热泵热水器用R744混合工质优选及其系统稳态与瞬态特性研究

作     者：巨福军 

作者单位：东南大学 

学位级别：博士

导师姓名：陈亚平;范晓伟

授予年度：2019年

学科分类：08[工学] 081404[工学-供热、供燃气、通风及空调工程] 0813[工学-建筑学] 0814[工学-土木工程] 

主      题：热泵热水器 工质替代 温度分布 常规启停 快速启动 

摘      要：热泵技术的应用是实现节能减排目标的有效措施之一。鉴于传统的热泵工质HCFCs和HFCs已被禁用或逐步淘汰,寻找合适的零ODP和低GWP的替代工质成为热泵热水器技术的研究热点。本文将零ODP和低GWP的R744混合工质作为研究对象,主要围绕混合工质的优选和混合工质热泵热水器系统的稳态与瞬态特性开展了理论与实验研究。基于环境性能、安全性能、热力学性能、传输性能和溶油性能等工质特性的综合分析,对备选的混合工质R744/HCs和R744/HFOs进行了初步优选,获得了适用于热泵热水器系统的四组R744混合工质及其对应的浓度区间分别为R744/R290（0/100～35/65）、R744/R1270（0/100～30/70）、R744/R1234yf（0/100～40/60）和R744/R1234ze（E）(0/100～45/55)。利用构建的热泵热水器系统性能预测模型预测了初步优选出的四组R744混合工质用于热泵热水器系统的循环性能,以进一步实现对其理论优选。通过综合比较制热COPth、制热量和冷凝压力等系统循环性能,发现R744/R290在优势浓度区间5/95～20/80内是最具潜力的热泵热水器用替代工质,尤其是R744/R290（14/86）,其对应的制热COPth和制热量均较R22系统明显占优。基于设备的选型和换热器的设计,设计和搭建了R744/R290直热式热泵热水器实验装置。依托该实验装置实验研究了充注浓度和热汇温升对R744/R290热泵热水器系统的稳态循环性能和换热器中换热流体的温度分布的影响。结果表明,在标准和高温工况下,R744/R290的最优充注浓度均为12/88,其制热COPex和制热量均明显优于R22系统,因此,R744/R290（12/88）(本文简称为Mopt)是热泵热水器系统中最合适的替代工质;热汇温升对Mopt热泵热水器系统的制热COPex有显著影响,但对其制热量的影响并不显著;在研究的热汇温升范围内,相较于R22系统,Mopt热泵热水器系统的制热COPex和制热量均显著提升,而其排气温度则显著降低。结果还表明,Mopt替代R22使用时显著提升了热泵热水器的系统能效,其主要归功于冷凝器中换热流体间的温度匹配水平的明显改善导致的冷凝器?损失的显著降低,同时充注浓度和热汇温升均会显著影响冷凝器中换热流体间的温度匹配水平;冷凝器中传热窄点的位置迁移不受充注浓度和热汇温升的影响。对标准工况下Mopt热泵热水器系统的常规启停特性开展了实验探索。结果发现,启动方式对常规启动过程中启动性能参数的启动时间均有显著的影响。常规冷启动和热启动过程中的系统启动时间均较长,尤其是前者。在两种常规启动过程中,启动方式对排气温度、阀前温度和吸气温度的变化趋势均有显著影响,但对其他启动性能参数的变化趋势的影响均不显著。常规冷启动过程中的最低吸气压力较常规热启动过程明显降低。在常规停机过程中,所研究的两个高压侧和两个低压侧的压力呈现出两两相似的变化趋势,而所研究的不同位置的温度则均呈现出显著不同的变化趋势。为了解决常规冷启动过程中存在的系统启动时间较长的问题,提出了基于热汇流量阶跃的快速启动方案,并实验研究了热汇流量阶跃对标准工况下Mopt热泵热水器系统的快速启动特性的影响规律,验证了所提出的快速启动方案的可行性。实验结果表明,存在最优热汇流量阶跃比使Mopt热泵热水器系统在快速启动过程中获得最短的系统启动时间,且其较常规冷启动过程显著缩短,因此,采用热汇流量阶跃的方法实现系统的快速启动是可行的;相较于常规冷启动过程,热汇流量阶跃比会显著影响快速启动过程中启动性能参数的启动时间。与常规冷启动过程相比,热汇流量阶跃对排气温度和阀前温度的变化趋势的影响均不显著,但对其他快速启动性能参数的变化趋势均有显著影响。快速启动与常规冷启动过程中的最低吸气压力间的差异较小。