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数据驱动的跨临界co2热泵多目标优化设计

化工进展 2020年第5期39卷 1657-1666页

作者：李恩腾徐英杰谢小东范伟浙江工业大学机械工程学院浙江杭州310023

针对跨临界co2热泵成本过高与占用空间大等问题,提出了一种基于经济性与实用性的数据驱动跨临界co2热泵多目标优化设计方法。本文通过对跨临界co2热泵进行性能模拟获得大量的驱动数据,然后经由BP神经网络构建跨临界co2热泵的热力学预测... 详细信息

针对跨临界co2热泵成本过高与占用空间大等问题,提出了一种基于经济性与实用性的数据驱动跨临界co2热泵多目标优化设计方法。本文通过对跨临界co2热泵进行性能模拟获得大量的驱动数据,然后经由BP神经网络构建跨临界co2热泵的热力学预测模型,并且从投资、运营、环境以及空间占用等多角度建立跨临界co2热泵的多目标优化模型。最后以住宅用户最关心的总年度成本与水箱容积为设计优化目标,通过精英策略非支配排序遗传算法(NSGA-Ⅱ)与TOPSIS决策法进行最优设计方案求解。案例研究表明,占用空间小、总年度成本低的最优设计方案的水箱体积为0.235m3、总年度成本为958.1USD/a。且通过分析设计参数对优化目标的影响,发现水箱保温层厚度的影响主要集中在一个较优区域,水箱直径与高度的影响较大,而气冷器换热温差的影响较小。

关键词： co2热泵跨临界多目标空间占用优化

co2热泵双级冷却套管式气体冷却器性能研究

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CO2热泵双级冷却套管式气体冷却器性能研究

作者：马瑞芳昆明理工大学

学位级别：硕士

随着全球气候变暖和臭氧层破坏加剧,环保问题越来越受到人们的重视。自然工质co2以全球变暖指数为1及大气臭氧层破坏指数为0备受制冷界的青睐。如何提高co2热泵跨临界循环系统的制热效率成为学者目前研究的重点。气体冷却器作为co2跨临... 详细信息

随着全球气候变暖和臭氧层破坏加剧,环保问题越来越受到人们的重视。自然工质co2以全球变暖指数为1及大气臭氧层破坏指数为0备受制冷界的青睐。如何提高co2热泵跨临界循环系统的制热效率成为学者目前研究的重点。气体冷却器作为co2跨临界循环热泵热水器的关键部件,其换热效果直接影响着整个系统的性能。套管式换热器因其具有结构紧凑、传热效率高等优点,在热泵系统中广泛应用。研究新型双级冷却套管式气体冷却器的换热特性,对co2热泵的节能运行、新型双级冷却套管式气体冷却器的优化设计和推广应用都具有重要意义。从结构形式和换热性能两方面对co2跨临界循环系统中多种气体冷却器进行对比分析,从中找出各自优缺点,并根据现有co2热泵跨临界循环系统用套管式气体冷却器的研究现状,提出了co2热泵用新型双级冷却套管式气体冷却器,并对其结构设计和换热特点进行了详细介绍。建立了新型双级冷却套管式气体冷却器热力学仿真模型。利用该模型本文从结构参数和运行参数两方面对双级冷却套管式气体冷却器换热性能的影响进行了仿真模拟研究。研究结果表明：在流量变化不大的情况下,可通过调整管径使两侧换热系数相当来增大总的换热系数,进而增大换热量;一二级中间节点位置的选取应使制冷剂等压比热的峰值点出现在一级内,同时使得一级换热系数较大：随着气体冷却器co2出口温度降低,所需要的气体冷却器的面积也在增加,当制冷剂出口温度已经很低时,单纯为了降低co2出口温度来增大换热量,所需要的额外增加换热面积并不经济;制冷剂压力的增加有利于气体冷却器的换热,但压缩机输入功率随之增加,当增大的换热量不足以补偿压缩机额外增加的输入功率,系统coP就会下降,故存在一个最优压力使得换热量增大,系统coP最优。最后根据研究结果对双级冷却套管式气体冷却器提出了优化建议。建立了用于测试双级冷却套管式气体冷却器性能的实验装置,并设计了正交试验方案。根据正交实试验方案得出进水温度、水的质量流量、制冷剂质量流量和制冷剂压力对气体冷却器换热量、制冷剂压降及总换热系数影响的主次顺序。制冷剂压力对气体冷却器换热量影响最大,进水温度影响其次,制冷剂质量流量影响第三,水的质量流量影响相对最低;对制冷剂压降的影响,制冷剂制冷流量影响最大,制冷剂压力影响其次,进水温度影响第三,水的质量流量影响相对最低;对总换热系数的影响,制冷剂压力影响最大,水的质量流量影响其次,进水温度影响第三,制冷剂质量流量相对最低。并通过控制变量法定量了解了单一因素对双级冷却套管式气体冷却器性能的影响规律,结果表明,低进水温度、大质量流量和高制冷剂压力有利于气体冷却器的换热,但考虑系统coP,制冷剂质量流量和压力都存在一个最优值,使得系统coP最优。

关键词： co2热泵双级冷却套管式气体冷却器换热模型正交试验设计热力性能

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co2热泵低温运行的热力性能研究

CO2热泵低温运行的热力性能研究

作者：寇宏侨昆明理工大学

学位级别：硕士

兼顾环境保护和节约能源,实现建筑能耗的可持续发展、建设清洁低碳的能源体系成为人们关注的焦点。在“十三五”和“煤改电”等政策背景下重新启用天然工质co作为制冷剂显得尤为重要。由于具有节能、环保等特性,co跨临界循环热泵系统已... 详细信息

兼顾环境保护和节约能源,实现建筑能耗的可持续发展、建设清洁低碳的能源体系成为人们关注的焦点。在“十三五”和“煤改电”等政策背景下重新启用天然工质co作为制冷剂显得尤为重要。由于具有节能、环保等特性,co跨临界循环热泵系统已得到国内外的广泛关注。在低温工况下co热泵系统运行存在很多问题,因而对co热泵低温运行的热力性能进行研究具有重要意义。在此背景下,本文构建了 co跨临界循环热泵系统的实验平台,较为系统地研究了 co热泵低温运行的热力性能。为有效避免低温工况下系统存在的损失,保证系统的稳定高效运行,可以采用提高co气体冷却器的入口比焓/吸气压力、提高蒸发温度、增加吸气质量、采用回热循环这四种技术途径。本文对此进行了详细介绍,并进行了热力学分析。在低温工况下,因跨临界循环co热泵系统气体冷却器的进水温度和co出口温度降低,压缩机吸气压力和温度随之降低。当系统的吸气压力低于压缩机的吸气压力下限时,将导致系统无法稳定运行。为了改变这种现象,采用在气体冷却器冷水入口处混水的方法,将热水箱的热水旁通至气体冷却器冷水入口。采用三通调节阀调节混水比例,适当提高气体冷却器的进水温度,以期实现系统在低温工况下的稳定运行。实验测试结果表明,采用混水方法不仅可保证低温工况下跨临界循环co空气源热泵热水系统的稳定运行,同时可降低结霜频率,延长系统运行时间,但系统的制热量和coP将小幅下降。兼顾系统的热力性能及运行稳定性,当环境温度为-20℃、制热温度为60℃时,较为适宜的混水温度为12～18℃。针对定频co热泵系统无法在宽温度及宽负荷条件下运行的缺点,基于PLC控制技术,提出变频压缩机跨临界co热泵系统。通过理论分析和试验测试,分析了在低温工况下变频对吸气压力、排气压力、输入功率、制热量及coP的影响。试验结果表明:随着频率的增加,压缩机的吸气压力下降,排气压力和输入功率上升;制热量随着频率的增大而增大,但是存在陡升状态点;系统的coP存在最优频率值。兼顾制热量和coP的情况,系统存在最佳调节频率:55～60Hz。采用正交实验的方法,确定气体冷却器进水温度、气体冷却器出水温度、压缩机频率、环境干球温度为因素,确定制热效率coP、系统制热量为水平。测试分析co热泵在低温工况下热力性能,并优化co热泵低温工况下运行参数,为我国寒冷及严寒地区co热泵的高效稳定运行提供实验依据。

关键词： co2热泵低温工况进水温度实验验证热力性能

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全封闭空气能co2热泵干燥系统的研制

江苏农业科学 2016年第7期44卷 403-406页

作者：程同李娟玲杨道龙南京农业大学工学院江苏南京210031

为了达到高干燥温度、节能环保的目的,以co2为工质开发了1台小型带回热器的co2热泵干燥样机。该样机设计为全封闭式结构,含有双蒸发器,通过控制系统控制内外蒸发器的开闭从而达到除湿、节能的目的。以胡萝卜为干燥对象,在该样机上研究co... 详细信息

为了达到高干燥温度、节能环保的目的,以co2为工质开发了1台小型带回热器的co2热泵干燥样机。该样机设计为全封闭式结构,含有双蒸发器,通过控制系统控制内外蒸发器的开闭从而达到除湿、节能的目的。以胡萝卜为干燥对象,在该样机上研究co2工质的参数变化对系统性能的影响、内外蒸发器对系统节能的影响。干燥试验结果表明,该干燥装置方便可控、性能稳定,干燥介质温度可稳定在75℃,coPh(系统能效比)为3.5,SMER(单位能耗除湿量)达到1.03 kg/(k W·h),实际干燥介质最佳投放量为12 kg,为co2热泵干燥装置市场化提供了研究基础。

关键词：空气能 co2热泵干燥数据采集控制

超低温跨临界co2热泵实验与多目标优化研究

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超低温跨临界CO2热泵实验与多目标优化研究

作者：李恩腾浙江工业大学

学位级别：硕士

中国北方地区“煤改电”工程改造时,用户提出在低于-20℃的环境温度供应75℃以上高温热水的需求。基于此,现广泛用于低温工况运行的空气源热泵(ASHP)存在以下两点问题:其一,单级ASHP系统不能满足如此低温的工况需求,蒸汽喷射ASHP系统、... 详细信息

中国北方地区“煤改电”工程改造时,用户提出在低于-20℃的环境温度供应75℃以上高温热水的需求。基于此,现广泛用于低温工况运行的空气源热泵(ASHP)存在以下两点问题:其一,单级ASHP系统不能满足如此低温的工况需求,蒸汽喷射ASHP系统、复叠ASHP系统的运行稳定性较低且投资成本较大,不适用于民用普及;其二,此类ASHP系统所采用的制冷剂普遍是氯氟烃,对环境有一定的负面影响。然而,具有天然环保特性的跨临界co热泵系统对于低温环境下加热高温热水具有性能上的巨大优势,开发超低温跨临界co热泵热水装置对解决高温热水供应具有极大的现实意义。因此,本文搭建了跨临界co热泵在超低温工况下加热高温热水的实验装置,通过在-23.1～-4.4℃的环境工况下加热75℃高温热水,测试了co热泵实验装置的性能。此外,考虑到跨临界co热泵热水器存在较低的经济性和实用性,本文选取典型的超低温工况案例,利用NSGA-II算法对跨临界co热泵热水器的设计进行了多目标优化改进研究。主要开展了以下工作:(1)综合co热泵系统的热力原理、部件设计、经济评估等方面建立了超低温跨临界co热泵系统的数学模型;(2)通过对超低温跨临界co热泵系统的实验研究,在-23.1℃的环境中制取75℃的热水,跨临界co热泵的制热量可高达9.4k W,性能系数(coP)达到1.74。验证了该实验装置在北方寒冷地区提供高温热水的可行性,同时表明其对解决能源短缺与环境破坏问题具有积极有效的作用;(3)结合投资成本、运营成本、环境影响与实用性等指标建立了以年度总经济成本(TRR)和环境排放量(EE)为目标函数的跨临界co热泵多目标优化模型;(4)基于典型的超低温工况案例,利用NSGA-II算法对超低温跨临界co热泵优化模型进行多目标最优化求解,得到了优化后的A、B、C三个设计方案:A方案具有最小的EE(7077.1kg)和占地空间(150L),节能环保性与实用性最高,其中EE较优化前的方案降低了18.6%;B方案的EE和TRR较优化前的方案分别降低了4.36%和11.3%,其综合性最好;C方案的TRR较优化前的方案下降了25.1%,其经济性最佳。

关键词： co2热泵超低温实用性多目标优化 NSGA-Ⅱ

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辐射空调末端及co2热泵的研究

辐射空调末端及CO2热泵的研究

作者：汪琳琳天津大学

学位级别：硕士

近年来,由于建筑能耗增大,环境的污染也日益加剧,其中,传统制冷剂对环境造成的污染成为主要部分。而且,由于生活水平的提高,人们也对空调的舒适性提出了更高的要求。因此,采用新型的舒适性空调末端和节能无污染的空调系统成为人们研究... 详细信息

近年来,由于建筑能耗增大,环境的污染也日益加剧,其中,传统制冷剂对环境造成的污染成为主要部分。而且,由于生活水平的提高,人们也对空调的舒适性提出了更高的要求。因此,采用新型的舒适性空调末端和节能无污染的空调系统成为人们研究的热点问题。本文主要研究的是以辐射换热为主的空调末端和与之匹配的co跨临界水水热泵系统,其中包括地板采暖供热和冷天花顶板供冷。通过数值模拟和实验相结合的方法对其进行研究,为其应用提供了有价值的依据。数值模拟采用CFD软件建立物理和数学模型,在给定的初始条件和边界条件下,对模型内的温度场、速度场和热舒适性进行模拟。模拟中不涉及湿度的调节问题,没有进行计算。在实验方面,只进行了地板采暖的实验,通过对模拟结果和实验结果的对比分析,得出了此种辐射空调末端的优势,证明了其节能和舒适的主要两大优点。此外,以此种辐射空调末端的换热特点为依据,也对co跨临界水水热泵系统进行了模拟,分别对采暖和供冷情况对系统的总体效果进行了分析。包括系统的coP,供水流量,供水温度以及系统换热量之间的关系,并得出结论,将co跨临界循环水水热泵系统用于此种混合型辐射空调,冬夏用一套设备,既能环保,又能达到较高的coP值,节省了能源。最后,为本课题所需要作的进一步的后续研究提出了建议。

关键词：地板采暖冷天花顶板辐射空调末端 co2热泵

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大功率co2热泵热性能研究

大功率CO2热泵热性能研究

作者：林辩启昆明理工大学

学位级别：硕士

co跨临界循环热泵系统具有安全、环保等优点,并具有较高的排气温度,在热泵热水器应用领域具有独特的优势。目前小功率C02热泵热水器在国内外均得到了一定的应用。但受高压压缩机功率、高压节流装置与高压气体冷却容量的限制,国内外对大... 详细信息

co跨临界循环热泵系统具有安全、环保等优点,并具有较高的排气温度,在热泵热水器应用领域具有独特的优势。目前小功率C02热泵热水器在国内外均得到了一定的应用。但受高压压缩机功率、高压节流装置与高压气体冷却容量的限制,国内外对大功率co跨临界循环热泵的研究很少。开发大功率C02跨临界循环热泵热水系统,对促进co跨临界循环热泵工程化应用具有重要意义。在此背景下,本文构建了大功率co跨临界循环热泵热水系统实验装置,系统地研究了大功率C02跨临界循环热泵热水系统的热力性能。为提高高压压缩机功率、高压节流装置容量与高压气体冷却容量以提高C02跨临界循环热泵的制热功率,采用co压缩机并联运行、高压板式气体冷却器、三毛细管并联组合节流等方法,构建了一台名义制热量为175kW、带回热循环的大功率跨临界co热泵热水实验装置。在恒温环境实验室条件下,测试分析了气候参数及运行参数对跨临界循环co热泵热水系统稳态热力性能的影响。测试结果表明：与采用其他工质的热泵热水系统相比,大功率跨临界循环co热泵热水系统的制热温度高,并且制热温度对系统性能系数coP影响较小。为适应C02热泵系统全年运行对工质流量及压降调节的要求,提出了一种三毛细组合节流方法。对大功率跨临界循环co热泵三毛细管并联组合节流进行模拟计算,并对其不同温度工况下的节流特性及热力性能进行实验研究。模拟计算及实验测试结果表明：根据环境温度采用不同的节流模式及调节制热温度,可适应大功率co热泵系统全年运行对工质流量及压降调节的要求,流量及毛细管进出口压降分别可在0.138～0.736kg/s及5.96～8.34MPa之间调节。在低温、中低温、中温、高温环境工况下,毛细管组合节流较适宜的制热温度分别为55～60℃、55～70℃、55～80℃及55～80℃。毛细管组合节流跨临界循环co热泵热水系统具有较优良的高温性能,制热温度90℃时其性能系数可达3.1以上。在温和地区各种典型气候条件下,测试分析了大功率跨临界循环co热泵的运行性能。系统日平均运行性能的测试结果表明,根据气候条件合理地选取运行参数,该系统具有优良的热力性能。系统的制热温度可在60～85℃选取,在环境温度为4.1～27.3℃的气候条件下,其日平均性能系数coP在3.45～4.04之间。此外,将大功率跨临界循环co热泵应用于寒冷地区集中热水系统,运行结果表明其具有良好的低温热力性能。

关键词： co2热泵毛细管组合节流数值模拟实验研究热力性能

跨临界co2热泵的有限时间热力学分析与优化研究

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跨临界CO2热泵的有限时间热力学分析与优化研究

作者：石雪华北电力大学

学位级别：硕士

热泵在空调领域的应用可以降低建筑耗能。采用自然工质co的跨临界热泵循环具有减小臭氧层破坏和缓解全球变暖的作用。但由于跨临界co热泵的供热系数与常规工质相比偏低，因此本文进行跨临界co热泵的有限时间热力学分析与优化研究，探讨... 详细信息

热泵在空调领域的应用可以降低建筑耗能。采用自然工质co的跨临界热泵循环具有减小臭氧层破坏和缓解全球变暖的作用。但由于跨临界co热泵的供热系数与常规工质相比偏低，因此本文进行跨临界co热泵的有限时间热力学分析与优化研究，探讨其性能提高的途径。 co的临界温度低，所以须采用跨临界循环。在给定工况下，进行了跨临界co热泵的热力学第一定律和第二定律的理论分析。研究气体冷却器出口温度、蒸发温度和压比等对热泵整体供热系数的影响以及热泵各部件的损，结果表明：co在超临界状态下的冷却过程，其温度会发生滑移，这与冷却水加热过程中的温度上升匹配，不可逆损失小。改进co压缩机的工作性能是提高系统整体性能的重要途径。实际运行中，还存在很多不可逆性。本文采用有限时间热力学方法，通过模型建立和理论推导，分析内可逆跨临界co热泵的泵热率、供热系数、熵产率、效率及经济性等循环性能指标。指出增加冷、热端传热性能比，或减小热源温差可以减小系统的不可逆损失;热泵系统的供热系数与泵热率有关;不同的传热规律影响系统最大利润率点的产生位置。在最大利润率时，供热系数界限始终存在，且介于可逆界限和有限时间热力学界限之间。本文还建立不可逆量子co热泵循环模型，依照量子主方程和半群方法，得出此量子热泵的输入功率、泵热率、供热系数、熵产率和生态学函数。它们的关系曲线由于热漏的存在，由类抛物线型演变成扭叶形。当放弃较小量泵热率时，循环在很大程度上降低损率，并增大供热系数。这表明跨临界co热泵的生态学优化目标函数既是泵热率和供热系数之间的最佳折中，也是输出率和熵产率之间的最佳折中。通过以上研究，从经典热力学和有限时间热力学等角度，明确了跨临界co热泵的性能提升途径，为跨临界co热泵的应用提供理论依据。

关键词：跨临界 co2热泵内可逆有限时间热力学量子卡诺热泵

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co2热泵单片机控制应用技术研究

CO2热泵单片机控制应用技术研究