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。     

带余热回收的CO2车用热泵系统实验研究

本文研制了一套具有串联式余热回收功能的CO₂热泵系统,并在标准焓差台中实验研究了不同工况参数对系统低温制热性能的影响。结果表明：双热源余热回收系统(空气热源和电机热源)的性能优于单空气热源系统,双热源模式可以优化系统参数,提高系统制热量与COP,扩大热泵系统低温工作范围。在环境温度为-20℃时系统切换至双热源模式后的制热量及COP分别提高18.9%和5.9%。低温环境下使用双热源模式优势显著,随着室外温度由-5℃降至-20℃,开启双热源模式后制热量的增加率由4.3%增至18.9%,COP的增加率由4.3%增至5.9%。提出低于-5℃的环境温度是使用余热模式的最佳温度范围,为CO₂车用热泵系统的实际应用提供指导。     

集成引射器与机械过冷的CO2冷热联供系统性能分析

为提高CO₂系统用于建筑全年空间供热供冷的性能,本文提出集成引射器与机械过冷的跨临界CO₂冷热联供系统(EJ-DMS)。通过构建系统的热力学模型,以性能系数(COP)为目标函数,采用遗传算法对排气压力和过冷度进行优化,并对系统应用于5个典型城市的能耗、全年性能系数(COP_ann)进行场景分析。结果表明：EJ-DMS相比常规机械过冷系统、常规引射系统,COP在制热和制冷模式下分别提高10.90%、5.58%和8.99%、18.12%,COP_ann分别提高7.95%和5.98%。EJ-DMS相比常规引射系统在制热和制冷模式下排气压力分别降低0.47 MPa和0.77 MPa。此外,EJ-DMS系统在广州和哈尔滨运行时的COP_ann提升率最大,表明其更适合环境温度较高或较低的地区,如夏热冬暖和严寒地区。本文可为CO₂冷热联供系统的构建和优化提供理论参考。     

新能源车用CO2空调系统泄漏特性仿真研究

CO₂作为一种安全、高效且环境友好的自然工质,是未来汽车空调制冷剂替代方案的重要选择。考虑到CO₂系统制冷剂泄漏导致乘员舱气体体积分数超标的舒适及安全问题,本文使用三维仿真软件STAR-CCM+搭建乘员舱CO₂制冷剂泄漏仿真模型,仿真分析两种不同泄漏速率和泄漏圆孔孔径下乘员舱乘客面部测点CO₂体积分数的动态变化情况。在50 g/s的高CO₂泄漏速率下,面部CO₂体积分数在泄漏完成时能够达到9%以上,需要切换送风模式提供新风来降低乘员舱内CO₂体积分数;在0.1 g/s的低CO₂泄漏速率下,泄漏完成时面部CO₂体积分数不超过3%,处于呼吸安全区范围。     

采用不同膨胀机构的跨临界CO2循环性能分析

运用热力学第一定律和第二定律对跨临界CO2基本循环、膨胀机循环、喷射器循环和涡流管循环进行了分析,计算了各循环各个部件的损失,比较了各循环性能系数和总损失。计算结果表明,采用膨胀机、喷射器和涡流管等膨胀设备代替基本循环中的节流阀后,由于这些改进膨胀设备的损失小于基本循环节流阀的损失,同时改进循环中压缩机的损失小于基本循环的压缩机损失,从而减小了循环总损失,提高了循环的COP。膨胀机循环的COP远大于其它跨临界CO2循环,其次为喷射器循环和涡流管循环。     

NH3/CO2制冷系统的研究

介绍了CO₂作为冷媒的主要特点及其制冷系统形式,论述了NH₃/CO₂制冷技术的研究内容和试验结论,提出了NH₃/CO₂制冷系统的最佳适用范围。通过大量的系统试验数据和分析表明,NH₃/CO₂制冷系统有着极高的运行效率和安全、环保效应。CO₂因其环保和节能的特点在不久的将来将成为最有前景的制冷剂之一。     

CaO/γ-Al2O3吸附剂吸附CO2的性能研究

采用浸渍法制备了以γ-Al2O3为载体的CaO/γ-Al2O3吸附剂,并在自制吸附剂评价装置上,研究了不同CaO负载量对CaO/γ-Al2O3吸附剂吸附性能的影响。利用XRD及BET对CaO/γ-Al2O3吸附剂的物相及结构进行了表征。实验结果表明,CaO/γ-Al2O3吸附剂对CO2有较好的吸附性能,并且CaO/γ-Al2O3吸附剂的比表面积、孔容随着CaO负载量的增大而减小。当CaO的负载量为25%(wt,下同)时,CaO/γ-Al2O3吸附剂的静吸附容量达到最大值,4.95mol/kg。     

采用非共沸工质机械过冷跨临界CO2热泵供暖性能分析

本文提出采用非共沸工质的机械过冷跨临界CO2热泵供暖系统,并建立系统热力学模型,与采用纯质的机械过冷跨临界CO2热泵系统进行对比。结果表明：在环境温度为-12 ℃、用户供回水温度为65/40 ℃条件下,采用大温度滑移非共沸工质R1234ze(E)/R601(60/40)时,系统COP高达2.45,相对采用纯质最高提升13.82%。采用非共沸工质可有效降低系统排气压力并获得较大过冷度,减小节流不可逆损失。使用R290/R601(70/30)时,最优排气压力可降低27.85%。非共沸工质的使用可有效改善过冷过程的温度匹配,使用R1234ze(E)/R601(60/40)时系统?效率相对纯质最高提升14.09%。较大的温度滑移及合理的温焓曲线凹凸性是机械过冷CO2热泵系统非共沸工质选取的两个重要原则,推荐选用R1234ze(E)/R601(60/40)。     

NH3/CO2制冷系统应用分析

本文对NH₃/CO₂制冷系统应用进行了简要分析,从安全和节能等多个方面论述了NH₃/CO₂制冷系统的优势,并介绍了NH₃/CO₂制冷系统在相关项目应用的情况。     

CO2空气源热泵供暖系统性能分析

为解决常规CO_2系统供暖效率低的问题,本文建立了常规CO_2系统、R410A喷气增焓系统、复叠系统、间接过冷CO_2系统、直接过冷CO_2系统的热力学模型,对采用不同供热末端的系统性能进行优化和分析。结果表明:当供/回水温度为65℃/40℃(供热末端为暖气片)、环境温度为-20～20℃时,直接过冷系统的COP较常规CO_2系统提升3.8%～20.9%。直接过冷系统的CO_2循环占主导地位,间接过冷系统在大多数工况下辅助系统对热水生产占主导。仅需通过为直接过冷系统配置相对较小的蒸气压缩制冷循环装置,即可实现系统效率的显著提升。对于不同的CO_2热泵系统,环境温度高于-15℃时,直接过冷系统火用效率均高于其它系统,较常规CO_2系统火用效率提高19.3%～28.2%;环境温度低于-15℃时,CO_2/R1234yf复叠系统的火用效率最高。     

跨临界CO_2空气源热泵系统性能研究

本文针对空气源跨临界CO_2热泵系统,采用效率分析法建立了压缩机的数学模型,采用结构分析法建立了膨胀阀的数学模型,采用分布参数法建立了气体冷却器、蒸发器和中间换热器的数学模型,并将其耦合为整个系统的数学模型,并通过实验验证了数学模型的计算结果。结果表明:机组输入功率的计算值与实测值的偏差小于4.4%;制热量的平均偏差为5.76%;最优排气压力的偏差小于0.1 MPa。综上所述,在确定的运行工况下,通过数学模拟计算某确定配置系统的性能参数是可行的。     

跨临界CO2引射制冷系统控制性能研究

本文建立了两种控制器（单通道最优控制器（SCOC）和多变量线性二次高斯控制器（LQG））以改善跨临界CO2引射制冷系统的运行效率。首先建立了SCOC,通过在线调节喷嘴喉部面积,搜索系统最优的气冷器压力;其次针对SCOC作用下制冷量不可控的缺点,设计了LQG以实现系统制冷量可调。将两种控制器分别应用于实验系统中,结果表明：SCOC能够驱使系统不断接近给系统的最优气冷器压力,给定工况下获得最大制热系数COPh为3.15,但导致系统制冷量的不可控。在LQG的作用下,气冷器压力、系统制冷量得到独立控制,显示了很好的参数跟随性,然而LQG无法保证系统的稳态运行效率。研究指出两种控制器各有优缺点,若实现满足系统负荷需求的同时保持系统最高的运行效率,需要设计结合两种算法特点的新型控制器。     

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。     

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。     

CO_2热泵热电池储能性能实验研究

CO_2热泵热电池系统由跨临界二氧化碳水源热泵与蓄冷蓄热装置组成,其在储能过程中系统的效率会逐渐降低。本文实验研究了CO_2热泵热电池的储能性能,分析了储冷罐、储热罐循环水体积流量、压缩机频率和电子膨胀阀开度对储能效率的影响。结果表明:低循环水流量既可使储能罐获得良好的温度分层,又能获得较大的换热量;压缩机频率越高,系统效率越大;同时电子膨胀阀开度也影响系统的储能效率。当压缩机频率为50 Hz,电子膨胀阀开度为330脉冲,储冷罐、储热罐循环水体积流量分别为0.2 m~3/h、0.1 m~3/h时,总体COP最大,为5.49。同时数学拟合了系统COP与储冷罐、储热罐出水温度、控制参数的关联式,提出了一种基于遗传算法的优化控制策略,系统总COP可达6.29。     

两级蒸发对跨临界CO_2引射制冷系统影响的实验研究

两级蒸发引射制冷循环中通过二级蒸发器不仅能调节引射器出口干度还能提高系统效率。通过改变第二蒸发器冷冻水流量对两级蒸发引射制冷系统进行实验研究,并与改变引射器面积比的调控效果进行比较。结果表明:在实验工况范围内,气冷器压力、第一蒸发器压力和压缩机流量都随第二蒸发器冷冻水流量的增加而增大;而且引射器面积比越大,气冷器压力越高而蒸发器压力和压缩机流量越低。同时,系统引射系数随第二蒸发器冷冻水流量的增加而降低,而制冷量和COP则升高,尤其是在小引射系数下,系统制冷量和COP提高的更为明显。本研究为引射循环提供了另外一种良好的调控思路。     

CO_2热泵研究现状及展望

本文概述了CO_2热泵目前在国内外的研究现状,总结了其在应用过程中的突出问题,分析了压缩机、换热器、节流装置等部件及系统的特点与缺陷,介绍了提高系统效率的最新技术方法,并对其在我国的发展予以展望。制约CO_2热泵推广的原因主要为系统压力较高、制造工艺要求更严格及专用压缩技术尚不成熟等导致的开发成本高。CO_2热泵未来研究内容主要为改良系统,优化部件及结合精准的计算机控制技术,实现软硬件同步发展,确保CO_2热泵高效、安全、可靠地运行,促进自然工质在制冷与供热方面的研究与应用。可以预测,CO_2热泵技术在我国将有更广泛的应用前景和研发空间。     

带约束条件的CO_2热泵热水系统高压控制方程

系统高压的优化与控制在提升跨临界CO_2系统效率方面至关重要。在CO_2热泵热水系统中,传统的高压控制方程中仅考虑了气体冷却器侧的出口温度而忽略实际应用中对出水温度的要求和温度夹点,导致系统性能大大降低。本文针对温度夹点和进出水温等约束的影响,建立了有约束的气冷器模型,并对系统高压进行了优化。采用实验设计以及统计学方法确定影响最优高压的主要因素,通过最小二乘法回归出最优高压控制方程。使用该高压控制方程的系统平均COP损失1.8%,最大COP损失8.7%,可以更好地满足实际应用。