CO_2跨临界热泵系统的优化与实验研究

文章编号:　1005—0329(2009)01—0053—06

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制冷空调

CO2跨临界热泵系统的优化与实验研究

杨俊兰

1,2

,马一太,冯　刚,李敏霞131

(1.天津大学,天津　300072;2.天津城市建设学院,天津　300384;3.河北沧州大化集团公司,河北沧州　061000)

摘　要:　为了提高CO2跨临界循环的性能,对系统每个部件以及整个系统的优化研究是非常必要的。因此提出了以基于系统的优化目标函数对CO2换热器的结构敏感性进行优化计算,分析了优化目标函数COPm随气体冷却器和蒸发器管径和管长的变化。计算结果表明,CO2跨临界循环系统应选择小管径和长管长。同时对优化后的新系统进行了模拟计算,其COP和制冷量分别比原系统提高了15%和18%。根据优化结果以及原有系统存在的问题,对换热器及相关部件进行了设计加工,进而建立了新的CO2跨临界水水热泵实验系统。结果显示,新系统的COP和制冷量提高了30%左右。总之,实验测试数据验证了模拟计算结果的正确性,所得结果有助于对CO2跨临界水-水热泵系统进行改善。关键词:　CO2;跨临界循环;优化;实验研究中图分类号:　TB6　　　　文献标识码:　A

OptimizationandExperimentalStudyonTranscriticalCO2HeatPumpSystem

YANGJun2lan

1,2

,MAYi2tai,FENGGang,LIMin2xia

131

(1.TianjinUniversity,Tianjin300072,China;2.TianjinInstituteofUrbanConstruction,Tianjin300384,China;

3.HebeiCangzhouDahuaGroupCompany,Cangzhou061000,China)

Abstract:　InordertoimprovetheperformanceoftheCO2transcriticalcycle,itisnecessarytooptimizeeachcomponentsandthewholesystem.SothemajorizedobjectfunctionisbroughtforwardtoanalyzethestructuresensitivityfortheCO2heatexchang2ers.AndthevariationtrendofthemajorizedobjectfunctionCOPmwithtubediameterandtubelengthofthegascoolerandevapo2ratorisanalyzed.ThemajorizedcomputationresultsbasedonthesystemshowthatthesmalldiametertubeandlongtubelengthshouldbeselectedintheCO2transcriticalcycle.AndthesimulationresultsofthenewmajorizedsystemindicatethattheCOPandthecoolingcapacityareincreasedonaverage15%and18%,respectively.Basedontheoptimizationresultsandsomeexist2ingproblemsintheprimarysystem,thenewheatexchangersandsomerelatedcomponentsaredesignedandmanufacturedinor2dertoachieverationalstructureandhighefficiencyoperation,andthenthenewCO2transcriticalwater2to2waterheatpumpsystemissetup.Theexperimentalresultsshowthatthecoefficientofperformanceandthecoolingcapacityofthenewsystemarein2creasedonaverage30%orso.Theoptimizationresultsareverifiedbytheexperimentalresultsandtheoptimizationobjectisa2chieved.

Keywords:　carbondioxide;transcriticalcycle;optimization;experimentalstudy

1　前言

作为一种自然工质,CO2制冷剂在工程应用方面具有许多显著的优点,近年来已经引起许多研

收稿日期:　2008—05—22

究学者的兴趣。然而,由于CO2的临界点温度(31.1℃)通常低于空调和热泵系统的放热温度,因此对于CO2采用跨临界蒸气压缩代替传统的蒸

[1]

汽压缩循环是可行的。

基金项目:　国家自然科学基金项目(50506019),天津市高等学校科技发展基金项目(20071116)

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　　自然工质CO2制冷循环具有非常好的发展前

景,如何提高系统的性能以及加快其向适用化迈进是解决的关键问题。Neksa等人的研究发现,如果根据CO2制冷剂独特的性质,对各部件的设计进行改进,那么系统的效率将会得到提高。这说明CO2制冷系统的性能提高还有很大潜力,因此针对其自身优势,对其制冷系统进行模拟优化研究非常有必要。Skaugen等人对CO2制冷系统进行了计算机模拟,对不同类型的换热器、压缩

[3]

机以及其它部件建立了模型。此模型既可以用于制冷计算,也可以用于制热计算,而且空气和水都可以用做热源和热汇。Wang和Hihara对CO2和R22热泵热水器的性能进行了研究,对每个部[4]

件和整个系统建立了模型。在系统大小相同的情况下,对两个装置的COP,制热量以及压缩机排气温度进行了分析。结果显示,CO2热泵热水器的COP值低于R22装置;但是当系统中加入回热器后,CO2的COP与R22相当,只不过CO2压缩机的排气温度增加很快,并且最佳高压压力时所对应的制热量明显降低。Ortiz和Groll对CO2空气-空气家用空调器建立了数学模型,并进行了

[5]

模拟计算和实验验证。Robinson和Groll开发了用空气作为冷热源的CO2跨临界循环军用整体式空调系统仿真模型,主要用来替代R12制冷系统,并且在换热器体积相等、制冷量相同的条件

[6]

下,与R12制冷系统进行了性能对比。美国Maryland大学的Hwang和Radermacher分别建立了CO2跨临界循环系统和R12的亚临界循环系统计算机仿真模型

[7]

[2]

优化问题的求解可以是求取目标函数的最小值,

或求取目标函数的最大值。当目标函数与约束函数用数学式子表达后,优化问题就成为寻找目标函数的极值问题了,可简写为:

φj(x)=0min[f(x)]

j=1,2,…,m

(1)(2)

φj(x)≥=0max[f(x)]

j=m+1,m+2,…,P在系统优化计算时,主要以制冷工况作为优化目标,得出系统的优化结果。在制冷系统中,换热器占有重要的地位,换热器的性能好坏对系统的运行特性影响很大,所以要对整个制冷系统进行优化必须先对换热器进行优化。这里所采用的主要思想是基于CO2水-水热泵系统的换热器优化,并采取一种耦合的分析方法来建立优化原则,即用换热器单位重量COP进行择优,计算式为:

COPm=

COPm

(3)

式中　COPm———系统的优化目标

COP———系统的制冷性能系数m———被优化换热器的重量

用换热器单位重量COP进行择优,既考虑了

经济性,也考虑了整个系统的性能。文献[9]建立了带膨胀机的CO2水-水热泵系统的数学模型,依据此模型主要对气体冷却器和蒸发器进行了优化。

2.1　CO2气体冷却器2.1.1　管径的影响

。通过对比两个仿真模型的计

算结果,得出了系统中各参数的变化对系统性能

的影响。文献[8]对CO2汽车空调制冷系统建立了稳态集中参数模型,同时建立了微通道气体冷却器分布参数模型,并将这两种模型的计算结果进行了比较。

本文主要对带膨胀机的CO2跨临界循环进行了优化计算,可为系统的设计及性能提高提供理论依据。根据优化计算结果建立了新的实验测试系统,并且进行了实验研究以及对优化结果进行验证。也验证了优化计算结果的正确性。2　系统优化计算

图1给出了优化目标COPm随气体冷却器管

径的变化趋势。

图1　管径对COPm的影响

系统或部件的最优化过程都是设计变量或参

数的优选过程,最终使目标函数达到最优值。最

随着气体冷却器管径的增加,COPm呈现出下降趋势。从优化的目的看,气体冷却器的管径

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越小越好。这种现象可以解释为较小的管径可以有效地增强换热器的性能,并且可使换热器的结构更加紧凑。小直径管子可以增加单位体积的换热面积,节约金属。而当换热器面积一定时,采用小管径可以减少管子长度。但是,管径减小将使流动阻力增加;此外,管径减小将增加管子数,这就使管子与管板连接处的泄漏可能性增大。因此管径的选择要视所用材料和操作条件而定,但总的趋向是采用小直径管子。

实际上,无论从CO2的物性特点,还是从CO2

系统的运行特点来看,CO2适合开发小管径的气体冷却器。小管径换热器重量轻,结构紧凑,可以承受较高的操作压力,比较适合CO2高压制冷系统,提高系统的安全可靠性。但是存在的主要问题是,对于管壳式换热器,特别是不锈钢管或碳钢管换热器,由于目前加工技术上的限制,小直径管存在焊接问题。所以在设计、加工制造时,应该根据实际技术情况选择。2.1.2　管长的影响

图2给出了气体冷却器的管长改变时,系统的优化目标COPm的变化趋势。

2.1.3　改变管程数

若要提高管内空间流动的流体速度,需在管箱内装设分程隔板,使管程流体每次只流过部分管子,而后流过另一部分管子,这样就把管内空间分成了多程。当气体冷却器以集总参数法建模时,管程数对系统优化目标函数的影响可如图3所示。

图3　管程数对COPm的影响

如图可以看出,当管程数从1管程增加为2

管程时,COPm快速增加到最大值;而后随着管程数的增加,COPm出现下降的趋势。这种现象可解释为,当壳程数为1时,随着管程数的增加,管程流体的流速增大,但是管程修正系数减小;当管程数为2时,管程修正系数减小的幅度较小,而且管程流速增大,它们的综合效果就是使得换热器的换热性能达到最佳;当管程数大于2以后,管程流速的增加幅度不足以弥补管程修正系数减小的幅度,这就使得传热温差减小,换热器的换热量降低,因此COPm出现下降趋势。2.2　CO2蒸发器

图2　管长对COPm的影响

2.2.1　管径的影响

从图2中可以看出,COPm随着管长的增加

而增大,并且管长较小时,COPm增长的幅度较大,随着管长的不断增大,COPm的增长速度变慢。由此可见,气体冷却器的管长不能取得太短,以避免换热不充分;当然也不能取得太长。在选定管长时,当换热面积一定时,增大管子长度可使换热器的管径减小,从而使换热器的成本降低。另一方面,管子太长,会给管子的清洗和拆换增加困难。目前所采用的换热管长度与壳体直径之比,一般在4～25之间,通常为6～10。当然在选择管子直径和长度时,都应尽量标准化。

图4给出了CO2蒸发器的管径对COPm的影响。从图中可以看出,与图1中气体冷却器的变化趋势相似,COPm随着管径的增加而下降。这是由于系统的制冷性能系数COPm随管径的增加而下降,而换热器的重量随管径的增加而增大,所以选择小直径管子具有较好的经济性。2.2.2　管长的影响

系统的COPm随蒸发器管长的变化如图5所示。图中显示,随着蒸发器管长的增加,COPm出现上升趋势,这与图2中气体冷却器的计算结果相似。从计算结果发现,系统的COP随管长的增

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加而减小,换热器的重量也随管长的增加而下降,

而COP下降的速度比较缓慢,换热器重量的下降幅度较大,所以二者的综合效果使得优化目标函数COPm呈现下降趋势。

高了11.5%～19.4%,制冷量提高了13.8%～22.8%。而且还可以发现,优化后的最佳高压压力值基本上没有变化。

图6　优化后系统与原系统COP比较

图4　管径对蒸发器COPm的影响

图7　优化后系统与原系统制冷量比较

图5　管长对蒸发器COPm的影响

3　CO2水-水热泵实验装置的建立

通过上述对CO2气体冷却器和蒸发器的结构

参数进行优化计算可以发现,将换热器放入系统内的优化计算结果与换热器本身的优化计算结果

[9]

所得结论是相同的。无论是CO2气体冷却器还是蒸发器,采取小管径和长管长都有利于提高系统的优化目标函数,但COPm同时系统的流动阻力也会相应增加。2.3　优化后的系统与原系统性能比较

通过上述对CO2跨临界水-水热泵系统中的气体冷却器和蒸发器的结构进行优化计算,最后选择了可行的优化系统作为发展目标,并将优化后的系统进行了模拟计算,与原系统进行了性能比较,分别如图6、7所示。从图中可以看出,系统优化后的制冷性能系数COP和制冷量都有了不同程度的提高。在给定压力范围内,其中COP提

针对当前的加工技术,选择了一种耐高压、结构紧凑的换热器型式。并根据工作条件,对新实验台的气体冷却器和蒸发器进行了设计加工。3.1　CO2气体冷却器

新设计的CO2气体冷却器与原气体冷却器在结构上有所不同,如图8所示。

图8　新CO2气体冷却器结构示意

如图这种气体冷却器不带设备法兰,占空间

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较小,结构显得更加紧凑。为了避免换热管与壳体因温差不同而产生不同的热膨胀,在壳体上装设了膨胀节。3.2　CO2蒸发器

CO2蒸发器采用U形管式换热器,管子两端均固定在同一个管板上,管箱的设计空间较大,可以保证工质充分混合,使得工质均匀分配到各换热管,如图9所示。

循环COP和COPh的比较结果。通过对比发现,新系统的COP和COPh都比原系统升高了,其中COP平均提高了30%左右,COPh平均提高了25%左右。

图9　新CO2蒸发器结构示意

如图,这种类型换热器的特点是:每根U形

管均可自由膨胀而不受其它管子以及壳体的约束,故弹性大、热补偿性能好。为了对CO2的两相流动型式进行观测,在制冷剂的入口封头增设了两个石英玻璃视镜。此外,为了对CO2两相流分配情况进行对比研究,在CO2制冷剂的入口端设计了可拆卸的分配器。

3.3　CO2跨临界水-水热泵实验台

带膨胀机的CO2跨临界水-水热泵系统主要由压缩机、气体冷却器、高压贮液器、节流阀、膨胀机、蒸发器和低压贮液器等组成,整个实验装置的结构布置非常紧凑,CO2气体冷却器和蒸发器采用上下安装,控制部分安装在支撑架上,使得整个装置所占空间较小。4　实验结果比较

图11　膨胀机系统COPh比较

图12　膨胀机系统制冷量比较

图13　膨胀机系统制热量比较

图10　膨胀机系统COP比较

图10、11分别给出了新系统与原系统膨胀机

图12、13分别给出了膨胀机系统制冷量和制

热量的比较结果。同样可以看到,新系统的制冷

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量和制热量也得到了提高,其中制冷量平均提高

了30%左右,制热量平均提高了25%左右。

通过新实验系统与原系统的膨胀机循环进行比较发现,新实验系统的性能得到了很大提高。5　结论

(1)提出了以基于系统的优化目标函数,对CO2气体冷却器和蒸发器进行了优化计算,结果

FluidsatGuangzhou[C].China,September17220,2002:2212228.

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显示选择小管径和长管长有助于提高系统的性能;

(2)对优化后的新系统进行了模拟计算,结IIR2GustavLorentzenConferenceonNatural

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[5]　OrtizTM,GrollEA.Simulationofa32tonresidential

CO2airconditioner[A].PreliminaryProceedingsofthe5

th

果表明与原系统比较,新系统的COP和制冷量分别平均增加了15%和18%;

(3)根据系统的优化计算结果,以及原系统存在的一些问题,对新系统的换热器等有关部件进行了设计、加工制造,以求达到结构合理,高效运行的目的,建立了新的CO2跨临界水-水热泵实验系统;

(4)实验研究结果表明,新系统的COP平均提高了30%左右,制冷量平均提高了30%左右,达到了优化的目的,也验证了优化计算结果的正确性。

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作者简介:杨俊兰(19712),女,博士,副教授,主要研究方向是制冷与热泵技术,可再生能源利用,通讯地址:300384天津市西青区津静公路26号天津城市建设学院能源与机械工程系。

(上接第66页)

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工业出版社,1996,1152138.

作者简介:黄彬彬(19862),男,硕士研究生,主要从事风机盘管的数字化设计研究工作,通讯地址:200240上海市上海交通大学制冷与低温工程研究所B0602096班级。