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。

一种新型可调涡流管膨胀的跨临界CO_(2)热泵系统性能研究

在跨临界CO_(2)热泵循环中,采用涡流管膨胀替代常规节流阀的Maurer模型可减小节流损失、提高系统性能,但存在不能自动调节的难题。通过对Maurer模型进行改进,本文提出一种新型可调涡流管膨胀的跨临界CO_(2)热泵系统,通过建立理论模型模拟分析了新型系统的性能特点,并与膨胀阀节流的常规系统和Maurer模型的性能进行了对比分析。研究结果表明:1)新型系统能实现对系统制热量与压缩机排气温度的自动控制。当蒸发温度改变时,新型系统可以通过改变电子流量调节阀开度实现对调节压缩机排气温度的控制,还可以通过改变调节压缩机频率实现对冷质量分数与涡流管热端出口温度的控制,进而调节系统制热量。新型系统保证了涡流管热端出口温度和压缩机排气温度不超过120℃警戒值的同时维持了较高的制热量,改善了系统性能。2)新型系统的性能优于常规系统和Maurer模型。通过将涡流管热端出口温度与调节压缩机排气温度控制在较高水平,新型系统能具有更高的制热量和更好的性能。当全年蒸发温度在-10~10℃间变化时,新型系统的COP和制热量较常规系统分别增大了13.1%和16.7%,较Maurer模型分别增大了2.7%和6.1%。新型系统对系统性能的改善效果会随着蒸发温度变化范围的扩大更加显著。

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。

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。

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。

电动汽车CO_(2)热泵系统性能实验研究

本文以天然工质CO_(2)为制冷剂,提出了适用于跨临界区域的CO_(2)热泵系统,并对车辆进行道路测试,验证了CO_(2)热泵系统在不同低温环境(-15℃、-23℃)下空调的脚部出风温度、脚部温度均满足整车技术规范参考标准,且温差波动较小。当环境温度较低时,最大制热性能也相对较好,脚部出风温度平均增加了约2.96%。之后与传统制冷剂R134a热泵系统进行对比,发现CO_(2)热泵系统制热能力相对较强也更加节能,平均能耗降低了约35.4%。同时,CO_(2)热泵系统压缩机平均功率与R134a热泵系统的压缩机与正温度系加热器平均功率之和相比降低了约28.6%。

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。

电动汽车双路制热CO_(2)热泵系统性能研究

本文设计了一种可同时为乘客舱和电池加热的双路CO_(2)热泵系统,通过搭建台架进行实验,分析了各电子膨胀阀开度和进水温度对系统制热量和性能系数的影响。结果表明:空气换热支路节流阀可以调节乘客舱制热量,开度应不大于70%;总路节流阀的开度会影响系统制热量和性能系数(COP),-12℃下其最佳开度为30%;水换热支路双节流阀的开度在30%~100%变化,可以调节并联支路流量和制热量分配;进水温度从-16℃上升至0℃时,系统制热量变化幅度小于5%,COP变化幅度小于8%,系统性能保持稳定。

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)热泵系统气冷器的热力学性能分析

针对CO_(2)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、CO_(2)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℃、CO_(2)压力为8.4~10.7 MPa、CO_(2)质量流量为0.0326~0.0476 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CO_(2)质量流量,CO_(2)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℃、CO_(2)进口温度为90℃工况下,当CO_(2)压力为10 MPa时气冷器效率最高,当CO_(2)压力为11 MPa时气冷器换热量最大;当进水温度低于20℃时,CO_(2)压力为10.5 MPa时出水温度最高。

油循环率对电动汽车CO_(2)热泵系统性能的影响

本文搭建了一套带油循环率测试装置的电动汽车CO_(2)热泵系统实验台,实验研究了典型车辆工况下热泵系统油循环率对压缩机与热泵性能的影响,实验结果表明:制冷工况下,油循环率由1.17%升至5.26%时,压缩机容积效率和等熵效率分别提升13.6%和5.6%;制热工况下,油循环率由1.51%升至6.68%时,压缩机容积效率和等熵效率分别提升7.2%和15.7%,压缩机排气温度由155.5℃降至146℃;相较于高温段气冷器流阻和换热,油循环率对低温段蒸发器影响更大,高温段换热器流阻仅为低温段的28%;根据油循环率对热泵系统整体性能影响分析,油循环率在4%附近时热泵系统具有较佳的综合性能。

直热式空气源CO_(2)热泵热水器系统运行特性试验研究

设计了一种直热式空气源CO_(2)热泵热水器系统,利用试验研究的方法研究了环境温度、气冷器冷却水入水温度及流量对系统性能的影响。试验结果表明:设计的空气源CO_(2)热泵热水器系统,其系统能效系数(COP_(h))基本达到了国家标准;环境温度、气冷器冷却水入水温度以及流量对系统COP_(h)、系统制热量以及气冷器出水温度的影响显著。通过调节热泵热水器系统低温热源温度、气冷器冷却水入水温度及流量,可改善系统COP_(h),提高系统制热量以及气冷器出水温度。