带喷射器的跨临界CO2热泵热水器系统的实验研究

　　随着CO₂制冷剂的兴起,CO₂在跨临界热泵循环中的应用成为研究的热点^[1].研究人员发现在CO₂跨临界循环系统中引入喷射器,代替节流阀回收一部分膨胀过程中的压力能,不仅解决了节流损失大的问题,也提高了压缩机的吸气压力,降低了压比,节省了压缩机的输入功,提高了压缩机的等熵效率,而且该循环还降低了蒸发器的压降,增大了蒸发器的换热系数,且使换热流体分布更均匀^[2].因此,喷射器的引入有效地提高了CO₂跨临界循环的效率,对于国家提倡的节能减排方针政策具有非常重要的意义.

　　近年来,国外学者对带喷射器的跨临界CO₂空调/热泵系统进行了热力学分析、系统模拟、系统性能实验等方面的研究^[3-7].此外,日本的Denso成功实现了带喷射器的CO₂热泵热水器的商业化.目前,国内一些大学对跨临界CO₂压缩喷射系统的研究侧重于系统热力学性能的理论分析^[8-11],尚未见发表有关实验的文章.本文自行设计并搭建了带喷射器的CO₂热泵热水器实验台,开发了相应的计算机测控系统.通过改变冷却水体积流量和进口温度对系统性能进行了实验研究,并分析了制热系数、制热量、压比、喷射系数、升压比、喷射器效率等参数的变化趋势.

　　1 实 验

　　1.1 实验装置

　　实验装置流程简图及主要的温度、压力、流量和功率测点如图1所示.实验系统包括CO2热泵系统、冷却水系统、冷冻水系统以及测控系统.其中,CO₂热泵系统主要由压缩机、气体冷却器、喷射器、蒸发器、气液分离器、节流阀、安全阀等部件组成.压缩机为意大利Dorin公司生产的型号为TCS340/4-D的往复式CO₂压缩机,理论排气量为3.5m³/h.除压缩机外购以外,系统其他主要部件都自行设计.本文设计的是适合于CO₂热泵热水器的两相流固定式喷射器,其设计模型和过程见文献^[12].气体冷却器和蒸发器均采用套管式CO₂-水逆流式换热器.内管流动介质为CO₂,外管流动介质为水,设计的热水出水温度为45~65°C.冷却水和冷冻水系统的水流量通过改变管路阀门的开度进行调节,水温通过温控仪控制加热棒功率进行调节.气液分离器结构采用U型管式,材质为0Cr18Ni9.

　　1.2 测试装置

　　实验系统采用铜-康铜热电偶和PT100铂电阻测温,温度测量的不确定度分别为±0.5°C、±0.3°C;压力测量采用GE Druck PTX7517高精度压力传感器,量程为0~16MPa,测量精度为0.2%;CO₂质量流量测量采用Emerson Micro Motion高精准F系列质量流量计,量程为0~0.2kg/s,测量精度为读数的0.1%;水流量采用玻璃转子流量计,测量精度为2%;压缩机的功率采用青岛青智仪器有限公司生产的ZW5435系列三相数字式功率表进行测量,测量精度为0.5%.