风机转速对CO_(2)空气源热泵热水器性能影响的试验研究

为了定量探究CO_(2)空气源热泵热水器系统性能随风机转速的变化规律,通过试验研究了不同工况下,改变风机转速对排气压力、过热度、CO_(2)质量流量、系统制热量、系统总功耗以及制热性能系数COP的影响;利用响应曲面法对试验进行了优化分析,同时利用试验数据拟合了COP回归模型,并进行可信度分析;通过回归模型预测了系统的最优运行工况并进行试验验证。结果表明:在压缩机频率和电子膨胀阀(EEV)开度一定的情况下,存在着最佳风机转速;在45~85 Hz范围内,随着压缩机频率的提高,COP先增大后减小,增幅最高可达8.97%,各频率下COP最大时对应的最佳风机转速不断减小;随着EEV开度在35%~55%范围内不断增大,COP先增大后减小,增幅可达到6.6%,各EEV开度下COP最大时对应的最佳风机转速不断增大;当压缩机频率为65 Hz、EEV开度为50%时,对应的最佳风机转速为1000 r/min,系统COP达到峰值(4.09)。本文所拟合的COP回归模型最大误差为4.5%;预测系统最优运行工况为:压缩机频率68 Hz、EEV开度52%、风机转速956 r/min,此时系统COP最大,可达到4.29,预测误差为3.7%。本研究可为CO_(2)空气源热泵热水器系统保持高效运行提供理论指导。

基于夹点的带喷射器CO_(2)热泵系统性能分析

为了研究带喷射器的跨临界CO_(2)内部过冷热泵系统(TCISE),基于夹点建立了TCISE的热力学模型,分析了冷却水进出水温度及流量对系统性能的影响。研究表明:冷却水进水温度从25℃降低到15℃时,最优高压压力从9.3 MPa降至8.8 MPa,降低了5.4%,最大COP从3.83提升至4.27,提高了11.49%;TCISE存在临界冷却水出水温度和临界冷却水质量流量,当冷却水进水温度一定时,在出水温度低于临界出水温度或质量流量高于临界质量流量时,系统COP保持不变。

CO_(2)跨临界高温热泵干燥系统优化设计

干燥工艺在工、农业生产中被广泛使用但耗能巨大,通过CO_(2)热泵干燥技术有望降低其能耗并减缓环境问题。文中在CO_(2)跨临界基本热泵干燥系统的基础上,提出CO_(2)跨临界复叠式热泵干燥系统和CO_(2)跨临界双级压缩并联加热热泵干燥系统。并且通过建立热力学模型将其最优性能系数C_(OPh)和单位能耗除湿率R_(SME)与R134a双循环热泵干燥系统进行了比较。研究发现,它们相较于CO_(2)基础系统性能均有提升,尤其是双级并联加热系统,其C_(OPh)与R_(SME)均超过R134a系统。进一步的分析显示,增加蒸发温度、降低气冷器出口温度对CO_(2)跨临界热泵干燥系统的性能提升起到了关键作用。此外,文中也探究了补气系数和干燥出风温度对CO_(2)跨临界热泵干燥系统的影响。研究结果表明:经过优化改进的CO_(2)跨临界热泵干燥在高效节能方面表现出色,展现了替代R134a热泵干燥系统的潜力,同时也为解决干燥工艺高能耗的问题提供了创新性和可行性的解决途径。

电动汽车CO_(2)热泵空调系统优化及制冷性能分析

为提升电动汽车CO_(2)热泵空调系统的制冷性能,文章构建了中间补气+回热器的跨临界CO_(2)系统,通过仿真研究了气体冷却器出口温度(T_(go))、气体冷却器压力(P_(g))、中间补气压力(P_(m))、相对补气量(β)、回热器过热度(ΔT)对系统制冷系数(EER)、制冷量(Q_(e))和压缩机排气温度(Tco)的影响及中间补气对回热器优化能力的提升。研究表明:存在最佳气体冷却器压力和最佳中间补气压力使得EER达到最大值,并得到两者与气体冷却器出口温度的关系式;气体冷却器出口温度上升会使系统性能下降,中间补气量和回热器过热度的增加能提升系统性能,EER提升了15.64%和6.07%,制冷量提升了27.88%和4.78%;回热器过热度的增加会导致压缩机排气温度上升,中间补气可降低压缩机排气温度,当限定压缩机排气温度时,中间补气可使回热器对EER和制冷量的优化能力分别提升了203%和173.87%;相对于基础跨临界CO_(2)系统,文章构建的优化系统在所研究工况内可使系统EER和制冷量分别提升18.38%和35.03%。

-30至50℃车辆工况下CO_(2)喷射器的适应性研究

为推动喷射器回收膨胀功技术的实车应用,本文开展了-30~50℃宽温区运行工况下车用压缩-引射式CO_(2)热泵系统制冷制热性能及喷射器膨胀功回收特性研究,重点分析了工作喷嘴对固定尺寸喷射器变工况适应性的影响。结果表明:制冷工况下随着环境温度升高,喷射系数递减,而升压比递增;制热工况下随着环境温度降低,喷射系数和升压比均先增大后减小;制冷工况下喷射器回收膨胀功占最大可回收膨胀功的16.7%~37.2%,制热工况下为9.9%~41.3%;以高温制冷工况设计的固定尺寸喷射器难以适应低温制热工况,偏离设计工况时,喷嘴出口过膨胀会造成激波能量损失,而低温制热工况下喷嘴出口因欠膨胀会导致喷射器无引射效果。

不同烟气CO_(2)含量下近等温相变捕集工艺调节策略模拟分析

CO_(2)相变捕集工艺具有较低的再生能耗,但在实际生产中,上游工艺产生的烟气中CO_(2)含量(物质的量分数,下同)不稳定,可导致工艺的整体能耗发生变化,因此需研究不同烟气CO_(2)含量下该工艺参数的调节策略。通过Python语言调用AspenPlus对近等温CO_(2)相变捕集工艺进行了模拟计算,分析了不同CO_(2)含量下吸收塔温度(ta)、解吸塔温度(td)、液/气比(v)、胺浓度(c)、解吸液循环比(s)对再生能耗和CO_(2)捕集率的影响以及相应的调节策略。结果表明,td对CO_(2)捕集率的影响最显著,当CO_(2)含量为5.00%时,其相关性系数最高(74.78%);ta对再生能耗的影响最显著,当CO_(2)含量为20.00%时,其相关性系数最高(-55.26%)。在维持CO_(2)捕集率大于等于90.00%的条件下,随着CO_(2)含量从5.00%升高至20.00%,再生能耗从2.35GJ/t降低至2.13GJ/t。此外,应根据CO_(2)含量对ta、td、c和v进行相应调节,以确保CO_(2)捕集率大于等于90.00%并且再生能耗最低。

制热工况下跨临界CO_(2)热泵最优排气压力的影响因素研究

最优排气压力是影响跨临界CO_(2)热泵性能最重要的因素。为研究最优排气压力存在原因及其影响参数,并揭示各参数对最优排气压力的影响机理,基于传热夹点理论对最优排气压力进行了理论分析。利用AMESim软件搭建了考虑气体冷却器内部传热夹点的跨临界CO_(2)热泵模型进行仿真计算,在进水温度为10~40℃、出水温度为60~90℃、环境温度为-30~25℃的宽工况内定量研究了进水温度、出水温度、环境温度及回热率对热泵系统最优排气压力的影响。研究结果表明:进水温度越低、出水温度越低、环境温度越低,均会导致传热夹点向气体冷却器出口移动,从而使系统的最优排气压力减小;同时,采用回热方式也能够将传热夹点进一步向气体冷却器出口推移,从而减小最优排气压力。研究结果证实传热夹点的位置对于系统最优排气压力的取值具有重要影响,因此基于传热夹点的分析与设计方法具有更强的适用性,可为热泵供暖、车辆热管理等用途中CO_(2)热泵系统的设计和性能优化提供理论与工程基础。

基于压缩式热泵的CO_(2)-MDEA/PZ碳捕集工艺优化

当前化学法CO_(2)捕集系统的高投资、高吸收液再生能耗和高运行费用成为限制其大规模应用的主要障碍。为了回收解吸塔塔顶蒸汽中的潜热与显热,促进解吸反应的进行,利用Aspen plus软件建立基于压缩式热泵技术的有机胺法捕集CO_(2)流程模拟模型,主要探究了解吸塔塔底压力、进解吸塔富液温度、有机工质气化率以及工艺流程对CO_(2)再生过程的影响。结果表明:有机工质R123制热系数较R141b和R245fa高,其性能系数(COP)高达2.35,而排气温度较R141b和R245fa更低。压缩式热泵采用R123为循环工艺介质,热泵回收的热量用于加热贫富液换热器后的热富液以降低吸收液再生能耗。综合考虑解吸系统的再生能耗、工质循环量和解吸效果,通过12级位置注入15%的富液比合适。热泵回收余热工艺的投资回收期为0.82 a,具有较高的经济价值。

跨临界CO_(2)热泵系统最优风量实验研究

为探究在压缩机固定转速下风量对跨临界CO_(2)循环系统性能的影响,以及确定使系统达到最大COP的最优风量,搭建了跨临界CO_(2)热泵系统实验台。研究了室内、外风量对系统制热性能的影响,并总结出确定最优风量的方法。结果表明:跨临界CO_(2)热泵系统在制热模式下运行,当室内风量固定时,随着室外风量的增大,排气压力与室内出风温度均呈现出先升高后趋于平稳,系统制热COP随着室外风量的增大存在一个最优值;为准确预测最优室外风量,引入最优排气压力偏离度σ和参数变化率δ作为最优室外风量的判断依据,当σ=0.48%,δ=1.4%时,系统处于最优室外风量,即对应系统在最大的COP下运行。经过实验验证,最优室外风量预测值误差在5%以内,该方法具有较高的准确性。

基于引射器与集成机械过冷的CO_(2)热泵系统性能分析

为减少温室气体的排放并提升供暖系统性能,提出了基于引射器与集成机械过冷的跨临界CO_(2)热泵供暖系统(EJ-IMS),并构建热力学模型,以系统COP为目标函数,对过冷度和排气压力进行优化,并对系统在不同气候区典型城市使用的冬季供暖性能进行评估。结果表明:EJ-IMS系统存在最大COP、最优过冷度和排气压力。EJ-IMS系统的最优过冷度比集成机械过冷系统(IMS)低26.44%~39.21%,最优排气压力比基本系统(BASE)和带引射器系统(EJ)低0.27%~9.37%。相比3种常规系统,EJ-IMS系统的COP和[火用]效率分别提高6.09%~37.74%和6.75%~46.02%。EJ-IMS系统的供暖性能系数(HSPF)相对3种系统提高6.89%~29.61%,其更适用于严寒地区。可为高效CO_(2)供暖系统的构建提供理论参考。

跨临界CO_(2)热泵空间应用研究展望

随着中国深空探测事业的发展,建立月球基地成为未来载人航天活动的趋势,采用基于跨临界CO_(2)热泵的热控系统可以实现高效散热,具备降低辐射器面积和热控系统重量的应用潜力。对跨临界CO_(2)热泵空间应用具备的优势进行了总结,包括实现辐射器高效散热、热泵系统更高性能系数、压缩机体积更小等。同时指出了跨临界CO_(2)热泵空间应用存在的难题,包括现有热力学模型无法适应空间应用、热泵在低/微重力下油气分离效率低等。基于现存的难题,提出了未来的研究重点,以指导跨临界CO_(2)热泵的后续研究及空间应用。

跨临界CO_(2)水-水热泵系统的实验与仿真研究

为提高跨临界CO_(2)水-水热泵系统的效率,根据已有实验台建立系统仿真模型,分别进行实验测试和数值模拟,通过实验数据验证仿真模型的准确性。基于制取热水的目的,模拟分析运行参数对系统性能的影响,结果表明:增大过热度可提高性能系数(COP),用户侧供水温度平均提高11.3℃;随着高压压力的增大,用户侧供水温度升高,存在最优高压压力使COP最大;增大冷冻水的流量和升高进口温度,系统的制热效率可提高约40%,但用户侧供水温度变化不大。根据实验及仿真结果,设计太阳能辅助跨临界CO_(2)热泵双蒸发器系统,可实现3种不同运行模式,能够升高冷冻水进口温度、增大系统效率。与电加热锅炉和燃气锅炉进行经济性比较,太阳能热泵分别在第5年和第7年与上述两种加热方式的总投资持平,其运行20 a的总投资分别比燃气锅炉和电加热锅炉节约39%和49%,具有明显的经济优势和实用推广价值。

闭式跨临界CO_(2)热泵烘干系统最优工况研究

目的对跨临界CO_(2)热泵驱动的闭式干燥系统展开理论研究,得到CO_(2)闭式热泵中最优工况的计算方法和原理。方法通过建立CO_(2)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CO_(2)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CO_(2)热泵循环的耦合机理。结果获得了CO_(2)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CO_(2)热泵冷却器出口状态为临界状态时,系统的COP达到最优。

跨临界CO_(2)与R1234yf低环温高温热泵热水系统性能分析

热泵中采用环境友好型工质可以减少对臭氧层的破坏,在低环境温度的条件下,在已有热泵系统的基础上,可使用CO_(2)跨临界循环,并采用机械过冷。基于此,本文提出了R1234yf/CO_(2)机械过冷热泵系统(MSHPS)、CO_(2)/R1234yf双气冷器机械过冷热泵系统(DMSHPS)和CO_(2)双级压缩三气冷器热泵系统(TSCHPS)。通过建立热力学模型,对采用CO_(2)和R1234yf的系统制热性能进行分析,通过最优排气压力、蒸发温度、冷凝温度、辅循环和主循环流量比等条件,对同一系统和不同系统间的性能进行分析。本文将R1234yf替换为R134a,对比MSHPS和DMSHPS中采用R1234yf和R134a的制热性能,结果表明:MSHPS和DMSHPS两个系统中R1234yf和R134a的制热性能基本相当。

CO_(2)跨临界循环冷热联供机组性能实验研究

采用CO_(2)跨临界循环水-水热泵技术,测试了CO_(2)跨临界循环冷热联供机组的性能特点。通过调节压缩机频率、电子膨胀阀开度、蒸发器侧乙二醇水溶液进口温度与气冷器侧进水温度等方式,测试该机组在以制热为主要目标时最优排气压力的变化,以及不同参数对制热量、制冷量、制热COP h与系统综合能效COP(制热COP_(h)与制冷COP_(c)之和)的影响规律。研究结果表明:在额定工况下,压缩机频率从80 Hz增加到120 Hz时,系统最大制热COP_(h)从3.9降到3.3;当乙二醇水溶液进口温度升高、气冷器进口水温降低时,系统的制热COP_(h)以及系统综合能效COP都随之升高。机组同时供冷供热可明显提高系统综合能效,经济性好且节能效果显著。文中的研究成果对于屠宰、酿造等同时具有冷热需求的行业推广应用CO_(2)冷热联供机组具有参考价值。

基于套管换热器优化的CO_(2)跨临界热泵高温供热性能提升研究

目前多数研究中,传统CO_(2)热泵供应的热水最高温度为90℃。为使CO_(2)跨临界热泵供应100℃以上的加压热水,本文对CO_(2)套管式换热器的管长和内管参数进行了优化研究。通过优化后的跨临界CO_(2)热泵系统验证套管式气体冷却器供应100℃热水的可行性。并通过仿真和实验研究了环境温度和气体冷却器侧进出水温度对制热量和系统性能的影响。结果表明:实验和模拟的误差小于7.59%。随着环境温度的升高,制热量和COP均呈增加的趋势。当环境温度为40℃,气体冷却器侧进水温度为9℃时,实验中最高COP为3.64,对应的模拟COP为3.87。在成功实现100℃热水供应的同时,COP也高于其他低于该供热温度的公开数据。

电动汽车CO_(2)热泵空调制热性能分析

为提升电动汽车CO_(2)热泵空调的系统性能及扩宽热泵空调的使用温区,构建了回热器+补气增焓的跨临界CO_(2)系统,通过建立数值模型对该系统的制热性能进行了仿真分析。研究结果表明,气体冷却器压力对制冷系数(Coefficient of Performance,COP)影响较大,且存在最优气体冷却器压力和中间补气压力使COP达到最大值;中间补气过程能有效提升COP和制热量,且能有效降低压缩机排气温度;回热器过热度对COP和制热量影响较小,但会导致压缩机排气温度上升。

-30℃电动汽车补气式CO_(2)热泵制热性能实验研究

为提高极寒环境下电动汽车热泵的供热性能,搭建了二次节流闪发的中间补气式CO_(2)热泵实验台架,并开展了车外-30℃工况下的制热性能研究。实验结果显示,车内进风温度20℃时,无补气系统的排气温度达到176.1℃,通过中间补气排气温度降低了30.7℃,且制冷剂总流量的增加与气冷器侧压力的升高使制热量和COP分别提升了74.1%和43.9%。控制车内进风温度由0℃升高至20℃,补气系统的出风温度从11.9℃升高到32.7℃,但制热量降低了3%,系统能耗增加了43.2%,COP从2.14下降到1.45。随着进风温度的升高,补气热泵循环逐步从亚临界变为跨临界,排气温度和压力均增大,但排气焓值基本不变。

跨临界CO_(2)空气源热泵热水器性能研究

为进一步研究CO_(2)空气源热泵的系统性能,文中以跨临界CO_(2)热泵热水器为研究对象,实验分析压缩机频率、排气压力和水流量对系统性能的影响,以及气冷器入口参数对气冷器螺旋盘管沿程换热的影响。结果表明:随着水流量的增加,压缩机功率、压比以及水侧出口温度都呈下降趋势,而系统制热性能系数(COP)呈上升趋势,由于CO_(2)在放热过程中存在温度滑移现象,因此随着排气压力的升高,其气冷器出口焓值出现显著变化,系统COP、水侧出口温度以及系统制热量呈先上升后下降的趋势。为保证生活热水需求和较高的系统性能,选择了系统COP与水侧出口温度交点所对应的水流量为最佳水流量。研究发现气冷器螺旋槽管换热系数峰值的变化与雷诺数的变化成正比、与入口压力的变化成反比,提高质量流量有利于气冷器的换热性能。

带余热回收的CO_(2)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CO_(2)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CO_(2)车用热泵系统的实际应用提供指导。