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        CO2熱泵熱水器燃?xì)饫鋮s器的設(shè)計與試驗研究

        2023-09-28 02:30:14強(qiáng)
        中國新技術(shù)新產(chǎn)品 2023年16期
        關(guān)鍵詞:水流量冷卻器熱泵

        李 強(qiáng)

        (中山百得廚衛(wèi)有限公司,廣東 中山 528400)

        CO2價格低廉,可廣泛使用,不會像其他制冷劑[1]一樣影響全球環(huán)境。CO2的GWP=1,是工業(yè)生產(chǎn)的廢物,作為技術(shù)氣體使用時,對全球變暖的凈影響為零。目前,日本、挪威等國家在微型CO2HPWP(熱泵熱水器)領(lǐng)域進(jìn)行了大量研究,已經(jīng)生產(chǎn)出了成熟的市場產(chǎn)品。據(jù)預(yù)測,日本對CO2HPWP的需求在2010年的生產(chǎn)總量將達(dá)到52萬輛。日立公司生產(chǎn)的兩種HPWP已經(jīng)上市,可以將水加熱到80℃或70℃。根據(jù)市場情況,其價格在65~100萬日元之間(1日元等于0.051人民幣)。然而,我國對跨臨界CO2HPWP的研究卻比較落后。目前,上海交通大學(xué)、天津大學(xué)、西安交通大學(xué)、清華大學(xué)和上海科技大學(xué)最早開展了跨臨界CO2HPWP理論和試驗研究。但關(guān)鍵組件如氣體冷卻器、蒸發(fā)器和節(jié)流閥與外國發(fā)達(dá)國家相比,仍有很大的差距[2]。

        該文設(shè)計了一套CO2跨臨界循環(huán)熱泵水泵加熱器系統(tǒng),設(shè)計了雙管氣體冷卻器,研究了CO2在氣體冷卻器中的傳熱特性,考察了氣體冷卻器水流量對氣體冷卻器出水溫度、熱本熱水器出水溫度和冷卻器出水溫度對系統(tǒng)COPh的值的影響。

        1 設(shè)計過程

        1.1 CO2熱泵熱水器系統(tǒng)的設(shè)計

        CO2熱泵系統(tǒng)循環(huán)的原理是通過一系列步驟實(shí)現(xiàn)的。首先,蒸發(fā)器中的CO2氣體被壓縮機(jī)進(jìn)行壓縮。然后,高溫高壓的CO2進(jìn)入氣體冷卻器,在這里通過水的冷卻作用產(chǎn)生熱水。接下來,經(jīng)過內(nèi)部熱交換器,CO2被過冷,然后通過毛細(xì)管進(jìn)行節(jié)流。在這個過程中,蒸發(fā)器吸收熱量,同時產(chǎn)生冷水[3]。隨后,低壓的CO2進(jìn)入再生器進(jìn)行過熱,然后重新進(jìn)入壓縮機(jī),循環(huán)再次開始。

        該系統(tǒng)所使用的壓縮機(jī)是由巴西Enbraco公司制造的單臺半密封式CO2壓縮機(jī),其排量為1.75cm3/轉(zhuǎn)。壓縮機(jī)在循環(huán)過程中扮演著關(guān)鍵的角色,通過對CO2氣體的壓縮來推動整個系統(tǒng)的運(yùn)行。巴西Enbraco公司制造的壓縮機(jī)在CO2熱泵系統(tǒng)中表現(xiàn)出良好的性能和可靠性。

        通過這種循環(huán)原理和所使用的壓縮機(jī),CO2熱泵系統(tǒng)能夠有效地實(shí)現(xiàn)熱水和冷水的生產(chǎn)。這種系統(tǒng)具有環(huán)保性和能源效益,有潛力在許多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,例如家庭熱水供應(yīng)、工業(yè)加熱和空調(diào)系統(tǒng)。通過使用CO2作為制冷劑,該系統(tǒng)能夠提供高溫高壓的熱水,具有很大的應(yīng)用潛力。

        1.2 燃?xì)饫鋮s器的設(shè)計

        燃?xì)饫鋮s器是熱泵熱水器是熱泵熱水器的關(guān)鍵部件之一。氣體冷卻器設(shè)計為反流雙管,材質(zhì)為紅銅。CO2在內(nèi)管中流動,水在內(nèi)管和外管之間流動。

        1.2.1 設(shè)計條件

        氣冷器的設(shè)計條件如下:CO2側(cè)工作壓力為12 MPa,水邊工作壓力為0.4 MPa,進(jìn)水溫度為17℃,出熱水溫度為65℃,傳熱量Qw為1.45 kW??紤]增壓12 MPa,內(nèi)管外徑6 mm,壁厚1.2 mm,外管外徑10 mm,壁厚1.0 mm。

        1.2.2 傳熱計算

        當(dāng)超臨界CO2在氣體冷卻器中冷卻時,熱物理性質(zhì)隨溫度的變化迅速,特別是在偽臨界點(diǎn)附近。

        CO2側(cè)的熱對流系數(shù)可通過格涅林斯基相關(guān)法計算,如公式(1)所示。

        式中:Nu為對流系數(shù),f為管內(nèi)湍流流動的Darcy阻力系數(shù),Re為雷諾系數(shù),Pr為普朗特準(zhǔn)數(shù)。

        佛羅年柯(Filonenko)公式如公式(2)所示。

        式中:f為管內(nèi)湍流流動的Darcy阻力系數(shù),Re為雷諾系數(shù)。

        根據(jù)迪圖斯一貝爾特 (Dittus-Boelter)公式,水體的傳熱系數(shù)如公式(3)所示。

        式中:Nuf為對流傳熱系,Re為雷諾系數(shù),Pr普朗特準(zhǔn)數(shù)數(shù),f表示流體平均溫度,b為指數(shù),當(dāng)流體被加熱時,指數(shù)b=0.4。

        其中雷諾系數(shù)計算如公式(4)所示。

        式中:Re為雷諾系數(shù),u為流速,de為當(dāng)量直徑,de=Vf為平均水流量。

        總傳熱系數(shù)k的計算相關(guān)系數(shù)如公式(5)所示。

        式中:K為總傳熱系數(shù),h為壁厚,λc摩擦系數(shù),hf為流動阻力,di,O為外管直徑,di為內(nèi)管直徑。如公式(6)所示。

        式中:hf為流動阻力,λf為摩擦系數(shù),de為當(dāng)量直徑,Nuf對流傳熱系數(shù)。如公式(7)所示。

        式中:de為當(dāng)量直徑。

        根據(jù)設(shè)計條件,傳熱結(jié)果如下:

        hi=2751 Wm-2K-1,hf=1935 Wm-2K-1,k=887.6 Wm-1K-1。

        1.2.3 氣體冷卻器的長度計算

        根據(jù)傳熱方程,如公式(8)所示。

        式中:Q為熱流量,k=887.6 Wm-1K-1,A為橫截面積,Δtm為傳熱時平均溫差。如公式(9)所示。

        式中:Δtm為傳熱時平均溫差,Δtmax進(jìn)口端溫度差,Δtmin出口端溫度差。

        因此,氣體冷卻器的長度可以計算為L=6.6m。采用蛇形環(huán)管設(shè)計,內(nèi)徑為6mm,外徑10mm。內(nèi)管壁厚1.2mm,外管壁厚1mm??傞L度6.6m。

        2 結(jié)果與討論

        氣體冷卻器和蒸發(fā)器入口的水溫控制在恒定狀態(tài)。蒸發(fā)器的水流量也控制在25.2 L/h,氣體冷卻器的水流量也由一個閥門控制。氣體冷卻器的水流量對熱水溫度的影響如圖1所示。

        圖1 氣體冷卻器的水流量對熱水溫度的影響

        從圖1可以看出,當(dāng)水流量40 L/h,水溫可達(dá)72℃。隨著氣體冷卻器水流量的升高,熱水(氣體冷卻器出口)的溫度逐漸降低,當(dāng)水流量為120 L/h時,水溫維持在42℃左右。管徑一定情況下,這是因為水流量增大,流速加快,冷水停留時間縮短,降低了傳熱效率。

        COP值(制冷效率)是指熱泵系統(tǒng)在特定工況下所實(shí)現(xiàn)的制冷量(或制熱量)與輸入功率之間的比值。較高的COP值表示熱泵系統(tǒng)具有更高的效率和節(jié)能性。如圖2所示,可以看出整個系統(tǒng)的COPh(性能系數(shù))隨著氣體冷卻器的水流量增加而增大。當(dāng)氣體冷卻器的水流量為23 L/h時,COPh為1.7。隨著水流速率增至80 L/h,COPh增至2.6。進(jìn)一步增加水流速率至121.8 L/h時,COPh增至2.8。初期隨著水流量增加,系統(tǒng)的性能系數(shù)明顯提高。然而,當(dāng)水流量繼續(xù)增加時,系統(tǒng)的性能系數(shù)增長速度變緩,當(dāng)水流量超過100 L/h時,系統(tǒng)的性能系數(shù)基本保持不變,達(dá)到了極限。

        圖2 系統(tǒng)性能系數(shù)與氣體冷卻器水流量關(guān)系

        通過適當(dāng)調(diào)節(jié)氣體冷卻器的水流量,可以顯著提高熱泵系統(tǒng)的性能系數(shù)。在一定范圍內(nèi),隨著水流量增加,系統(tǒng)的制冷效率逐漸提高,從而更好地利用能源,達(dá)到節(jié)能效果。然而,當(dāng)水流量超過一定閾值時,進(jìn)一步增加水流量并不能顯著提高系統(tǒng)的性能系數(shù)。因此,當(dāng)設(shè)計和運(yùn)行熱泵系統(tǒng)時,需要考慮水流量對系統(tǒng)性能的影響,并在達(dá)到一定水流量后進(jìn)行合理地控制,以保證系統(tǒng)的最佳性能[4]。

        如圖3所示,隨著氣冷器出水溫度增加,系統(tǒng)的COph值變小,說明系統(tǒng)的節(jié)能效果變差,耗能增加。

        圖3 系統(tǒng)性能系數(shù)與氣冷器出水溫度關(guān)系

        如圖4、圖5所示,隨著水流量從40 L/h增至12 L/h,高溫段的換熱系數(shù)從192.3增至203.2,低溫段的換熱系數(shù)從146.2增至150.7,高溫段和低溫段的換熱系數(shù)分別提升了10.9%和4.5%。這是因為隨著水側(cè)的換熱加強(qiáng),水側(cè)的換熱系數(shù)增加,蛇形盤管表面的溫度降低,使換熱器的排煙溫度降低,水側(cè)吸收熱量增加。由于換熱器主要進(jìn)行氣水換熱,主要的熱阻在氣側(cè),因此要提高水側(cè)的流量,在管徑一定的情況下,流速加快,對于提高換熱器的整體的水速并沒有多大的幫助,所以提高水流速度,并未明顯提升換熱器的換熱系數(shù)。

        圖4 高溫段換熱系數(shù)與水流量關(guān)系

        圖5 低溫段換熱系數(shù)與水流量關(guān)系

        這些研究結(jié)果對于優(yōu)化CO2熱泵系統(tǒng)的性能具有重要的指導(dǎo)價值。通過了解水流量與系統(tǒng)性能之間的關(guān)系,可以更好地設(shè)計熱泵系統(tǒng),以最大程度地提高能源效益,達(dá)到節(jié)能的效果。這對于推動可持續(xù)能源利用和減少對傳統(tǒng)能源的依賴具有重要的作用。

        3 結(jié)論

        該文設(shè)計了CO2熱泵熱水器的燃?xì)饫鋮s器,并對其系統(tǒng)特性和燃?xì)饫鋮s器的傳熱特性進(jìn)行了測試和分析。

        總結(jié)了以下4點(diǎn)結(jié)論:1)當(dāng)燃?xì)饫鋮s器水流量升高時,燃?xì)饫鋮s器出口水溫逐漸降低,熱泵熱水器的熱水溫度達(dá)到72℃。2)當(dāng)氣體冷卻器的水流量為23 L/h時,COPh為1.7。當(dāng)水流速率達(dá)到80L/h時,COPh增至2.6。當(dāng)水流速率增至121.8L/h時,COPh增至2.8。3)隨著氣冷器出水溫度增加,系統(tǒng)的COph值變小,說明系統(tǒng)的節(jié)能效果變差,耗能增加。4)試驗還發(fā)現(xiàn),提高水流量,不會使換熱器的換熱系數(shù)得到明顯提升。

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