空氣源跨臨界CO2熱泵最優排氣壓力的理論和實驗

宋昱龍,唐學平,王守國,楊東方,曹鋒

(1.西安交通大學能源與動力工程學院, 710049, 西安; 2.江蘇白雪電器股份有限公司, 215500, 江蘇常熟)

空氣源跨臨界CO2熱泵最優排氣壓力的理論和實驗

宋昱龍1,唐學平2,王守國1,楊東方1,曹鋒1

(1.西安交通大學能源與動力工程學院, 710049, 西安; 2.江蘇白雪電器股份有限公司, 215500, 江蘇常熟)

為了研究空氣源跨臨界CO2熱泵系統中影響最優排氣壓力的主要因素,以跨臨界CO2熱泵機組為平臺,在焓差室中進行了制熱性能測試。結果表明,系統的蒸發壓力和氣冷器出口溫度隨排氣壓力的上升而下降,過熱度隨排氣壓力的上升而上升,制熱量與制熱能效比隨排氣壓力的上升先上升后下降,且存在一個最優值。綜合實驗數據可以看出,系統的最優排氣壓力隨著環境溫度、進水溫度、出水溫度的下降而降低。在進水溫度(環境水溫)沒有劇烈變動的條件下,通過數據擬合的方法創新性地提出了以環境溫度及出水溫度為自變量的預測最優排氣壓力的實驗關聯式。實驗對比證明,系統運行在預測最優排氣壓力時,制熱能效比與實驗最優值的偏差小于1.3%,說明以環境溫度及出水溫度為自變量的預測最優排氣壓力的方法是值得同行參考的一種有效方法。

跨臨界CO2熱泵;最優排氣壓力;關聯式

在人們對環境問題日益關注的今天,CO2作為無毒、不可燃且臭氧衰減指數(ODP)為0及溫室效應指數(GWP)極低的天然制冷劑受到了廣泛的推崇[1]。在CO2熱泵熱水器的研究中,核心內容是最優排氣壓力(簡稱最優排壓)。Lorentzen指出,CO2在氣體冷卻器(簡稱氣冷器)出口的溫度是決定最優排壓的關鍵因素[2];Kauf提出了最優排壓與氣冷器出口溫度或環境溫度之間的計算關聯式[3];Liao研究了壓縮機絕熱效率對最優排壓的影響[4];Sarkar從理論角度上分析了最優排壓存在的原因,并以氣冷器出口溫度和蒸發溫度為變量提出了最優排壓的預測關聯式[5];Chen等將氣冷器出口溫度與環境溫度對應起來,從而使關聯式中的變量簡化為單一變量[6];Gecchinato等對最優排壓問題做了理論和實驗探究[7-8]。以上研究中,選擇蒸發溫度及氣冷器出口溫度作為最優排壓的主要影響因子的合理性值得商榷。

本文從理論的角度分析了跨臨界CO2熱泵中最優排壓存在的原因,闡明了工作在最優排壓附近的系統性能及影響因素,根據環境溫度及出水溫度(主要影響因素)建立了最優排壓的實驗關聯式。

1 空氣源跨臨界CO2熱泵系統的分析

1.1跨臨界CO2熱泵循環系統的組成及特性

CO2亞臨界循環、超臨界循環和跨臨界循環如圖1所示,圖中點1～4分別代表吸氣點、排氣點、氣冷器出口和蒸發器入口;跨臨界CO2制冷系統如圖2所示。CO2在氣冷器中的換熱過程不同于一般的顯熱換熱,故被定義為類顯熱換熱。

圖1 3種CO2制冷循環的壓焓

圖2 跨臨界CO2制冷系統

1.2跨臨界CO2熱泵最優排壓的理論分析

忽略高壓側制冷劑壓力損失,高壓側CO2放熱過程中單位溫度變化造成的焓差變化是非均等的,這種在超臨界區內的物性決定了跨臨界CO2熱泵系統將存在一個最優排壓。

圖3 排壓對系統制熱量和COP的影響

圖4 系統制熱量和COP隨排壓變化的情況

圖5 氣冷器出口溫度對COP的影響

如圖3,在臨界點附近及以上的區域,等溫線比較平緩,距離臨界點越遠,等溫線越陡峭。點2到點3(3a,3b,3c,3d)為5種可能達到的排壓值,當等熵效率、容積效率及蒸發溫度一定時,系統中壓縮機功率隨排壓的升高基本上是線性增加的,增量由Δp表示,氣冷器進、出口焓差(制熱量)增量隨排壓的升高先增大后減小,由Δh表示,因此系統制熱能效比(COP,符號為rCOP)也是呈先增大后減小的趨勢。蒸發溫度為10℃、氣冷器出口溫度為35℃時,系統制熱量和COP隨排壓的變化如圖4所示。從圖4可以看出,隨著排壓的升高,系統COP呈現出先升高后緩慢降低的過程,說明最優排壓存在并且極大地影響著系統COP。氣冷器出口溫度對系統COP的影響如圖5所示。從圖5可以看出,每一個確定的氣冷器出口溫度都對應著一個最優排壓,氣冷器出口溫度越低,最優排壓就越低。當排壓小于最優值時,COP隨排壓的波動較大;當排壓大于最優值時,COP較穩定。所以,實際中排壓應維持在最優排壓或稍大于最優排壓的范圍內,以避免COP出現大的波動[9]。

2 排壓對熱泵系統性能的影響

本文實驗均在高溫熱泵專用焓差室中進行,該實驗室分為環境室、空氣和水調節系統、電控系統及測量系統4部分。環境室通過調節溫濕度可模擬不同的環境工況;空氣與水循環系統分別參與氣冷器與蒸發器換熱;電控系統主要控制機組的正常運行與監測,并通過改變膨脹閥開度來調節高壓側壓力;測量系統采用水量熱計法測量水側換熱量和各個關鍵點的壓力、溫度等。由此,可計算系統COP,得到相關實驗數據。實驗樣機三維模擬圖如圖6所示。

圖6 樣機三維模擬圖

圖7 系統制熱量隨排壓的變化

2.1 排壓對制熱量的影響

當環境及進出水的溫度確定時,系統制熱量隨排壓的變化如圖7所示。從圖7可以看出,隨著排壓的升高,系統制熱量呈現出先升高后平緩下降的過程,排壓為(11.3±0.05) MPa時,制熱量達到最大。不同的環境和進出水溫度下,隨著排壓的升高,制熱量均呈現出類似的變化過程。

氣冷器內焓差隨著排壓的升高而增加,氣冷器出口溫度隨之降低,制冷劑的焓差增量隨排壓的升高呈現出先增后減的趨勢。由于氣冷器出口溫度受限于進水溫度,不能夠無限減小,所以高壓側焓差將限制在一定的范圍之內。另外,隨著排壓的升高,壓縮比增大,系統質量流量減小,系統制熱量呈現出先增后平緩下降的過程(見圖7)。

需指出,跨臨界CO2熱泵的壓縮比要遠小于常規制冷劑在相同工況下的壓縮比,而由壓縮比升高造成質量流量降低也應小于常規制冷劑隨排壓的變化。在確定的環境及進出水溫度工況下,壓縮比隨排壓的變化如圖8所示。

圖8 壓縮比隨排壓的變化

2.2 排壓對系統COP的影響

環境及進水溫度確定后,不同出水溫度時系統COP隨排壓的變化如圖9所示。從圖9可以看出,隨著排壓的變化,每一出水溫度下系統COP總是呈現出先增后減的趨勢,表明實際中存在最優排壓,這印證了理論分析結果。

(a)環境溫度為15℃

(b)環境溫度為25℃

2.3 排壓對蒸發壓力的影響

圖10 CO2熱泵系統蒸發壓力隨排壓的變化

環境和進出水溫度確定后,系統蒸發壓力隨排壓的變化如圖10所示,圖中3-4為過冷段,6-1為過熱段。實驗中減小膨脹閥開度可使排壓升高,但由于節流作用增強而壓縮機質量流量減小量很小(壓縮比變化量很小),所以蒸發壓力逐漸下降。

圖11 進水溫度為12℃時蒸發壓力隨排壓的變化

進水溫度為12℃、出水溫度為60℃時,蒸發壓力隨排壓的變化如圖11所示。從圖11可以看出,隨著排壓的升高,蒸發壓力逆向減小。

2.4 排壓對過熱度的影響

文獻中對于吸氣過熱度隨排壓的變化鮮有提及[10-11]。進水、出水溫度為12、60℃時,吸氣的溫度和過熱度隨吸氣壓力的變化如圖12所示。從圖12可以看出,隨著吸氣壓力的降低,吸氣溫度逐漸降低,吸氣過熱度升高。其原因是氣冷器出口溫度受限于進水溫度,當蒸發壓力降低時,蒸發器出口的CO2溫度大幅降低,中間換熱器內的換熱必然導致吸氣過熱度升高。此分析中,蒸發壓力的降低對應著排壓的升高。

圖12 吸氣的溫度和過熱度隨吸氣壓力的變化

2.5 排壓對制冷劑側氣冷器出口溫度的影響

環境與進出水溫度一定時,CO2在氣冷器出口的溫度隨排壓的變化如圖13所示。從圖13可以看出,隨著排壓的升高,氣冷器出口溫度呈現出先急劇降低而后減緩且逐漸接近進水溫度的過程。因為隨著排壓的升高,壓縮比增大,質量流量降低,氣冷器內制冷劑的減少造成了氣冷器出口溫度急劇降低,但受水側進水溫度的限制,氣冷器出口溫度最終會接近進水溫度。

圖13 氣冷器出口溫度隨排壓的變化

根據圖13中實驗結果,在確定運行工況下的最優排壓為9.233MPa時,對應氣冷器出口溫度為19.8 ℃。可見,在某一確定運行工況下,最優排壓對應著唯一的氣冷器出口溫度,但并非意味著氣冷器出口溫度決定著系統最優排壓的大小。因此,以CO2在氣冷器出口溫度來預測系統最優排壓必然產生較大誤差。

由以上分析可知,若系統正常運行的排壓與最優排壓相差較大,則制熱量、吸氣過熱度、氣冷器出口溫度等會大幅變化,最終影響COP。所以,正確預測系統最優排壓并使系統運行在最優及臨近最優排壓是必要的。

3 跨臨界CO2熱泵最優排壓分析

3.1 基于實驗的最優排壓分析

如圖14(圖中點P為排氣點2對應的排壓點)所示,考慮到實際運行中排壓對系統吸氣過熱度、等熵效率、換熱器壓降等參數的影響,將最優排壓引申如下:

(1)隨著排壓升高,吸氣過熱度增大,Δh1增大,Δh2減小,系統COP提高,實際的最優排壓增大;

(2)假設等熵效率為定值,Δh2增加量減小,該假設下得到的最優排壓高于實際的最優排壓;

(3)氣冷器出口溫度逐漸降低,氣冷器出口溫度不變的假設實際上是Δh3增加量減小,該假設條件下得到的最優排壓高于實際的最優排壓;

(4)由于壓降存在,所以相同氣冷器出口溫度下的焓差減小,即Δh3減小,該假設條件下得到的最優排壓低于實際的最優排壓。

圖14 系統主要參數隨排壓的變化

3.2 影響最優排壓的外部因素

3.2.1 環境溫度對最優排壓的影響[4-5]根據以上研究可知,在確定的系統中,環境和進出水溫度確定時,最優排壓只有一個。進水、出水溫度分別為12、75℃時,不同環境溫度下系統COP隨排壓的變化如圖15所示。從圖15可以看出,隨著環境溫度的升高,系統最優排壓逐步升高。高環境溫度意味著高蒸發溫度,此條件下達到相應最優排壓所需的壓縮比小于較低蒸發溫度工況。較低蒸發溫度下的吸氣過熱度要大于較高蒸發溫度的吸氣過熱度,因此較低蒸發溫度下需要的排氣溫度在較低排壓下即可達到,這是最優排壓隨環境溫度升高而升高的緣故。

假設壓縮機絕熱效率不變,達到相同的排氣溫度時低蒸發溫度工況需較大的壓縮比。如圖16所示,點P′壓力低于高蒸發溫度所對應的最優排壓點P的壓力。實際上,系統等熵效率隨壓縮比的增加而減小,使得達到相同的排氣溫度下的排壓降低至點P″的壓力。

由于遠離臨界點時等溫線變化相對陡峭,因此在環境溫度較低時,相同壓縮比下排氣溫度的升高要遠遠高于環境溫度較高時的情況。因此,隨著蒸發溫度的降低,壓縮比增大,等熵效率下降,系統最優排壓隨著環境溫度的降低呈現出相同的變化趨勢。

圖15 不同環境溫度下系統COP隨排壓的變化

圖16 環境溫度對最優排壓的影響

3.2.2 出水溫度對最優排壓的影響 環境溫度一定、進水溫度為12℃時,不同出水溫度下系統COP隨排壓的變化如圖17所示。從圖17可以看出:最優排壓隨著出水溫度的升高而升高;每一個確定的環境和出水溫度對應著唯一的最優排壓。其原因在于出水溫度升高,排氣溫度升高,在確定的環境溫度下最優排壓必然升高。

3.2.3 進水溫度對最優排壓的影響 CO2在氣冷器出口的溫度總是趨近于進水溫度,在確定的氣冷器幾何參數下,進水溫度越低,氣冷器出口溫度越低,氣冷器內制冷劑焓差的變化越大,系統最優排壓降低。

另一方面,氣冷器出口的CO2將進入中間換熱器,進水溫度越高,氣冷器出口的制冷劑溫度越高,中間換熱器對應的低壓側CO2出口溫度升高,即吸氣過熱度升高,進而排氣溫度升高。

(a)環境溫度為35℃

(b)環境溫度為25℃

(c)環境溫度為15℃

(d)環境溫度為5℃

(e)環境溫度為-5℃

(f)環境溫度為-15℃

4 最優排壓控制關聯式的建立與分析

綜上可以看出,出水溫度或環境溫度上升均導致最優排壓升高,如圖18所示。

圖18 不同出水溫度下最優排壓隨環境溫度的變化

文獻中關于最優排壓的研究大多以CO2在氣冷器出口的溫度和蒸發溫度為自變量,或取其中的一個參數作自變量來建立函數關聯式[3-6]。然而,實驗證明,在確定的環境和進出水溫度下,蒸發溫度隨著排壓的變化而變化,如果用蒸發溫度作為自變量去預測最優排壓,那么在確定環境和進出水溫度下會造成多個最優排壓。

經過本文分析,在確定的環境和進出水溫度下,跨臨界CO2熱泵存在著唯一的最優排壓。因此,當進水溫度變化相對較小時,可將環境溫度和出水溫度作為最優排壓函數的自變量。結合實驗數據,本文通過曲線擬合的方法建立了如下函數關聯式(關聯式中全等號僅表示數值上相等)

popt≌10.979 95+1.06442tw,out+

(1)

popt≌23.08391+1.22378tw,out-

(2)

式中:popt(105Pa)為最優排壓預測值;tw,out(℃)為出水溫度;tair( ℃)為環境溫度。式(1)適用于5℃≤tair≤35℃的情況,式(2)適用于-15℃≤tair≤5℃的情況。

通過對比最優排壓預測值和實驗值發現,在環境溫度為35℃、出水溫度為80℃時,二者出現最大偏差,此時最優排壓預測值小于實驗值,偏差為5.5%,該預測值下系統COP僅比實驗值小1.3%。因此,由大量實驗結果擬合得到的關于最優排壓的關聯式完全適用于本實驗樣機。

5 結 論

本文研究得出了以下結論。

(1)針對空氣源跨臨界CO2熱泵系統,從理論分析和實驗驗證方面得出系統中最優排壓的存在性及唯一性。

(2)根據實驗數據分析,探討了跨臨界CO2熱泵系統中壓縮機排壓對系統主要性能的影響:隨著排壓的上升,系統制熱量先上升后下降,蒸發壓力不斷降低,吸氣過熱度增大,氣冷器出口溫度降低,COP存在一個最大值。

(3)通過實驗研究了影響最優排壓的主要因素,其中環境溫度與氣冷器出水溫度的影響最大。結合大量的實驗數據,通過曲線擬合的方法得到了在一定溫度范圍內適用的最優排壓預測關聯式。

值得指出,系統組件特性會影響最優排壓,包括壓縮機絕熱效率、容積效率和氣冷器換熱面積、幾何結構等[4-7],本文關聯式只適用于本實驗樣機或相同配置的系統,推廣性有限。但是,以環境溫度及出水溫度為自變量,從實驗結果中擬合得到的適用于某類系統的最優排壓關聯式的思路,是值得同行參考的。

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(編輯 苗凌)

TheoreticalandExperimentalInvestigationforOptimalDischargePressureofAir-SourceTrans-CriticalCO2HeatPump

SONG Yulong1,TANG Xueping2,WANG Shouguo1,YANG Dongfang1,CAO Feng1

(1. School of Energy and Power Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China;2. Jiangsu White Snow Electrical Limited by Share Ltd., Changshu, Jiangsu 215500, China)

To reveal the main factors of the optimal discharge pressure in a trans-critical CO2heat pump system, the heating performance is tested in enthalpy difference laboratory. The results show that the evaporation pressure and temperature in gas-cooler outlet decline with increasing discharge pressure; the superheat increases with discharge pressure; the heating capacity and the coefficient of performance (COP) increase firstly and then drop when discharge pressure rises, indicating that an optimal value exists. According to the test data, it is found that the optimal discharge pressure drops with declining environment temperature, inlet water temperature and outlet water temperature. At unchanged inlet water temperature (ambient water temperature), an experimental correlation taking environment temperature and outlet water temperature as independent variables is constructed by data fitting to predict the optimal discharge pressure. The experiments indicate that the COP difference between predicted optimal discharge pressure and actual optimal discharge pressure is less than 1.3%.

transcritical CO2heat pump; optimal discharge pressure; correlations

2013-11-10。

宋昱龍(1991—),男,碩士生;曹鋒(通信作者),男,教授。

時間:2014-06-18

10.7652/xjtuxb201409014

TB61

:A

:0253-987X(2014)09-0081-07

網絡出版地址:http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20140618.1138.005.html