CO2热泵热水器燃气冷却器的设计与试验研究

李 强

（中山百得厨卫有限公司，广东 中山 528400）

CO2价格低廉，可广泛使用，不会像其他制冷剂[1]一样影响全球环境。CO2的GWP=1，是工业生产的废物，作为技术气体使用时，对全球变暖的净影响为零。目前，日本、挪威等国家在微型CO2HPWP（热泵热水器）领域进行了大量研究，已经生产出了成熟的市场产品。据预测，日本对CO2HPWP的需求在2010年的生产总量将达到52万辆。日立公司生产的两种HPWP已经上市，可以将水加热到80℃或70℃。根据市场情况，其价格在65～100万日元之间（1日元等于0.051人民币）。然而，我国对跨临界CO2HPWP的研究却比较落后。目前，上海交通大学、天津大学、西安交通大学、清华大学和上海科技大学最早开展了跨临界CO2HPWP理论和试验研究。但关键组件如气体冷却器、蒸发器和节流阀与外国发达国家相比，仍有很大的差距[2]。

该文设计了一套CO2跨临界循环热泵水泵加热器系统，设计了双管气体冷却器，研究了CO2在气体冷却器中的传热特性，考察了气体冷却器水流量对气体冷却器出水温度、热本热水器出水温度和冷却器出水温度对系统COPh的值的影响。

1 设计过程

1.1 CO2热泵热水器系统的设计

CO2热泵系统循环的原理是通过一系列步骤实现的。首先，蒸发器中的CO2气体被压缩机进行压缩。然后，高温高压的CO2进入气体冷却器，在这里通过水的冷却作用产生热水。接下来，经过内部热交换器，CO2被过冷，然后通过毛细管进行节流。在这个过程中，蒸发器吸收热量，同时产生冷水[3]。随后，低压的CO2进入再生器进行过热，然后重新进入压缩机，循环再次开始。

该系统所使用的压缩机是由巴西Enbraco公司制造的单台半密封式CO2压缩机，其排量为1.75cm3/转。压缩机在循环过程中扮演着关键的角色，通过对CO2气体的压缩来推动整个系统的运行。巴西Enbraco公司制造的压缩机在CO2热泵系统中表现出良好的性能和可靠性。

通过这种循环原理和所使用的压缩机，CO2热泵系统能够有效地实现热水和冷水的生产。这种系统具有环保性和能源效益，有潜力在许多领域得到广泛应用，例如家庭热水供应、工业加热和空调系统。通过使用CO2作为制冷剂，该系统能够提供高温高压的热水，具有很大的应用潜力。

1.2 燃气冷却器的设计

燃气冷却器是热泵热水器是热泵热水器的关键部件之一。气体冷却器设计为反流双管，材质为红铜。CO2在内管中流动，水在内管和外管之间流动。

1.2.1 设计条件

气冷器的设计条件如下：CO2侧工作压力为12 MPa，水边工作压力为0.4 MPa，进水温度为17℃，出热水温度为65℃，传热量Qw为1.45 kW。考虑增压12 MPa，内管外径6 mm，壁厚1.2 mm，外管外径10 mm，壁厚1.0 mm。

1.2.2 传热计算

当超临界CO2在气体冷却器中冷却时，热物理性质随温度的变化迅速，特别是在伪临界点附近。

CO2侧的热对流系数可通过格涅林斯基相关法计算，如公式（1）所示。

式中：Nu为对流系数，f为管内湍流流动的Darcy阻力系数，Re为雷诺系数，Pr为普朗特准数。

佛罗年柯（Filonenko）公式如公式（2）所示。

式中：f为管内湍流流动的Darcy阻力系数，Re为雷诺系数。

根据迪图斯一贝尔特 （Dittus-Boelter）公式，水体的传热系数如公式（3）所示。

式中：Nuf为对流传热系，Re为雷诺系数，Pr普朗特准数数，f表示流体平均温度，b为指数，当流体被加热时，指数b=0.4。

其中雷诺系数计算如公式（4）所示。

式中：Re为雷诺系数，u为流速，de为当量直径，de=Vf为平均水流量。

总传热系数k的计算相关系数如公式（5）所示。

式中：K为总传热系数，h为壁厚，λc摩擦系数，hf为流动阻力，di，O为外管直径，di为内管直径。如公式（6）所示。

式中：hf为流动阻力，λf为摩擦系数，de为当量直径，Nuf对流传热系数。如公式（7）所示。

式中：de为当量直径。

根据设计条件，传热结果如下：

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

1.2.3 气体冷却器的长度计算

根据传热方程，如公式（8）所示。

式中：Q为热流量，k=887.6 Wm-1K-1，A为横截面积，Δtm为传热时平均温差。如公式（9）所示。

式中：Δtm为传热时平均温差，Δtmax进口端温度差，Δtmin出口端温度差。

因此，气体冷却器的长度可以计算为L=6.6m。采用蛇形环管设计，内径为6mm，外径10mm。内管壁厚1.2mm，外管壁厚1mm。总长度6.6m。

2 结果与讨论

气体冷却器和蒸发器入口的水温控制在恒定状态。蒸发器的水流量也控制在25.2 L/h，气体冷却器的水流量也由一个阀门控制。气体冷却器的水流量对热水温度的影响如图1所示。

图1 气体冷却器的水流量对热水温度的影响

从图1可以看出，当水流量40 L/h，水温可达72℃。随着气体冷却器水流量的升高，热水（气体冷却器出口）的温度逐渐降低，当水流量为120 L/h时，水温维持在42℃左右。管径一定情况下，这是因为水流量增大，流速加快，冷水停留时间缩短，降低了传热效率。

COP值（制冷效率）是指热泵系统在特定工况下所实现的制冷量（或制热量）与输入功率之间的比值。较高的COP值表示热泵系统具有更高的效率和节能性。如图2所示，可以看出整个系统的COPh（性能系数）随着气体冷却器的水流量增加而增大。当气体冷却器的水流量为23 L/h时，COPh为1.7。随着水流速率增至80 L/h，COPh增至2.6。进一步增加水流速率至121.8 L/h时，COPh增至2.8。初期随着水流量增加，系统的性能系数明显提高。然而，当水流量继续增加时，系统的性能系数增长速度变缓，当水流量超过100 L/h时，系统的性能系数基本保持不变，达到了极限。

图2 系统性能系数与气体冷却器水流量关系

通过适当调节气体冷却器的水流量，可以显著提高热泵系统的性能系数。在一定范围内，随着水流量增加，系统的制冷效率逐渐提高，从而更好地利用能源，达到节能效果。然而，当水流量超过一定阈值时，进一步增加水流量并不能显著提高系统的性能系数。因此，当设计和运行热泵系统时，需要考虑水流量对系统性能的影响，并在达到一定水流量后进行合理地控制，以保证系统的最佳性能[4]。

如图3所示，随着气冷器出水温度增加，系统的COph值变小，说明系统的节能效果变差，耗能增加。

图3 系统性能系数与气冷器出水温度关系

如图4、图5所示，随着水流量从40 L/h增至12 L/h，高温段的换热系数从192.3增至203.2，低温段的换热系数从146.2增至150.7，高温段和低温段的换热系数分别提升了10.9%和4.5%。这是因为随着水侧的换热加强，水侧的换热系数增加，蛇形盘管表面的温度降低，使换热器的排烟温度降低，水侧吸收热量增加。由于换热器主要进行气水换热，主要的热阻在气侧，因此要提高水侧的流量，在管径一定的情况下，流速加快，对于提高换热器的整体的水速并没有多大的帮助，所以提高水流速度，并未明显提升换热器的换热系数。

图4 高温段换热系数与水流量关系

图5 低温段换热系数与水流量关系

这些研究结果对于优化CO2热泵系统的性能具有重要的指导价值。通过了解水流量与系统性能之间的关系，可以更好地设计热泵系统，以最大程度地提高能源效益，达到节能的效果。这对于推动可持续能源利用和减少对传统能源的依赖具有重要的作用。

3 结论

该文设计了CO2热泵热水器的燃气冷却器，并对其系统特性和燃气冷却器的传热特性进行了测试和分析。

总结了以下4点结论：1）当燃气冷却器水流量升高时，燃气冷却器出口水温逐渐降低，热泵热水器的热水温度达到72℃。2）当气体冷却器的水流量为23 L/h时，COPh为1.7。当水流速率达到80L/h时，COPh增至2.6。当水流速率增至121.8L/h时，COPh增至2.8。3）随着气冷器出水温度增加，系统的COph值变小，说明系统的节能效果变差，耗能增加。4）试验还发现，提高水流量，不会使换热器的换热系数得到明显提升。