响很大,对排气温度、蒸发温度影响很小。随着外界环境温度的降低,采暖热泵的制热量急剧下降,当T_wo=41℃时,T_od从0℃下降到-30℃,制热量的降幅达62.16%;随着出水温度的升高,采暖热泵的制热量下降缓慢,当T_od=0℃时,T_wo从41℃上升到45℃,制热量降幅仅为5.61%;外界环境温度对COP_h值的影响也显著,当T_wo=41℃时,T_od从0℃下降到-30℃,COP_h值从2.94下降到1.38,降幅达53.06%。双缸滚动转子式压缩机采暖热泵应用于-30～0℃的低温工况下,具有良好的实用价值。     

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%。     

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。     

一种天然气液化和CO2捕集相结合的余热回收发电系统

针对余热回收和能源利用的问题,以液化天然气(LNG)作为冷源,稠油开采废气作为热源,提出了一种结合天然气液化和废气发电与CO₂捕集的余热回收利用系统。分析了关键热力学参数对系统热力学性能的影响。结果表明：对于有机朗肯循环和制冷循环,增加透平膨胀机的进口温度,降低其出口压力以及减少制冷循环压缩机进出口的压缩比,可获得最大净输出功为454.9 kW,余热回收效率为34.2%。对于天然气液化系统,采用C++进行非线性约束优化计算,以氮膨胀制冷循环压缩机总功耗为目标函数进行优化,得到压缩机最优总功耗为101.54 kW。降低天然气压缩机(K110)进口温度,氮气膨胀机(T3)出口压力以及氮气质量流量,可获得最大LNG调峰量为378.8 kg/h,反之,CO₂捕集量可提高28.6%。     

跨临界CO2双级压缩制冷系统性能实验研究

自然工质CO₂作为制冷剂,替代氨和氟利昂在低温冷库制冷领域受到关注。针对现阶段CO₂制冷系统,其低蒸发温度范围内实验研究较少的问题,搭建了跨临界CO₂双级压缩两级节流制冷系统实验台,通过改变冷凝压力、低压级电子膨胀阀开度、室内温度,研究制冷系统制冷量和COP的变化趋势。研究结果发现：当冷凝压力为8.5 MPa时,制冷系统性能变化明显,随着低压电子膨胀阀开度从50%变化至100%,系统的制冷量增幅17.89%,COP增幅9.7%。随着室内温度从-34℃变化至-20℃,系统的制冷量增幅44.28%,COP增幅33.33%。在低蒸发温度范围内,合理选取系统运行工况对提升系统性能有重要作用。     

低温下提高CO_2空气源热泵进水温度对系统性能的影响

在低温工况下,因跨临界循环CO_2热泵系统气体冷却器的进水温度和CO_2出口温度降低,压缩机吸气压力和温度随之降低。当系统的吸气压力低于压缩机的吸气压力下限时,将导致系统无法稳定运行。为了改变这种现象,采用在气体冷却器冷水入口处混水的方法,将热水箱的热水旁通至气体冷却器冷水入口。采用三通调节阀调节混水比例,适当提高气体冷却器的进水温度,以期实现系统在低温工况下的稳定运行。实验测试结果表明,采用混水方法不仅可保证低温工况下跨临界循环CO_2空气源热泵热水系统的稳定运行,同时可降低结霜频率,延长系统运行时间,但系统的制热量和COP将小幅下降。兼顾系统的热力性能及运行稳定性,当环境温度为-20℃、制热温度为60℃时,较为适宜的混水温度为12~18℃。