跨临界CO_2热泵热水器的应用研究_吕静

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ENERGYCONSERVATION

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2009年第1期

(总第318期)

跨临界CO2热泵热水器的应用研究

吕󰀁静,周传煜,王伟峰(上海理工大学,上海200093)

摘要:分析CO2在热泵热水器中跨临界循环的原理及特点,阐述了CO2用于热泵热水器的优势,概述了国内外跨临界CO2热泵热水器的应用情况及关键零部件的研究开发。关键词:二氧化碳;热泵热水器;跨临界循环

中图分类号:TS914.252󰀁文献标识码:A󰀁文章编号:1004-7948(2009)01-0010-03

引言

温室效应和臭氧层破坏的环境问题越来越受到人们的重视,广泛应用于制冷、空调、热泵系统的氟利昂受到了及禁用,各国展开了氟利昂替代物质的研究工作。签订󰀁蒙特利尔议定书󰀁以来,各国对CFCS、HCFCS的替代进行了广泛的研究,一种普遍的观点认为用天然工质作为制冷剂。天然工质CO2与氟里昂类制冷剂主要性能比较如表1所示。

表1󰀁CO2与传统制冷剂的主要性能比较[1-2]

性󰀁质

消耗臭氧层潜能ODP全球变暖潜能GWP(100年)绝热指数k可燃性

是否分解有毒物质相对分子质量M

0󰀁时容积制冷量/kJ󰀁m-3临界温度tc/󰀁

R744(CO2)011.3否否44.012260031.1

1022860101.7否R134a03100

R12171001.14否是2740112

R220.052001.2否是434496

适应的热力学性质,蒸发潜热大,单位容积制冷量相

当高,设备紧凑。

(5)临界温度低(31.1󰀁),因此循环一般在跨临界状态下运行。

此外,由于CO2具有良好的流动和传热特性,可显著减小压缩机与系统的尺寸,使整个系统非常紧凑。

自然工质CO2以其良好的环保特性、优良的传热特性和相当大的单位容积制冷量等优点,再度受到了人们的广泛重视。前国际制冷学会G.Lorentzen认为CO2是无可取代的制冷工质,并提出了CO2跨临界循环理论,指出其在热泵领域将具有极其广阔的发展前景。目前跨临界CO2热泵及其部件的开发研究已经成为制冷领域的热点之一特别是在热泵热水器中的应用。

1跨临界CO2热泵热水器的原理及特点

CO2的临界温度很低,为31.1󰀁,故CO2热泵系统一般采用跨临界循环。CO2热泵系统主要由4部件构成:压缩机,气体冷却器,节流装置和蒸发器,还设有内部热交换器/回热器、储液器和油分离器等。其跨临界循环原理图如图1所示。

[3]

,

120.9386.48

󰀁󰀁从表1可知,CO2作为自然工质,与常用制冷剂相比具有独特的优势:

(1)ODP为零,GWP值远远小于CFCS和

HFCS,符合环保要求。

(2)绝热指数大,压缩机排气温度较高,满足制取较高温度热水的要求,具有优良的经济性,且无回收问题。

(3)良好的安全性和化学稳定性,安全无毒,不可燃,适应各种润滑油及常用机械零部件材料,在高温下也不分解产生有害气体。

(4)相对分子量小,具有与制冷循环和设备相

基金项目:上海市教育委员会创新项目(08YZ96);上海市教育委员

会重点学科建设项目(J50502)

图1󰀁CO2跨临界循环原理图

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节󰀁󰀁󰀁能

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󰀁󰀁此循环过程中,过程1-2为CO2气体在压缩机内的压缩过程;2点为压缩机出口排气,此处压力高于临界压力;过程2-3为高压气体在气体冷却器内被水冷却,此时的出口温度还很高;过程为3-4为气体通过内部换热器进一步被压缩机回气冷却,从而提高COP;之后,过程4-5为冷却气体经过节流阀进行节流;过程5-6吸收气体冷却器出口气体的余热而过热进入压缩机压缩,从而完成一个循环。该循环的特点是蒸发吸热过程处于亚临界区,而放热过程处于超临界区。

图2为CO2的热泵热水器跨临界循环在T-S图上的表示。

住宅建筑供应热水,可使其总用能量减少20%。(4)在寒冷地区,传统空气源热泵的制热量和效率随环境温度的降低下降很快,热泵的使用受到。而CO2热泵系统在低温环境下能维持较高的供热量,大大节约辅助加热设备所耗费的能量。综上所述,CO2热泵循环不但在环境保护方面具有很大的优势,而且其节能的潜力非常大,开发CO2热泵热水器的市场前景广阔,意义重大。2CO2热泵热水器的应用及发展现状

由于CO2跨临界循环在热泵热水器中的独特优势,国内外许多研究院、高校和相关企业都对CO2跨临界循环系统做了大量深入的研究工作,特别是CO2热泵热水器在日本及欧美等发达国家得到了广泛应用。

挪威SINTEF能源研究所的G.Lorentzen与NeksaPetter等率先对CO2热泵热水器系统进行了研究开发工作,并获得专利。第一台商业用途CO2热泵热水器是由挪威的FrostmannAS公司开发出来的,制热量为22kW。1999年,M.Saikawa和K.Hashimoto等建起了CO2热泵热水器实验台,全年系

[6]

图2󰀁CO2跨临界循环在T-S图上的表示

󰀁󰀁从图2可以看出,CO2跨临界循环压缩机排气

温度较高(可达100󰀁以上),气体冷却器具有较大的温度滑移,这种温度滑移正好与所需的变温热源相匹配,可以得到较高的热泵效率,特别适合于家用热水的加热。

󰀁󰀁CO2跨临界循环系统与传统的亚临界循环系统之间的区别在于:在传统亚临界系统中,制冷剂在冷凝器出口的焓值仅是温度的函数,而在CO2跨临界循环系统中,超临界压力区内并无两相区存在,温度和压力为相互的变数,高压侧压力变化对制冷

[4]

量、压缩机功耗和COP值也会产生影响。跨临界CO2热泵循环具有独特的优势,其放热过程温度较高且存在一个相当大的温度滑移(约80~100󰀁)。研究表明:(1)在蒸发温度为0󰀁时,水温可以从10󰀁加热到60󰀁,其热泵COP可达到4󰀁3,比电热水器和燃气热水器能耗降低75%以上。(2)传统热泵热水器制取热水一般不超过55󰀁,若要制得较高温热水则制热系数下降;而CO2热泵热水器由于跨临界循环,在气体冷却器中的换热温差小,换热效率高,且能制得90󰀁高温热水。(3)在商用和住宅建筑的能量需求中,约有1/4~1/3来源于对热水的需求。采用CO2热泵为商用和[5]

统平均COP可高达3.0,且改进型系统在外界空气

源温度为-20󰀁时,仍可提供90󰀁的热水。

日本电装公司在2000年生产出第一台商业化的家用CO2热泵热水器。之后,大金、松下、长富、三菱电机等公司也生产了CO2热泵热水器。自2001年家用CO2热泵热水器的研发到投放市场,销售量从2003年的7万套发展到2005年22万套和2006年的52万套,销售量逐年稳步上升。CO2热泵热水器之所以在日本能够较早地发展并形成规模,主要是由于家庭中热水的能耗占全部能耗的30%。日本重视环境问题,从2002年起对CO2热泵热水器使用者发放补贴金,推动了CO2热泵热水器的发展与普及

[7]

。

日本CO2热泵热水器各品牌在市场上竞争激烈,新产品不断推出。2006年有十几个新机型推出,它们都具有较高的COP值

[8]

。像大金370L全

自动型CO2热泵热水器,采用波纹型换热管提高传热效率,其COP达4.95。松下电器推出了5种型号的CO2热泵热水器,COP均达到4.8。三菱电机推出了9种新产品,COP达4.9,由于储水箱采用了新的保温材料,其保温性能提高了15%。柯罗那推出了4种新产品,COP达4.8。三洋开发460L、370L、300L的储水箱系列,并具有多功能(如在雨季可兼节󰀁󰀁󰀁能

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用于浴室干燥加热),同时适用于气候寒冷的地区。日立也推出首款可供3层楼使用的高压大流量供热水系统。

日本几家公司联合,于2003年开始共同研究、开发小型、节省空间一体化且高效的CO2热泵热水器,并于2005年4月在日本市场上投放。这种热水器具有燃气热水器的特征,无需存储大量的高温热水,节省空间。通过高输出化,使用中连续加热不会发生热水中断,可以真正实现来自洗浴温水的跟踪加热,具有使用方便的特点。它避免热水存储式的高温加热(90󰀁),无需对设定温度(例如42󰀁)的中温水掺冷水,实现连续供给适当温度的热水,COP更高,降低运转成本。使用时,将热水加热到所需温度,通过采用无需掺合冷水的高效率循环的󰀁瞬间直接加热供给热水方式󰀁与开发激活CO2特性的卧式高输出涡旋压缩机以及水/冷剂热交换器等,在42󰀁最大供给热水时,能力达到23kW,COP达到4.6。根据制热量和地区适应性的不同,现在日本市场已有16种不同类型的CO2热泵热水器。

目前,我国广东顺德地区的家电战略联盟企业也在合力攻关󰀁二氧化碳热泵相关技术󰀁的应用研究及产业化。项目是由联盟企业与上海交通大学、西安交通大学等高校机构以产学研合作的方式进行协同研发,同时聘请了中科院等外部技术专家顾问组成项目专家技术委员会,指导联盟成员企业联合攻关。3关键部件和设备的开发

系统中关键零部件的研究开发也成为热点,目前尚处于研制开发阶段。

在相同的运行工况条件下,CO2与常规工质热物性有较大的的差异,CO2压缩机工作压力高,单位容积制冷量大,压比小,进排气压差(3.5~7MPa)大,影响压缩机效率的主要因素是由高压差造成的泄漏损失,因此必须对压缩机进行重新设计。德国DRESDEN大学Heyl等开发了往复式膨胀压缩机,效率超过50%。日本静冈大学的FUKUTA研究设

[10]

计了滑片式膨胀机,效率可达60%。日本几个公司也已成功开发出小型全封闭式CO2热泵热水器用压缩机,三洋开发了双级压缩滚动活塞式,大金开发了摆动式,电装、日立和松下开发了涡旋式。除此之外,丹福斯公司、ACC压缩机公司等公司相继研制出CO2用压缩机。而我国的CO2压缩机还处于研发阶段。天津大学研究并开发出国内第一台滚动活塞式膨胀压缩机,使用膨胀机代替节流阀提高

[11]

了循环的效率。西安交通大学也在设计、研究一[9]

种跨临界CO2制冷循环用滑片膨胀机,优点是结构简单、体积小、可靠性高。

换热器方面,由于高压条件下有更好的传热特性和更高的容积制冷量,使得CO2热泵系统中的换热器可以设计得更为紧凑、高效。对于气体冷却器,为了充分利用超临界过程的温度特性,水/CO2冷却器大多采用逆流式套管和壳管式换热器。加热空气时,由于空气和超临界CO2气体的热力学性质差异较大,宜采用交叉流型式的管翅式换热器或交叉逆

[13]

流式带百叶窗的翅片管带式换热器。蒸发器的工作压力一般低于5.1MPa(15󰀁时的饱和压力),所以可将传统热泵系统中的蒸发器稍加改造即可应用到新系统中去。同样,空气源热泵多采用管翅式换热器和带百叶窗翅片的管带式蒸发器,水源热泵采用套管式、管翅式、管壳式及板式蒸发器。节流阀方面由于高的工作压力,对材料的强度要求比普通节流阀更高。Danfoss、Egelhof、Flitsch等公司已经研制出一些用于跨临界CO2系统中的电子膨胀阀、机械热力膨胀阀、机械自动调节阀等。

传统家用小型热泵热水器一般不设储液器,而CO2热泵热水器由于需要动态控制高压侧压力,制冷剂流量发生变化,应当设置储液器及其他自动控制装置,为保证系统安全而增设安全阀等

[14]

[12]

。由于

CO2通过安全阀排放过程中可能形成干冰,导致CO2安全阀和管路的冻结和堵塞,因此安全阀的设计过程必须解决这些问题。

另外系统的连接、组装和使用环节中要注意防止工质的泄漏。4结语

CO2热泵热水器不仅在环境保护方面有很大的优势,而且节能潜力也很大,应用前景广阔,在国外得到了大力发展。目前CO2热泵热水器在高压状态下运行,系统承受高压的性能、高压保护、压缩机的选择、润滑油的选择等一系列问题亟待解决,在设计上要继续提高效率和不断降低成本。国内的技术和国外相比还有很大的差距,但环保、节能的CO2热泵热水器代表着空调和热水器行业的高端技术产品,将是行业发展的新趋势。随着国家的倾斜、我国对CO2热泵技术研究的不断深入,CO2热泵热水器在我国将会有很好的发展前景。参考文献

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refrigerationcycle[D].UniversityofMaryland,1997.

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节󰀁󰀁󰀁能

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储热混凝土单元设计与储热模拟

朱教群,李圆圆,周卫兵,林󰀁宁,陈艳林

(武汉理工大学材料科学与工程学院,湖北武汉430070)

摘要:设计两种储热结构单元,采用ansys动态模拟方法模拟了在储热过程中储热单元温度最低点温度与时间的关系。研究发现:热导率越大储热速度越快,把钢管由平行排列改为三角错排,储热单元截面则由正方形变为正六边形,面积保持不变,传热性能有所提高;在混凝土中加入5%石墨片强化传热,等效热导率提高了4󰀁7倍,与加5%石墨粉的混凝土相比,等效热导率提高了一倍。关键词:储热混凝土;热导率;模拟

中图分类号:TB34󰀁文献标识码:A󰀁文章编号:1004-7948(2009)01-0013-03

引言

目前储热材料主要有三大类:显热储热材料、潜热储热材料和化学反应热储热材料。显热储热是所有热能存储方式中原理最简单,技术最成熟,材料来源最丰富,成本最低廉的一种,因而也是实际应用最早,使用最普遍的一种。

显热储热是利用材料自身的热容和热导率,使材料温度升高从而达到储热的目的。目前应用广泛的显热储热材料有硅质、镁质耐火砖,盐,铸钢

[1-2]

铸铁,原油,混凝土等热容较大的物质,其储热能力与成本比较如表1所示。

󰀁󰀁混凝土储热材料化学性能稳定,成本低,储热能力好,热胀系数与钢材相当(即可与钢管良好匹

基金项目:国家高技术研究发展计划(项目编号:2007AA05Z459)

表1󰀁各种储热材料的储热能力与成本[3]

储热介质混凝土NaCl

铸铁铸钢硅质耐火砖镁质耐火砖

平均储热量/kWh󰀁m-3

100100

16018060120

价格/美元󰀁kWh-1

12321501830

配),每储热1kWh成本在所有储热材料中最低,是用于太阳能热发电的理想储热材料之一。Rainer

[2]

Tamme制备了高温混凝土,在西班牙PlataformaSolardeAlmeria(PSA)太阳能热发电电站进行测试,工作最高温度为390󰀁。经过60次充放热循环管道与材料结合良好,储热材料、管道、热油均工作正常。

(4):35-41.

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ENERGYCONSERVATION

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theperformanceoftheheatstoreimprovedalittle.5%graphitepiece

EnergyConservation(Monthly)

Sponsor:LiaoningProvincialInstituteofScienceand

TechnologyInformation

Publisher:EnergyConservationMagazinePublishing

House

ChiefEditor:JINNaAddress:No.274,QingnianBoulevard,ShenyangCity,

LiaoningProvince,China

PostCode:110016

addedtotheconcreteatsomepositionofthestoreunit,fromthesimulateresultitcanbeseenthatthethermalconductivityoftheheatstoreim-prove4.7times,anddoubledbycomparetotheconcreteadded5%graphitepowder.

Keywords:thermalstorageconcrete;thermalconductivity;stimulation

13Theinfluenceofatmospheretemperatureon

theexergylossesofgasturbineLIUBin,ZHANGRen-xing,HEXing

(NavalUniversityofEngineering,Wuhan430033,China)Abstract:BasedontheSecondLawofthermodynamics,theanalytical

formulaeaboutexergylossesinsomecomponentsofarealsimplegastur-binewerederived.Theexergylossesinsomedifferentatmospheretemper-aturewerestudiedbydetailednumericalexamplesofarealgasturbine.Theresultsindicatethattheatmospheretemperaturehasstrongeffecttotheexergylossesofgasturbine.

CONTENTS

Jan2009Vo.l28,No.01TotalIssueNo.318

Trytoeconomizeenergysourcesandreducepollutant,

developmentthecircularlyproduction

CHENYu-zhe(FujianSanSteel(Group)Co.Ltd.,Sanming365000,China)Abstract:Toeconomizeenergysourcesandreducepollutant,increase

benefitandreducecostduringproduceprocess,theSanmingIronandSteelCo.Ltd.improvecapabilityofthemainproductequipmentbythemethodofusingnewtechnologyandtryhardtotransformthecontamina-tionintonewresource.

Keywords:atmospheretemperature;gasturbinecycle;exergylosses

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Optimaloperationalplanningofsteampowersystemsof

petrochemicalindustryusinganPSOSAmethod

DAIWen-zh,iYINHong-chao,CHIXiao(KeyLaboratoryofOceanEnergyUtilizationandEnergyConservationofMinistryofEducation,DalianUniversityofTechnology,Dalian116023,China)Abstract:Thesteampowersystemshouldbeoperatedundertheoptimal

schemetomeetthedemandofsteamandpowerfromprocess.Presentedanewmethodofsteampowersystemoptimization,ParticleSwarmOptimiza-tion(PSO)method,basedontheidealofsimulatedannealingalgorithm.AMixedIntegerLinearProgram(MILP)modelwaspresented.Alsonewmodelsforturbinewereestablishedtosatisfythepreciserequirementandreducethecomputationaldifficulty.Acombinationtosaveagreatdealofthecost.

Keywords:ironandstee;lcokery;desulphurization

7Studyonapplicationoftrans-criticalcarbondioxide

heatpumpwaterheatersystem

LVJing,ZHOUChuan-yu,WANGWe-ifeng(UniversityofShanghaiforScienceandTechnology,Shanghai20093,China)

Abstract:Thetheoryandcharacteristicsoftrans-criticalcarbondioxide

cyclewereanalyzed.TheadvantagesofCO2inheatpumpwaterheaterweredescribed.Howabouttheapplicationisandhowtheresearchinganddevelopmentofmaincomponentsareinatrans-criticalcarbondioxideheatpumpwaterheatersystemweresummarizedathomeandaboard.

Keywords:simulatedannealing;particleswarmoptimization;steam

powersystem;optimization;energyconservation

Keywords:CO2;heatpumpwaterheater;trans-criticalcycle

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Thediscussionaboutthecalculating

Unitdesigningandheatchargingsimulating

ofthermalstorageconcrete

ZHUJiao-qun,LIYuan-yuan,ZHOUWe-ibing,etal(SchoolofMaterialScienceandEngineering,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430070,China)Abstract:Designedtwoheatstoreunit,usedansysdynamicmethodto

simulatethetemperaturechangeatthepointofthelowesttemperatureoftheheatstoreunit,foundthatwiththeheatconductivityofthematerialbecamehigher,thespeedoftheheatstoreimproved.Thearrangementofthesteeltubechangedfromparalleltotriangle,sothesectionoftheheatstoreunitchangedfromsquaretohexagonandkeepstheareaunchanged,methodofmultistagewaterseal

TANCan-shen,WUA-feng

(GuangdongElectricPowerDesignInstitute,

Guangzhou510600,China)

Abstract:Discussedtwomethodsforcalculatingtheheightofmultistage

watersea,landdeductedthecalculatingformulabythedynamicanalysis.Theformulaissimpleandaccurate,whichcanprovidepreferenceforthedesignofmultistagewatersea.l

Keywords:multistagewatersea;ltheheightofwatersea;ldynamica-nalysis

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