湯輝

【摘 要】二氧化碳具備良好環(huán)境性能，并且在跨臨界循環(huán)運行過程中具備獨特熱力學的優(yōu)勢，為空調(diào)、制冷、熱泵行業(yè)主要研究內(nèi)容。本文創(chuàng)建二氧化碳熱泵熱水器測試系統(tǒng)，對二氧化碳熱泵熱水器運行性能進行測試。

【關(guān)鍵詞】二氧化碳；熱泵；熱水器；性能

因為氟利昂制冷劑被禁用，工質(zhì)替代成為人們重視的問題。人們開始重視二氧化碳，因為對環(huán)境保護進行考慮，二氧化碳制冷劑被再次使用。二氧化碳沒有味道、顏色和毒性，不可燃卡，消耗臭氧潛能值ODP為0，為空氣中常見化合物。因為以上原因，壓縮效率較高，二氧化碳熱泵系統(tǒng)的效率也比較高。二氧化碳熱泵為利用二氧化碳的全新熱泵，在熱泵系統(tǒng)及裝置不斷改進的過程中，系統(tǒng)經(jīng)濟性也有所提高。

一、實驗裝置

項目創(chuàng)建二氧化碳跨臨界熱水器試驗臺流程。此系統(tǒng)部件包括意大利生產(chǎn)開臨界CD1500H型號半封閉活塞式壓縮機；自行設(shè)計套管式雙壁同軸氣冷器；瑞典生產(chǎn)板式蒸發(fā)器。氣冷器內(nèi)管走水，外夾層走二氧化碳，避免結(jié)垢。使用JKV-24D型號電子膨脹閥作為節(jié)流裝置，在系統(tǒng)運行過程中，板式蒸發(fā)器熱源側(cè)進出口水溫、氣冷器都是通過公司創(chuàng)建標準實驗室保持恒定[1]。

二、實驗結(jié)果和分析

（一）氣冷器水流量對系統(tǒng)性能的影響

對二氧化碳熱泵熱水器性能造成影響的因素比較多，二氧化碳在超臨界狀態(tài)中不會出現(xiàn)冷凝的情況，流體冷卻過程中的溫度跨度比較大。圖1為氣冷器出水溫度和水流量關(guān)系，通過圖1可以看出來，在氣冷器水流量不斷增加的過程中，出水溫度在不斷的降低。此主要是因為氣冷器水流量不斷的提高，加強了換熱，所以出水溫度在不斷的降低。在實驗過程中，氣冷器及蒸發(fā)器的進水溫度為30.4℃。蒸發(fā)器水流速為25.2L/h，氣冷器水流量不斷增加[2]。

圖1 氣冷器出水溫度和水流量關(guān)系

氣冷器二氧化碳出口溫度在氣冷器水流量不斷增加的過程中降低，逐漸趨于冷卻水進口溫度，此主要是因為冷卻水流量在不斷的增加，換熱增強。另外，壓縮機吸氣溫度在氣冷器水流量增加過程中降低，在氣冷器水流量為16.8L/h的時候，壓縮機吸氣溫度為36℃；在氣冷器水流量為52.1L/h的時候，吸氣溫度降低到32℃；使水流量增加到128.7L/h的時候，吸氣溫度減低到31.53℃。壓縮機排氣壓力也是在氣冷器水流量增加的過程中降低，在氣冷器水流量達到16.8L/h的時候，排氣壓力為13.43MPa。在將水流量提高到最后128.7L/h的時候，排氣壓力為12.26MPa。以此表示，提高氣冷器水流量能夠降低氣冷器出口溫度和壓縮機排氣壓力，并且提高系統(tǒng)COP值[3]。

（二）電子膨脹閥（EEV）的影響

在蒸發(fā)器和氣冷器的進水溫度都為15℃的時候，電子膨脹閥開度對于系統(tǒng)性能影響為：在55℃及65℃出水工況中，電子膨脹閥開度的持續(xù)增加，系統(tǒng)制熱量、COP和制冷量的值都會持續(xù)增加，之后減小，峰值在開度200和180以下，這個時候系統(tǒng)COP分別為4.8和4.3?；?5℃出水工況中，并且機組允許運行，也就是電子膨脹閥開度從150提高到480過程中，系統(tǒng)制冷量、COP和制熱量的值都在開度不斷增加的過程中減小，為了避免降低潤滑油的性能，導致壓縮機損傷，在實驗過程中設(shè)置電子膨脹閥開度的最小值為150?；诖?，系統(tǒng)CDP為最大值4.0。使用不同側(cè)出水溫度，電子膨脹閥開度對于系統(tǒng)制冷量、制熱量及COP都具有相似影響[4]。

（三）蒸發(fā)器熱源口的影響

通過分析研究結(jié)果表示，蒸發(fā)器熱源口入口溫度對系統(tǒng)影響為：基于相同制冷劑充注量背景下，系統(tǒng)制熱系數(shù)在熱源口入口溫度不斷提高的過程中增加，而且系統(tǒng)最大制熱系數(shù)也在熱源水入口溫度提高過程中增加。在熱源口入口溫度從10℃提高到20℃的時候，最大制熱系數(shù)提高26%。一般，在熱源水入口溫度不斷提高的過程中，也會增加最佳制冷劑充注量[5]。壓縮機吸氣和排氣壓力、壓縮比、排氣溫度在熱源水入口溫度變化過程中的改變存在一定的關(guān)系，壓縮機吸氣壓力在熱源水入口溫度不斷提高的過程中提高，排氣壓力受到熱源水入口溫度影響比較小。通過研究表示，排氣溫度變化趨勢和壓縮比變化趨勢相同，也就是排氣溫度和壓縮比在熱源水入口溫度提高過程中降低。在制冷劑充注量不斷增加的過程中，其在制冷劑充注量在充注量前上升比較緩慢，超過最佳充注量以以后快速生成。在最優(yōu)的充注量中，熱源水入口溫度提高了10℃，壓縮比降低16.7%、排氣溫度降低12.6℃[6]。

三、結(jié)束語

為了對二氧化碳熱泵系統(tǒng)性能特點進行研究，創(chuàng)建項目試驗，并且基于壓縮機與制冷量入口的過熱度一定基礎(chǔ)上實現(xiàn)性能試驗。通過實驗結(jié)果表示：

（1）假如二氧化碳熱泵系統(tǒng)設(shè)計合理，那么二氧化碳熱泵COP值基本和常規(guī)工質(zhì)熱泵系統(tǒng)較為接近。其次，二氧化碳熱泵熱水器可供給熱水溫度范圍比較大，系統(tǒng)最高能夠?qū)⑺訜岬?0℃。

（2）電子膨脹閥在開度調(diào)節(jié)的過程中具有最佳開度，在此開度中，系統(tǒng)COP、制冷量和制熱量都達到最大值；

（3）在制冷劑充注量不斷增加的過程中，壓縮機排氣壓力和溫度不斷提高，壓縮機吸氣壓力不發(fā)生變化，但是氣體冷卻器出口制冷劑溫度降低。具有使系統(tǒng)制熱系數(shù)最大的最佳制冷劑充注量，壓縮機入口過熱度不斷提高使壓縮機排氣溫度不斷提高，但是對于直熱系數(shù)并沒有太大的影響。

【參考文獻】

[1]漆鵬程， 何雅玲， 孟祥兆，等. 二氧化碳熱泵熱水器性能實驗研究與氣體冷卻器的數(shù)值模擬[C]// 勇于創(chuàng)新，服務(wù)發(fā)展——2013中國制冷學會學術(shù)年會. 2013.

[2]羅會龍， 林辯啟， 杜培儉，等. 大功率二氧化碳熱泵熱水系統(tǒng)運行性能[J]. 化工學報， 2015， 66（6）：2274-2279.

[3]劉業(yè)鳳， 朱洪亮， 張峰，等. CO2熱泵熱水器充注量確定及系統(tǒng)實驗研究[J]. 上海理工大學學報， 2015，12（1）：49-56.

[4]劉業(yè)鳳， 卓之陽， 張峰，等. CO_2熱泵熱水器的系統(tǒng)設(shè)計及試驗研究[J]. 流體機械， 2013，15（10）：60-64.

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[6]王柯， 劉穎， 張雷，等. R417a替代R22工質(zhì)的靜態(tài)加熱式熱泵熱水器性能試驗研究[J]. 流體機械， 2013， 41（5）：60-65.