回热器对跨临界CO2热泵系统性能的影响

循环啦］、双级压缩循环∞Ｊ、利用膨胀机代替节流机 构‘４１等方法．
关于亚临界系统中回热器对系统性能的影响 已有深入研究¨】。回热器对性能系数的具体影响 最终取决于制冷剂的种类和系统的运行条件［６］． 过冷度的增加引起制冷（制热）量的增加及吸气温 度的上升引起压缩功的增加，可以引起压缩功的增
收稿日期：２０１０—１１－３０ 基金项目：教育部留学回国人员科研启动基金资助项目（教外司窿／［２００８］８９０号） 作者简介：金东旭（１９６８一），男，副教授，博士，研究方向为先进制冷及热泵技术，Ｅ－ｍａｉｌ：ｄｘｊｉｎ＠ｄｌｕｔ．ｅｄｕ．ｃｎ
无量纲回热器传热面积：Ｏ．１热源水入口温度：１５℃
０℃２０℃３ｉ℃４０℃６０℃８０℃１００℃１２０℃ ２
充注量：１．６ ｋｇ 热量水入口温度：１５℃
０℃２０℃３１℃４０℃ ６０℃８０℃１００℃１２０℃ １２
Ｏ
１．５ ｋｇ
１０
００
１．６ｋｇ
Ｏ．１
８
１．７ｋｇ １．８ｋｇ
芷８
≤
０．２
叠ｑ∈Ｒ幽 ６
奋ｓ
４
第４７卷第４期 ２０１２年８月
西南交通大学学报
ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＳＯＵＴＨＷＥＳＴ ＪＩＡＯＴＯＮＧ ＵＮＩＶＥＲＳｌ７ｒＹ
文章编号：０２５８－２７２４（２０１２）０４－０６３４－０５ ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．０２５８－２７２４．２０１２．０４．０１６
Ｖ０１．４７ Ｎｏ．４ Ａｕｇ．２０１２
图１ ＣＯ：热泵热水系统示意
Ｆｉｇ．１ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ Ｃ０２ ｈｅａｔ ｐｕｍｐ ｗａｔｅｒ ｈｅａｔｅｒ
系统由压缩机、油分离器、气体冷却器、回热 器、储液器、电子膨胀阀、蒸发器及２个恒温机组
成．除回热器外，系统的其他部件与文献［１６］的系 统完全相同．回热器为铜制套管式逆流换热器．回 热器的外管为光管，外径为１２．７ ｍｍ，内径为 １１．１ ｍｍ．回热器内管的外表面为光滑面，内表面 为微肋面，外径为７．０ ｍｍ，平均内径为５．８ ｍｍ．来 自蒸发器的低压ＣＯ：在内管内流动，而来自气体 冷却器的高压ＣＯ：则在环状空间内流动．回热器 长度分为０．５ ｍ和１．０ ｍ，其无量纲传热面积，即 回热器低压侧传热面积与蒸发器制冷剂侧传热面 积之比，分别为０．１和０．２．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｃ０２；ｈｅａｔ ｐｕｍｐ；ｉｎｔｅｒｎａｌ ｈｅａｔ ｅｘｃｈａｎｇｅｒ；ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ
自从氯氟烃（ＣＦＣｓ）与含氢氯氟烃（ＨＣＦＣｓ）因 破坏臭氧层以及加剧温室效应而被认为不适合做 制冷剂后，ＣＯ：制冷与热泵技术重新受到了关注． 当用于制取热水时，跨临界ＣＯ：系统较传统的热 泵系统具有同等或更高的性能系数；当用于舒适性 空调时，其性能系数则低于传统的空调器¨Ｊ．为了 提高跨临界ＣＯ：系统的性能系数，可以采用回热
ｔｈｅ ｏｐｔｉｍｕｍ ｒｅｆｒｉｇｅｒａｎｔ ｃｈａｒｇｅ，ｔｈｅ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ ｒａｔｉｏ ｄｅｃｒｅａｓｅｓ ｗｈｉｌｅ ｔｈｅ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ａｎｄ ｓｕｃｔｉｏｎ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｗｉｔｈ ａｎ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｉｎ ｔｈｅ ＩＨＸ ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ ａｒｅａ．Ａｄｏｐｔｉｎｇ ａｎ ＩＨＸ ｃａｎ ｉｎｃｒｅａｓｅ
本文通过调节变频压缩机频率与电子膨胀阀 脉冲，在维持一定的制热量与蒸发器出口制冷剂过 热度的条件下，实验研究了带有回热器的跨临界 ＣＯ：热泵热水系统的性能，分析了回热器传热面积 与蒸发器热源水人口温度对系统性能的影响．
１实验装置及测量
带回热器的ＣＯ：热泵热水系统如图１所示．
①ｇｅａｒｓ⑦压力计⑩流量计①视液镜
４
２ ２００
３００
９００
５００
６００
焓／（ｋＪ·ｋｇ－ｂ
２ ２００
３００
４００
５００
６００
焓／（ｋＪ·ｋｇ’１１
（ａ）制冷剂充注量的影响
（ｂ）回热器传热面积的影响
图２ ＣＯ：循环的变化
Ｆｉｇ．２ Ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｏｆ Ｃ０２ ｃｙｃｌｅ
图３给出了制冷剂充注量对制热系数ｃ。的影 响。由图３（ａ）可以看出，当热源水入口温度为１０ 和１５℃时，随着制冷剂充注量的增加，Ｃ。先逐渐 上升，在某一充注量下达到最大值，然后转为下降． 当热源水温度为２０℃时，由于压缩机最高允许排 气温度的限制，没有进行制冷剂充注量为１．９ ｋｇ
的实验．由分析可知，系统应该存在一个使ｃ。最大 的最佳制冷剂充注量，这个最佳充注量的大小要受 回热器传热面积与热源水人口温度的影响．从 图３（ｂ）可以看到，加装回热器提高了系统的最大 制热系数，且最大制热系数随回热器传热面积的增
加而增加．
充注量／Ｉ嘻
充注量／ｋｇ
（ａ）无量纲回热器传热面积：０．１
（ｂ）热源水入Ｅｌ温度：１５℃
万方数据
第４期
金东旭等：回热器对跨临界ＣＯ：热泵系统性能的影响
６３５
加，共同形成导人回热器的净效果． 文献［２］中指出，可利用回热器通过降低节流
损失来提高跨临界ＣＯ：系统的性能系数．文献［７］ 的分析结果表明，采用回热可略微提高跨临界ＣＯ： 循环的性能系数．文献［８］的研究结果显示，回热 器对系统的性能具有显著的影响．文献［９］的实验 结果表明，加装回热器可使家用空调器的性能系数 提高约１０％．文献［１０］的实验结果表明，在相同的 气体冷却器冷却水进出１３温度条件下，采用回热器 可使系统的制热系数提高４％一８％．文献［１１］在 保持气体冷却器出口制冷剂温度一定的情况下，通 过改变过热度的方法分析了回热器对系统性能的 影响．文献［１２］指出，当回热器的长度大于某一特 定值时，可能会导致性能系数的下降．文献［１３］指 出，对应于最大性能系数的最佳排气压力随回热器 长度的增加而下降，并且当排气压力低于某一特定 压力时，回热器才能提高性能系数．文献［１４］指 出，采用回热器可降低系统对蒸发器出口制冷剂干 度的敏感性．文献［１５］中实验研究了压缩机频率、 膨胀阀开启度及回热器长度对跨临界ＣＯ：制冷系 统性能的影响．
Ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ Ｉｎｔｅｒｎａｌ Ｈｅａｔ Ｅｘｃｈａｎｇｅｒ ｏｎ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ Ｔｒａｎｓｃｒｉｔｉｃａｌ Ｃ０２ Ｈｅａｔ Ｐｕｍｐ Ｓｙｓｔｅｍ
ＪＩＮ Ｄｏｎｇｘｕｌ，ＷＡＮＧ Ｐｉ增１，ＫＯＹＡＭＡ Ｓｈｉｇｅｒｕ２，ＴＡＫＡＴＡ Ｎｏｂｕ０２
（１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｎｅｒｇｙ ａｎｄ Ｐｏｗｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｄａｌｉａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｄａｌｉａｎ １１６０２４，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｉｎｔｅｒｄｉｓｃｉｐｌｉｎａｒｙ Ｇｒａｄｕａｔｅ Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｋｙｕｓｈｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｋａｓｕｇａ ８１６－８５８０，Ｊａｐａｎ）
采用水作为气体冷却器的冷却流体与蒸发器 的热源流体，温度、压力、流量及电功率的测量与数 据采集方法与文献［１６］相同．系统的制热系 数（ｃ。）定义为制热量与变频器输入电功率的比 值．在本研究中，Ｇ的测量误差小于３．１％．
实验在不同的制冷剂充注量条件下进行．制冷 剂的充注量从１．４ ｋｇ开始，以１００ ｇ的幅度逐渐增 加，直至Ｃ。出现下降趋势或者因压缩机的排气温 度超过最高允许温度而不能继续进行实验为止．在 所有实验中，均设定制热量为３ ｋＷ，蒸发器出口制 冷剂过热度为５℃，进人气体冷却器的冷却水入口 温度为２０℃，冷却水入口体积流量为６０ Ｌ／ｈ，进人 蒸发器的热源水人口体积流量为２８０ Ｌ／ｈ．热源水 的人１３温度分别取１０、１５及２０℃．实验中冷却水 与热源水的人１３温度分别由２个恒温机控制．实验 中测得的冷却水出口温度约为６３℃．在实验过程 中，通过调节压缩机变频器频率与电子膨胀阀脉 冲，保持一定的制热量与蒸发器出口制冷剂的过 热度．
回热器对跨临界Ｃ０２热泵系统性能的影响
金东旭１， 王 平１， 小山繁２， 高田信夫２
（１。大连理３－大学能源与动力学院，辽宁大连１１６０２４；２．九州大学综合理工学研究院，福冈春日８１６－８５８０）
摘要：为了研究跨临界ＣＯ：热泵热水系统中，回热器传热面积对系统性能的影响，在不同的制冷剂充注量条 件下实验研究了ＣＯ：热泵系统的性能．实验中，通过调节变频压缩机频率与电子膨胀阀开启度，保持了一定的 制热量与蒸发器出口过热度．实验结果表明：在最佳制冷剂充注量条件下，随着回热器传热面积的增加，压缩机 的压缩比下降，排气温度与吸气温度上升．采用回热器可以提高系统的最大制热系数，当回热器的无量纲传热面 积为０．２时，可使最大制热系数提高约３．２％一５．１％． 关键词：Ｃ０２；热泵；回热器；性能 中图分类号：ＴＢ６１１ 文献标志码：Ａ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ａ ｔｒａｎｓｃｒ／ｔｉｃａｌ Ｃ０２ ｈｅａｔ ｐｕｍｐ ｓｙｓｔｅｍ印ｐｌｉｅｄ ｆｏｒ ｈｏｔ ｗａｔｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ｗａｓ
ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｌｙ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ ｕｎｄｅｒ ｖａｒｉｏｕｓ ｒｅｆｒｉｇｅｒａｎｔ ｃｈａｒｇｉｎｇ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｔｏ ｃｌａｒｉｆｙ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｈｅａｔ
万方数据
６３６
西南 交通大学学报
第４７卷
由图２（ｂ）可以看到，随着回热器传热面积的 增加，压缩机的排气压力下降，吸气温度与排气温 度上升，蒸发压力则基本保持不变．采用回热器后， 系统的内容积将增加，回热器传热面积越大，内容 积的增加也越大．因此会有，回热器传热面积的增 加起到相对减少制冷剂充注量的效果．由图２（ａ） 可以看到，随着制冷剂充注量的减少，压缩机的排 气压力下降，吸气温度上升，蒸发压力则基本不变． 因此，当制冷剂充注量一定时，随着回热器传热面 积的增加，压缩机的排气压力下降，吸气Βιβλιοθήκη Baidu度上升，
２实验结果与分析
图２为ＣＯ：循环的压一焓图．由图２（ａ）可以看 到，随着制冷剂充注量的增加，压缩机排气压力上 升，蒸发压力基本不变，而气体冷却器出１：３温度则 逐渐下降．在蒸发压力基本不变的情况下，气体冷 却器出口温度下降使得回热器中高压侧制冷剂与 低压侧制冷剂间的传热温差减小，导致制冷剂流经 回热器时的比焓变化量随制冷剂充注量的增加而 减少．回热器进出口制冷剂比焓差的减少又导致了 在回热循环中压缩机吸气温度随制冷剂充注量的 增加而下降．另外，与膨胀阀入口制冷剂温度不低 于冷却水人口温度的无回热循环不同，在回热循环 中，由于回热器进一步冷却，膨胀阀入口制冷剂温 度可以低于冷却水的入口温度。
图３制冷剂充注量对Ｃ。的影响
Ｆｉｇ．３ Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｒｅｆｒｉｇｅｒａｎｔ ｃｈａｒｇｅ ｏｎ Ｃｈ
蒸发压力则基本保持不变的结果．而且，由于回热 器通过增加压缩机人口过热度和膨胀阀入口过冷 度影响整个系统的运行参数，因此，与单纯增加系 统内容积的情况相比，其对过热度的影响将更大． 也就是说，随着回热器传热面积的增加，吸气温度 的上升效果要比单纯制冷剂充注量减少时更大一 些．因此，尽管单纯制冷剂充注量变化时排气温度 基本不变，但当回热器的传热面积增加时，由于吸 气温度有较大的上升，排气温度也要上升一些．
ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ ｈｅａｔｉｎｇ ＣＯＰ（ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｏｆ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ），ａｎｄ ａｎ ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ ｏｆ ａｂｏｕｔ ３．２％一５．１％ ｉｓ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ａｎ ＩＨＸ ｗｉｔｈ ａ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎｌｅｓｓ ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ ａｒｅａ ｏｆ ０．２．
ｔｒａｎｓｆｅｒ ａｒｅａ ｏｆ ａｎ ｉｎｔｅｒｎａｌ ｈｅａｔ ｅｘｃｈａｎｇｅｒ（ＩＨＸ）ｏｎ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｗｅｒｅ ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｏｆ ｃｏｎｓｔａｎｔ ｈｅａｔｉｎｇ ｃａｐａｃｉｔｙ ａｎｄ ｅｖａｐｏｒａｔｏｒ ｏｕｔｌｅｔ ｓｕｐｅｒｈｅａｔ ｂｙ ａｄｊｕｓｔｉｎｇ ｔｈｅ ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ａｎｄ ｔｈｅ ｏｐｅｎｉｎｇ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｅｘｐａｎｓｉｏｎ ｖａｌｖｅ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ，ａｔ