跨临界CO2热泵热水器系统的试验研究

　　根据5蒙特利尔议定书6第19次缔约方大会的决定,HCFCs制冷剂的淘汰时间被提前了。对于HCFCs制冷剂,其替代工质分别为HFCs和天然工质。但HFCs工质的GWP值太高,释放1kg的HFCs制冷剂所产生的全球变暖效果是释放相同质量CO2所产生效果的1 000~3 000倍,这也是5京都议定书6限制这类物质的原因。CO2是一种无毒、不可燃而又廉价易获取的天然工质,与其他制冷剂相比,其GWP=1。来自自然界的CO2对全球环境没有负面影响[1-2]。另外, CO2的临界温度只有31.1e,因此,CO2的蒸气压缩循环放热过程不是在两相区发生冷凝,而是在气体冷却器内接近或超过临界点的区域放热。在CO2跨临界制冷循环中,其放热过程为变温过程,有较大的温度滑移,且密度会急剧增大。CO2从气态变化到超临界状态,在这种状态下,其密度对温度和压力的变化十分敏感。而这个过程的温度滑移正好与所需的变温热源相匹配,是一种特殊的劳伦兹循环,可以减少高压侧不可逆传热引起的能量损失,有利于增大放热系数[3]。目前,日本、挪威等国在小型CO2热泵热水器领域做了许多研究工作,已经生产出成熟的机型在市场上销售,并得到政府财政补贴。2007年,日本CO2热泵热水器的需求量就已经达到了69万台,比2005年增长197%,预计到2010年将累计达到520万台[4]。日立公司已经将在环境温度分别为-25e和-30e下能制取80e和70e热水的机型推向了市场,根据性能、贮水量的不同,价格在65~100万日元之间[5]。在我国,对跨临界CO2热泵的研究,上海交通大学、天津大学、西安交通大学、清华大学、上海理工大学都作了理论与试验方面的研究,但很多关键部件,比如气体冷却器、蒸发器、节流阀等,在国内制做出来后,其性能与国外的仍有很大差距,同时对影响系统性能系数的各种因素及变化规律,也须要进一步深入的研究。笔者针对跨临界CO2热泵热水系统各项参数随气冷器出水量、蒸发器水流量等参数的变化规律,研制出跨临界CO2热泵热水系统试验台,并进行各项试验研究。

　　1 试验台介绍

　　图1所示为本试验台实物外观,其流程如图2所示:CO2经压缩后从压缩机排出,由状态点1到达状态点2,然后进入气冷器(水冷式)。CO2在气冷器内放热后到达状态点3,然后经过回热器过冷到状态点4,经过干燥过滤器后在毛细管内节流到达状态点5,随后在蒸发器内吸收热量而蒸发,出蒸发器到状态点6,再经回热器过热到状态点1,重新进入压缩机,如此循环。

　　本试验台核心部件压缩机采用巴西Embraco公司生产的单级封闭式CO2专用压缩机,排量为1.75cm3/r。图3所示为本试验所用气冷器的3-D模型,内外管皆为紫铜质,采用套管式。CO2在内管从上至下流动,其外径6mm,壁厚1.2mm;水则在外管自下而上流动进行逆流换热,外管外径10mm,壁厚1.0mm。整管长5m,盘8圈,盘直径设计为0.2m。蒸发器采取类似结构,不同的是CO2通过吸收外管中流过的水的热量而蒸发。为了减少与外界环境的热交换,两换热器外部都裏有9mm厚的橡塑保温层。