跨临界CO2热泵热水器的实验研究

　　0 引言

　　环境问题在当前备受关注.随着我国经济的发展,高速增长的能源需求对能源的承载能力提出了严峻的挑战,为此必须提倡节约用能,节能和科学用能是我国能源战略的核心和指导思想^[1],在供热装置中,由于工质CFCs和HCFCs对臭氧层和大气变暖均有很大影响,寻找绿色有效的替代物成为必然趋势.CO₂作为一种自然工质,其ODP为0,GWP较小,作为供暖设备的制冷工质具有独特的优势.CO₂热泵热水器的发展备受关注,其能效受到出水温度的影响,国内常规工质的热泵热水器出水温度一般设定在45~50°C,而根据日本标准,其出水温度设定为65°C对于人体健康有着重要意义^[2].

　　1980年代跨临界CO2热泵系统首先由挪威NTNU/SINTEF的Gustav Lorentzen教授提出并做了深入的理论和实验研究,制做出样机^[3-4]. 1990年NorskHydro买断了该技术的商业产权,并组建了Shecco公司,后来称该技术为Shecco技术. 2000年日本Denso公司制作了第一台基于Shecco技术的热泵热水器,之后相继有Sanyo,Toshiba,Daikin等企业生产CO₂热泵热水器,并在日本市场热销,预计到2010年年销售50万台. 2002年挪威科技大学制冷空调系的Stene设计三段逆流式气体冷却器,可以更好地与其温度滑移相匹配^[5]_.

　　2000年,天津大学热能研究所搭建了我国第一台CO₂跨临界热泵循环实验台,对CO₂系统的结构参数、安全性和可靠性做了较全面的研究,并在此基础上,开展了跨临界循环系统的理论分析和实验研究^[6].上海交通大学的黄冬平等^[7]建立了CO₂跨临界循环系统的仿真模型,对不同跨临界CO₂制冷循环进行性能比较.2007年,郑州轻工业学院与合肥通用制冷设备有限公司合作,开展对80~200L系列的CO₂热泵热水器进行研究和开发^[8].本文将对跨临界CO₂制冷循环进行实验研究,以确定当冷却水出水温度为65°C时,系统参数变化对制冷效果的影响.

　　1 跨临界CO2循环实验系统

　　跨临界CO₂循环热泵热水器系统与普通热泵系统有很大区别:一方面系统压力高,这就要求系统中的所有部件有很高的耐压要求;另一方面CO₂在气体冷却器中换热有很大的温度滑移,这与换热过程有很好的匹配,便于提高效率.

　　该实验台的结构和测点布置如图1所示,实验台主要包括:热泵系统、水系统、数据测量与采集3个系统.热泵系统主要包括压缩机、气体冷却器、蒸发器、膨胀阀,还有回热器、储液器等,其中压缩机采用双级滚子转子式压缩机,蒸发器采用套管式换热器,套管内管走CO₂,管外走水.而气体冷却器流道正好与蒸发器流道相反,套管内管走水,为多头高效螺纹管,外管为钢管, CO₂在夹层中流动,由于压力相对较高,控制夹层容积便可以控制流速.蒸发器和气体冷却器均采用逆流换热,可增加换热强度.水系统主要包括水泵、储水水箱和转子流量计等.数据测量与采集系统主要有热电偶、Pt100热电阻、压力变送器、Keithley数据采集仪等.