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热泵热水器的应用背景热泵热水器的应用背景 及国内外发展概况及国内外发展概况节能、环保是二十一世纪经济发展面临的重大问题。随节能、环保是二十一世纪经济发展面临的重大问题。随着社会经济的不断发展和人民生活水平的不断提高，人着社会经济的不断发展和人民生活水平的不断提高，人们对生活卫生热水的要求不断提高。们对生活卫生热水的要求不断提高。热泵热泵热水机热水机应用背景应用背景 n燃油热水炉燃油热水炉 燃气热水炉燃气热水炉 电热水炉电热水炉 太阳能太阳能存在的问题存在的问题n燃油燃气炉污染问题燃油燃气炉污染问题n燃油、燃气炉、电热水炉存在漏油漏气漏电等安全隐患燃油、燃气炉、电热水炉存在漏油漏气漏电等安全隐患n易结垢、效率低、运行费用高、需专人维护易结垢、效率低、运行费用高、需专人维护n太阳能受季节日照的影响太阳能受季节日照的影响常见热水供应设备常见热水供应设备热泵热水机国外发展概况热泵热水机国外发展概况19241924年空气源热泵技术发明年空气源热泵技术发明2020世纪世纪7070年代热泵热水机发明年代热泵热水机发明2020世纪世纪9090年代至年代至2121世纪初世纪初热泵热水机市场导入和发展期热泵热水机市场导入和发展期即将进入市场高速发展期即将进入市场高速发展期家用热泵热水器目前的全球市家用热泵热水器目前的全球市场容量约为场容量约为100100万台占万台占2 2左左右，未来右，未来5 5年估计会达到年估计会达到500500万台。最终家用占万台。最终家用占3030，商用，商用占占5050的热水器市场份额。的热水器市场份额。2 230305050家用家用商用商用热水设备热水设备国内国内市场占有率市场占有率热泵热水设备近五年的销售增长热泵热水设备近五年的销售增长热泵热水机国热泵热水机国内内发展动态发展动态 空气空气源源热泵热泵热水系统热水系统空气源热泵热水机组为国空气源热泵热水机组为国家专利产品。它采用家专利产品。它采用热泵热泵工作原理，利用压缩机驱工作原理，利用压缩机驱动制冷工质进行逆卡诺循动制冷工质进行逆卡诺循环，从室外空气中吸收热环，从室外空气中吸收热量产生高品质的热水量产生高品质的热水，满，满足人们生活、生产的需要足人们生活、生产的需要 空气源热泵热水机组分类1.1.直热式：一次加热式直热式：一次加热式2.2.循环式：循环加热式循环式：循环加热式水水循环式：循环加热式循环式：循环加热式氟氟循环式：循环加热式循环式：循环加热式热水箱热水箱主机主机循环水泵循环水泵补水补水用水用水特点：特点：主机工况不稳定；主机工况不稳定；总体效率不高；总体效率不高；水循环系统水循环系统空气空气源源热泵热泵热水系统热水系统热水箱补水用水特点：特点：主机工况不稳定；主机工况不稳定；系统在使用一些时间后效系统在使用一些时间后效率会下降；率会下降；主机主机氟循环氟循环系统系统空气空气源源热泵热泵热水系统热水系统热水箱自来水自来水高温热水高温热水热水到用户热水到用户特点：特点：主机工况稳定；主机工况稳定；总体效率高；总体效率高；水箱利用率高；水箱利用率高；及时补水能力好；及时补水能力好；对主水箱水温下降后的对主水箱水温下降后的升温效果好；升温效果好；直热系统直热系统空气空气源源热泵热泵热水系统热水系统冷凝冷凝温度温度404090907575505045454040高温高温303050506060进水进水2020出水出水温度温度5555冷凝冷凝温度温度6565105105高温高温进水进水5050循环式循环式进水温度低进水温度低 出水温度恒定出水温度恒定运行平稳高效运行平稳高效直热式直热式水温不断升高导致机组压力高、水温不断升高导致机组压力高、功耗大、功耗大、效率下降效率下降一一 更高能效，费用更省，更高能效，费用更省，平均能效比平均能效比4.64.6，最高能效比达，最高能效比达5.75.71 1、直热式设计，直热式设计，空气空气源源热泵热泵热水系统热水系统CO2热泵热水器特性分析热泵热水器特性分析COCO2 2制冷剂的发展历史制冷剂的发展历史制冷剂的发展历史制冷剂的发展历史1 13 32 24 4COCO2 2工质的特性工质的特性工质的特性工质的特性COCO2 2跨临界循环跨临界循环跨临界循环跨临界循环COCO2 2热泵热水器特性热泵热水器特性热泵热水器特性热泵热水器特性5 5COCO2 2热泵热水器优化和改进热泵热水器优化和改进热泵热水器优化和改进热泵热水器优化和改进 1.CO2制冷剂的发展历史美国美国Alexander Twining1.1.船舶制冷系统船舶制冷系统2.2.空调制冷系统空调制冷系统被被CFCsCFCs制冷工质取代制冷工质取代G.LorentzenG.Lorentzen设计跨设计跨临界临界CO2循环系统循环系统1930193019301930年年年年80%80%80%80%的船舶采用的船舶采用的船舶采用的船舶采用COCOCOCO2 2 2 2制冷机制冷机制冷机制冷机1.CO2制冷剂的发展历史节流损失非常大；节流损失非常大；节流损失非常大；节流损失非常大；高放热温度下，高放热温度下，高放热温度下，高放热温度下，COPCOPCOPCOP较低；较低；较低；较低；运行压力高运行压力高运行压力高运行压力高,制冷剂防泄漏困难制冷剂防泄漏困难制冷剂防泄漏困难制冷剂防泄漏困难.2.CO2工质的特性环境和安全性能环境和安全性能ODP=0，GWP=1无毒，不可燃来源和价格来源和价格资源丰富（天然资源和工业副产品）价格便宜，无回收问题稳定性和相容性稳定性和相容性物理化学性能稳定与润滑油的共溶性良好传输性能传输性能运动粘度低，可减小制冷剂管路压降优良的流动和传热特性（可显著减小压缩机与系统的尺寸，使整个系统非常紧凑）表面张力较小，蒸发换热系数较高热物理性能热物理性能临界温度低（31.1），临界压力较高（7.3MPa）；气体密度高，单位容积制冷量高；分子量比高分子化合物小，相对于一定的蒸发温度，蒸发潜热较大；绝热指数高，存在使压缩机排气温度偏高的问题；压缩比比常规的工质低，压缩机容积效率可维持在较高水平；蒸发器的可耐压降较大（R134a的9倍）；运行压力较高。2.CO2工质的特性3.CO2跨临界循环特点：特点：冷却器出口温度tktc，冷却压力pkpc；高压侧压力和温度相互独立；工质在高压侧的换热通过显热来完成；放热过程有较大的温度滑移；当蒸发温度、气体冷却器出口温度保持不变时，随着高压侧压力变化，循环COP存在最大值；排气压力较高，在系统可靠性设计和安全运行方面有较高的要求。3.CO2跨临界循环4.CO2热泵热水器特性COCO2 2热泵热水器系统流程图热泵热水器系统流程图4.CO2热泵热水器特性压缩机具有较高的排气温度；压缩机具有较高的排气温度；可以得到可以得到9090的热水；的热水；需要动态控制高压侧压力，需要动态控制高压侧压力，应设置储液器。应设置储液器。4.CO2热泵热水器特性l气体冷却器中温度和压力彼此独立；气体冷却器中温度和压力彼此独立；l气体冷却器中具有较大的温度滑移，与气体冷却器中具有较大的温度滑移，与冷却水的温升相匹配；冷却水的温升相匹配；4.CO2热泵热水器特性将水从将水从1010加热至加热至6060R744R744等熵系数取等熵系数取0.80.8，R134aR134a等熵系数取等熵系数取0.70.7，压缩机吸气过热，压缩机吸气过热1010 4.CO2热泵热水器特性循环特性分析：循环特性分析：蒸发温度对蒸发温度对蒸发温度对蒸发温度对COCOCOCO2 2 2 2跨循环跨循环跨循环跨循环性能影响性能影响性能影响性能影响 提高蒸发温度可有提高蒸发温度可有提高蒸发温度可有提高蒸发温度可有效提高系统的性能系效提高系统的性能系效提高系统的性能系效提高系统的性能系数数数数.热水出水温度对热水出水温度对COCO2 2热热泵热水器循环性能影响泵热水器循环性能影响 随着热水出水温度升随着热水出水温度升高，系统性能系数下降高，系统性能系数下降.4.CO2热泵热水器特性气体冷却器出口温度对气体冷却器出口温度对COCO2 2热泵热水器循环性能影响热泵热水器循环性能影响 a.a.随着气体冷却器随着气体冷却器出口温度升高，系统出口温度升高，系统性能系数下降性能系数下降.4.CO2热泵热水器特性 b.b.储水箱构造影响气体冷却器出口温度，进而会影储水箱构造影响气体冷却器出口温度，进而会影响到系统性能。响到系统性能。4.CO2热泵热水器特性吸气过热度对性能系数的影响：吸气过热度对性能系数的影响：a.a.冷却压力较低时，冷却压力较低时，提高吸气过热度可显著提高吸气过热度可显著提高系统性能；提高系统性能；b.b.冷却器出口温度冷却器出口温度越高，吸气过热度对系越高，吸气过热度对系统性能的影响越明显；统性能的影响越明显；C.C.当冷却压力较高当冷却压力较高时，提高吸气过热度并时，提高吸气过热度并不能明显提高系统性能；不能明显提高系统性能；d.d.提高吸气过热度，提高吸气过热度，会使压缩机排气温度升会使压缩机排气温度升高，吸气比容增大，容高，吸气比容增大，容积制冷量减小。积制冷量减小。4.CO2热泵热水器特性冷却压力对冷却压力对COCO2 2热泵热水器循环性能影响热泵热水器循环性能影响 a.a.系统存在最佳系统存在最佳冷却压力，使得达冷却压力，使得达到到COPCOP最大值最大值.b.b.随着环境温随着环境温度的变化，冷却压度的变化，冷却压力需作相应的调整，力需作相应的调整，以保证系统有较高以保证系统有较高的性能系数的性能系数.4.CO2热泵热水器特性不同冷却压力下不同冷却压力下不同冷却压力下不同冷却压力下COCOCOCO2 2 2 2热泵热水器循环性能热泵热水器循环性能热泵热水器循环性能热泵热水器循环性能4.CO2热泵热水器特性蒸发温度、气体冷却器出口温度对最优冷却压力的影响蒸发温度、气体冷却器出口温度对最优冷却压力的影响 蒸发温度对最优冷蒸发温度对最优冷却压力影响不大，气却压力影响不大，气体冷却器出口温度对体冷却器出口温度对最优压力影响较大最优压力影响较大.t tk k变化时，应使冷变化时，应使冷却压力作相应的调整，却压力作相应的调整，以保证循环具有较高以保证循环具有较高的性能系数的性能系数.4.CO2热泵热水器特性气体冷却器出口温度、压力对制冷量的影响气体冷却器出口温度、压力对制冷量的影响a.a.随着随着t tk k变大，制冷量减小；变大，制冷量减小；b.b.p pk k较小时，制冷量受冷却压力影响较大较小时，制冷量受冷却压力影响较大5.CO2热泵热水器的优化和改进存在问题：存在问题：工作压力高于传统压缩机，吸排气的压差与温差较大。工作压力高于传统压缩机，吸排气的压差与温差较大。压缩机防泄漏设计、零部件的选用、高压油路设计、压缩机防泄漏设计、零部件的选用、高压油路设计、排气阀设计均应特殊考虑；排气阀设计均应特殊考虑；如何在小管径、高质量流速的情况下，提高换热器的如何在小管径、高质量流速的情况下，提高换热器的传热效率；传热效率；气体冷却器出口与蒸发端压差大，因此如何设计高效气体冷却器出口与蒸发端压差大，因此如何设计高效率的膨胀过程来减少膨胀损失，降低压缩功；率的膨胀过程来减少膨胀损失，降低压缩功；采用电子检测控制技术，根据环境需求，进行压力调采用电子检测控制技术，根据环境需求，进行压力调节；节；研究研究CO2高压系统的动态特性、高压运转时振动和噪声高压系统的动态特性、高压运转时振动和噪声的抑制，也是的抑制，也是CO2压缩机所需解决的技术难题。压缩机所需解决的技术难题。带膨胀机的循环带膨胀机的循环5.CO2热泵热水器的优化和改进理想的膨胀机循环：理想的膨胀机循环：12s34s1；采用节流阀的循环：采用节流阀的循环：1234h1；考虑压缩机、膨胀机效率后的膨考虑压缩机、膨胀机效率后的膨胀机循环：胀机循环：12341。COCO2 2膨胀比为膨胀比为2-42-4，为其他工质的，为其他工质的1/101/10；膨胀功所占的比膨胀功所占的比例例20-30%.20-30%.带膨胀机的循环带膨胀机的循环5.CO2热泵热水器的优化和改进待解决的问题：待解决的问题：解决膨胀机中静止与转动部件以及转动部件间的高压解决膨胀机中静止与转动部件以及转动部件间的高压 COCO2 2 超临界流体的泄漏问题；超临界流体的泄漏问题；解决由于气蚀、液击引起的部件表面的损伤；解决由于气蚀、液击引起的部件表面的损伤；解决膨胀过程的振动和噪声控制。解决膨胀过程的振动和噪声控制。谢谢大家谢谢大家!