CO2熱泵熱水器燃氣冷卻器的設(shè)計與試驗研究

李 強

（中山百得廚衛(wèi)有限公司，廣東 中山 528400）

CO2價格低廉，可廣泛使用，不會像其他制冷劑[1]一樣影響全球環(huán)境。CO2的GWP=1，是工業(yè)生產(chǎn)的廢物，作為技術(shù)氣體使用時，對全球變暖的凈影響為零。目前，日本、挪威等國家在微型CO2HPWP（熱泵熱水器）領(lǐng)域進行了大量研究，已經(jīng)生產(chǎn)出了成熟的市場產(chǎn)品。據(jù)預(yù)測，日本對CO2HPWP的需求在2010年的生產(chǎn)總量將達到52萬輛。日立公司生產(chǎn)的兩種HPWP已經(jīng)上市，可以將水加熱到80℃或70℃。根據(jù)市場情況，其價格在65～100萬日元之間（1日元等于0.051人民幣）。然而，我國對跨臨界CO2HPWP的研究卻比較落后。目前，上海交通大學(xué)、天津大學(xué)、西安交通大學(xué)、清華大學(xué)和上海科技大學(xué)最早開展了跨臨界CO2HPWP理論和試驗研究。但關(guān)鍵組件如氣體冷卻器、蒸發(fā)器和節(jié)流閥與外國發(fā)達國家相比，仍有很大的差距[2]。

該文設(shè)計了一套CO2跨臨界循環(huán)熱泵水泵加熱器系統(tǒng)，設(shè)計了雙管氣體冷卻器，研究了CO2在氣體冷卻器中的傳熱特性，考察了氣體冷卻器水流量對氣體冷卻器出水溫度、熱本熱水器出水溫度和冷卻器出水溫度對系統(tǒng)COPh的值的影響。

1 設(shè)計過程

1.1 CO2熱泵熱水器系統(tǒng)的設(shè)計

CO2熱泵系統(tǒng)循環(huán)的原理是通過一系列步驟實現(xiàn)的。首先，蒸發(fā)器中的CO2氣體被壓縮機進行壓縮。然后，高溫高壓的CO2進入氣體冷卻器，在這里通過水的冷卻作用產(chǎn)生熱水。接下來，經(jīng)過內(nèi)部熱交換器，CO2被過冷，然后通過毛細管進行節(jié)流。在這個過程中，蒸發(fā)器吸收熱量，同時產(chǎn)生冷水[3]。隨后，低壓的CO2進入再生器進行過熱，然后重新進入壓縮機，循環(huán)再次開始。

該系統(tǒng)所使用的壓縮機是由巴西Enbraco公司制造的單臺半密封式CO2壓縮機，其排量為1.75cm3/轉(zhuǎn)。壓縮機在循環(huán)過程中扮演著關(guān)鍵的角色，通過對CO2氣體的壓縮來推動整個系統(tǒng)的運行。巴西Enbraco公司制造的壓縮機在CO2熱泵系統(tǒng)中表現(xiàn)出良好的性能和可靠性。

通過這種循環(huán)原理和所使用的壓縮機，CO2熱泵系統(tǒng)能夠有效地實現(xiàn)熱水和冷水的生產(chǎn)。這種系統(tǒng)具有環(huán)保性和能源效益，有潛力在許多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，例如家庭熱水供應(yīng)、工業(yè)加熱和空調(diào)系統(tǒng)。通過使用CO2作為制冷劑，該系統(tǒng)能夠提供高溫高壓的熱水，具有很大的應(yīng)用潛力。

1.2 燃氣冷卻器的設(shè)計

燃氣冷卻器是熱泵熱水器是熱泵熱水器的關(guān)鍵部件之一。氣體冷卻器設(shè)計為反流雙管，材質(zhì)為紅銅。CO2在內(nèi)管中流動，水在內(nèi)管和外管之間流動。

1.2.1 設(shè)計條件

氣冷器的設(shè)計條件如下：CO2側(cè)工作壓力為12 MPa，水邊工作壓力為0.4 MPa，進水溫度為17℃，出熱水溫度為65℃，傳熱量Qw為1.45 kW。考慮增壓12 MPa，內(nèi)管外徑6 mm，壁厚1.2 mm，外管外徑10 mm，壁厚1.0 mm。

1.2.2 傳熱計算

當(dāng)超臨界CO2在氣體冷卻器中冷卻時，熱物理性質(zhì)隨溫度的變化迅速，特別是在偽臨界點附近。

CO2側(cè)的熱對流系數(shù)可通過格涅林斯基相關(guān)法計算，如公式（1）所示。

式中：Nu為對流系數(shù)，f為管內(nèi)湍流流動的Darcy阻力系數(shù)，Re為雷諾系數(shù)，Pr為普朗特準數(shù)。

佛羅年柯（Filonenko）公式如公式（2）所示。

式中：f為管內(nèi)湍流流動的Darcy阻力系數(shù)，Re為雷諾系數(shù)。

根據(jù)迪圖斯一貝爾特 （Dittus-Boelter）公式，水體的傳熱系數(shù)如公式（3）所示。

式中：Nuf為對流傳熱系，Re為雷諾系數(shù)，Pr普朗特準數(shù)數(shù)，f表示流體平均溫度，b為指數(shù)，當(dāng)流體被加熱時，指數(shù)b=0.4。

其中雷諾系數(shù)計算如公式（4）所示。

式中：Re為雷諾系數(shù)，u為流速，de為當(dāng)量直徑，de=Vf為平均水流量。

總傳熱系數(shù)k的計算相關(guān)系數(shù)如公式（5）所示。

式中：K為總傳熱系數(shù)，h為壁厚，λc摩擦系數(shù)，hf為流動阻力，di，O為外管直徑，di為內(nèi)管直徑。如公式（6）所示。

式中：hf為流動阻力，λf為摩擦系數(shù)，de為當(dāng)量直徑，Nuf對流傳熱系數(shù)。如公式（7）所示。

式中：de為當(dāng)量直徑。

根據(jù)設(shè)計條件，傳熱結(jié)果如下：

hi=2751 Wm-2K-1，hf=1935 Wm-2K-1，k=887.6 Wm-1K-1。

1.2.3 氣體冷卻器的長度計算

根據(jù)傳熱方程，如公式（8）所示。

式中：Q為熱流量，k=887.6 Wm-1K-1，A為橫截面積，Δtm為傳熱時平均溫差。如公式（9）所示。

式中：Δtm為傳熱時平均溫差，Δtmax進口端溫度差，Δtmin出口端溫度差。

因此，氣體冷卻器的長度可以計算為L=6.6m。采用蛇形環(huán)管設(shè)計，內(nèi)徑為6mm，外徑10mm。內(nèi)管壁厚1.2mm，外管壁厚1mm?？傞L度6.6m。

2 結(jié)果與討論

氣體冷卻器和蒸發(fā)器入口的水溫控制在恒定狀態(tài)。蒸發(fā)器的水流量也控制在25.2 L/h，氣體冷卻器的水流量也由一個閥門控制。氣體冷卻器的水流量對熱水溫度的影響如圖1所示。

圖1 氣體冷卻器的水流量對熱水溫度的影響

從圖1可以看出，當(dāng)水流量40 L/h，水溫可達72℃。隨著氣體冷卻器水流量的升高，熱水（氣體冷卻器出口）的溫度逐漸降低，當(dāng)水流量為120 L/h時，水溫維持在42℃左右。管徑一定情況下，這是因為水流量增大，流速加快，冷水停留時間縮短，降低了傳熱效率。

COP值（制冷效率）是指熱泵系統(tǒng)在特定工況下所實現(xiàn)的制冷量（或制熱量）與輸入功率之間的比值。較高的COP值表示熱泵系統(tǒng)具有更高的效率和節(jié)能性。如圖2所示，可以看出整個系統(tǒng)的COPh（性能系數(shù)）隨著氣體冷卻器的水流量增加而增大。當(dāng)氣體冷卻器的水流量為23 L/h時，COPh為1.7。隨著水流速率增至80 L/h，COPh增至2.6。進一步增加水流速率至121.8 L/h時，COPh增至2.8。初期隨著水流量增加，系統(tǒng)的性能系數(shù)明顯提高。然而，當(dāng)水流量繼續(xù)增加時，系統(tǒng)的性能系數(shù)增長速度變緩，當(dāng)水流量超過100 L/h時，系統(tǒng)的性能系數(shù)基本保持不變，達到了極限。

圖2 系統(tǒng)性能系數(shù)與氣體冷卻器水流量關(guān)系

通過適當(dāng)調(diào)節(jié)氣體冷卻器的水流量，可以顯著提高熱泵系統(tǒng)的性能系數(shù)。在一定范圍內(nèi)，隨著水流量增加，系統(tǒng)的制冷效率逐漸提高，從而更好地利用能源，達到節(jié)能效果。然而，當(dāng)水流量超過一定閾值時，進一步增加水流量并不能顯著提高系統(tǒng)的性能系數(shù)。因此，當(dāng)設(shè)計和運行熱泵系統(tǒng)時，需要考慮水流量對系統(tǒng)性能的影響，并在達到一定水流量后進行合理地控制，以保證系統(tǒng)的最佳性能[4]。

如圖3所示，隨著氣冷器出水溫度增加，系統(tǒng)的COph值變小，說明系統(tǒng)的節(jié)能效果變差，耗能增加。

圖3 系統(tǒng)性能系數(shù)與氣冷器出水溫度關(guān)系

如圖4、圖5所示，隨著水流量從40 L/h增至12 L/h，高溫段的換熱系數(shù)從192.3增至203.2，低溫段的換熱系數(shù)從146.2增至150.7，高溫段和低溫段的換熱系數(shù)分別提升了10.9%和4.5%。這是因為隨著水側(cè)的換熱加強，水側(cè)的換熱系數(shù)增加，蛇形盤管表面的溫度降低，使換熱器的排煙溫度降低，水側(cè)吸收熱量增加。由于換熱器主要進行氣水換熱，主要的熱阻在氣側(cè)，因此要提高水側(cè)的流量，在管徑一定的情況下，流速加快，對于提高換熱器的整體的水速并沒有多大的幫助，所以提高水流速度，并未明顯提升換熱器的換熱系數(shù)。

圖4 高溫段換熱系數(shù)與水流量關(guān)系

圖5 低溫段換熱系數(shù)與水流量關(guān)系

這些研究結(jié)果對于優(yōu)化CO2熱泵系統(tǒng)的性能具有重要的指導(dǎo)價值。通過了解水流量與系統(tǒng)性能之間的關(guān)系，可以更好地設(shè)計熱泵系統(tǒng)，以最大程度地提高能源效益，達到節(jié)能的效果。這對于推動可持續(xù)能源利用和減少對傳統(tǒng)能源的依賴具有重要的作用。

3 結(jié)論

該文設(shè)計了CO2熱泵熱水器的燃氣冷卻器，并對其系統(tǒng)特性和燃氣冷卻器的傳熱特性進行了測試和分析。

總結(jié)了以下4點結(jié)論：1）當(dāng)燃氣冷卻器水流量升高時，燃氣冷卻器出口水溫逐漸降低，熱泵熱水器的熱水溫度達到72℃。2）當(dāng)氣體冷卻器的水流量為23 L/h時，COPh為1.7。當(dāng)水流速率達到80L/h時，COPh增至2.6。當(dāng)水流速率增至121.8L/h時，COPh增至2.8。3）隨著氣冷器出水溫度增加，系統(tǒng)的COph值變小，說明系統(tǒng)的節(jié)能效果變差，耗能增加。4）試驗還發(fā)現(xiàn)，提高水流量，不會使換熱器的換熱系數(shù)得到明顯提升。