基于透平压缩机的跨临界二氧化碳热泵循环系统研究

当前环境问题已成为一个重要的全球问题，其中臭氧层破坏和温室效应问题引起人们高度重视。传统的热泵热水器以氟利昂作为工质，不符合环保要求，而人工合成的制冷剂又可能对环境造成潜在的、不可预知的危害。因此，开发环保意义上的热泵热水器具有重要价值。
热泵热水器是以消耗少部分电能为代价，通过热力循环，将环境介质水、地热源、空气等储存的能量加以发掘利用，用来生产热水。CO2 作为自然工质，以其环保性、经济性、安全性、优良的传热特性、大单位容积制冷量等综合优势， 成为热泵工质的首选。由于其较低的临界温度，循环一般处于跨临界状态下运行。所谓跨临界循环就是压缩机的吸气压力低于临界压力，但是排气压力高于临界压力，工质在高压侧换热主要通过显热交换完成，其蒸发温度低于临界温度，循环吸热过程仍在亚临界条件下，换热依靠潜热，高压侧温度和压力相互独立，使得系统多了一个自由度或者可控参数。相较于常规亚临界循环，CO2 跨临界循环中气体冷却器所具有的较高排气温度和较大温度滑移正好和冷却介质的温升过程 相匹配，温差不可逆损失减小，有利于提高系统性能，非常适用于家用水的加热。而且 CO2 跨临界循环的容积膨胀比为 2~4，是常规工质的 1/10，膨胀功约占压缩功的 20％~40％，将其回收用于驱动压缩机，可以辅助提高系统效率。
本项目开发的是一种较大容量跨临界二氧化碳热泵系统，由离心压缩机、气体冷却器、透平膨胀机、蒸发器等主要部件构成。该系统具有供热系数高，结构紧凑，生产热水温度高，膨胀比小，膨胀功大的特点。采用透平膨胀机回收膨胀功，可有效减少节流损失，提高系统 COP 值及效率。系统采用离心压缩机，具有体积小、振动噪音小、气量大且供热集中的优点。所以，本项目所开发的二氧化碳热泵循环系统，不但在环境保护方面具有很大优势，而且节能潜力非常大，所以市场应用前景广阔。

项目组通过研究自行建立了跨临界二氧化碳热泵系统的数学模型，对系统各部件进行了数学建模；计算确定了系统各状态点的热力参数，研究了各参数的取值范围，以及各参数对系统 COP 及效率的影响规律；采用多目标优化方法对系统进行优化，确定了最优参数组合，使得系统 COP 及效率达到最高。
系统中的离心式压缩机，采用两级压缩、中间冷却的设计方案，对压缩机进行了详细设计。通过对系统的研究确定透平膨胀机的进出口参数，编制膨胀机热力设计计算程序，设计了膨胀机蜗壳、喷嘴、工作轮、扩压器的基本几何参数。对压缩机和膨胀机建立了三维模型，数值计算网格模型，并进行数值计算分析， 对叶片流道及工作轮流道进行优化，获得高效的压缩机和膨胀机方案。
由于二氧化碳的临界温度只有 31.1℃，临界压力为 7.38MPa，它的临界温度通常低于空调和热泵系统的排气温度，因此本系统采用跨临界循环模式。而冷却放热的高压侧压力高达 9~11MPa，低压侧压力在 3MPa 左右，节流部分压差高达6-8MPa，结合近临界区二氧化碳特殊的热物性和传输性，所以常规二氧化碳跨临界循环系统性能并不高，提高整个系统性能的关键在于降低节流部分的损失。本项目采取两级压缩以及单级膨胀回收膨胀功的方式来提高系统性能，可以获得高性能的跨临界二氧化碳热泵系统。

本项目主要应用于城市居民或企业大规模供热系统，以及低温热源的再利用和能源回收等系统。由于二氧化碳的特性，以及跨临界系统循环的特性，本项目研制的热泵系统有供热热水温度较高，系统结构紧凑简洁，占地面积小，可以代替热水锅炉进行采暖和生活热水供应，也可用于汽车空调的研发。二氧化碳热泵目前来说是一个新生事物，但是由于工质以及循环特性，有较高的研究价值和应用前景。

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