太阳能辅助跨临界CO_2热泵系统的理论分析和优化研究

【摘要】：随着氟利昂系列工质的逐渐禁用，以CO_2为工质的跨临界循环在热水器等领域得到了广泛应用。太阳能也广泛使用在热水器领域，如何将二者有机结合，达到优势互补，提高系统效率和节约能源，需要研究。因此本课题进行太阳能辅助跨临界CO_2热泵系统的理论分析和优化研究。 本文分析太阳能与热泵的耦合形式，结合跨临界CO_2热泵的特点，设计了由太阳能集热器、CO_2热泵和储热水箱等组成的太阳能辅助CO_2热泵，系统有三种运行模式：空气源热泵模式，太阳能热泵模式和太阳能模式。 通过建立模型，编制EES程序，对该系统在北京地区冬季运行工况进行计算和分析。结果表明：空气源热泵模式下的性能系数为2.90，太阳能热泵模式为4.97，是空气源模式的1.71倍；低温太阳能热水引起系统蒸发温度、过热度、高压压力和气体冷却器出口温度等变化。系统性能随蒸发温度的增加而增加，且幅度越来越大。随着过热度的增加，压缩机出口温度、热负荷和压缩机耗功都呈线性增加，但对系统性能几乎没有影响。随着高压压力的增加，COPH存在一个峰值，即有最优高压压力的存在。随着气体冷却器出口温度的增加，系统性能下降越来越快，说明循环加热影响较大。对比分析太阳能辅助热泵系统、燃气锅炉和电加热锅炉，虽然太阳能辅助热泵初投资最高，但运行成本最低。 为进一步提高系统性能，对系统进行优化研究。采用FLUENT软件对U型真空管式太阳能集热器进行结构优化模拟分析，研究单管的入口流速、太阳能辐射量和铜管内径对管内温度场和速度场的影响。在循环加热条件下，模拟结果显示水箱存在明显的分层现象，容易造成底部成为加热盲区。在建立跨临界CO_2热泵压缩机、气体冷却器、节流阀、蒸发器的模型后，分析用户侧热水水流量和压缩机吸气过热度的影响。最后提出双热源跨临界CO_2多功能热泵系统，系统由太阳能集热系统、吸附式制冷系统、CO_2热泵系统和辅助换热器组成，可有效发挥各子系统各自优势，高效地供冷、采暖和供热水。 【关键词】：跨临界CO_2热泵 太阳能辅助 性能系数 系统设计 数值模拟
【学位授予单位】：华北电力大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TU833.1
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第一章 绪论10-14
• 1.1 课题背景与意义10-11
• 1.2 国内外研究动态11-13
• 1.2.1 国外研究现状11-12
• 1.2.2 国内研究现状12-13
• 1.3 本课题研究内容13-14
• 第二章 太阳能辅助跨临界 CO_2热泵设计14-24
• 2.1 我国太阳能资源及其分布14-15
• 2.2 系统耦合型式15-17
• 2.3 跨临界 CO_2热泵特点17-21
• 2.3.1 CO_2工质的历史和现状17-18
• 2.3.2 CO_2制冷工质18-20
• 2.2.3 CO_2循环20-21
• 2.4 太阳能辅助 CO_2热泵系统设计21-23
• 2.4.1 空气源热泵模式22-23
• 2.4.2 太阳能热泵模式23
• 2.4.3 太阳能模式23
• 2.5 本章小结23-24
• 第三章 太阳能辅助跨临界 CO_2热泵的性能分析24-35
• 3.1 性能系数计算方法24
• 3.2 系统的性能24-26
• 3.3 系统性能的影响因素26-29
• 3.3.1 蒸发温度对系统性能及压缩机出口温度的影响26-27
• 3.3.2 过热度对系统性能的影响27
• 3.3.3 高压压力对系统性能的影响27-28
• 3.3.4 气体冷却器出口温度对系统性能的影响28-29
• 3.4 投资分析29-33
• 3.4.1 初投资比较29-31
• 3.4.2 运行成本比较31-33
• 3.4.3 综合评价33
• 3.5 本章小结33-35
• 第四章 太阳能辅助跨临界 CO_2热泵的优化研究35-60
• 4.1 U 型真空管式集热器的结构优化35-41
• 4.1.1 引言35
• 4.1.2 FLUENT 模拟35-37
• 4.1.3 结果分析37-41
• 4.2 水箱的结构优化41-44
• 4.2.1 引言41
• 4.2.2 FLUENT 模拟41-42
• 4.2.3 结果分析42-44
• 4.3 跨临界二氧化碳热泵的部件优化44-55
• 4.3.1 建模概述44
• 4.3.2 压缩机模型的建立44-46
• 4.3.3 气体冷却器模型的建立46-50
• 4.3.4 节流阀模型的建立50
• 4.3.5 蒸发器模型的建立50-53
• 4.3.6 模拟结果及理论分析53-55
• 4.4 双热源太阳能辅助跨临界 CO_2热泵55-59
• 4.4.1 引言55-56
• 4.4.2 系统介绍56-58
• 4.4.3 系统的优点58-59
• 4.5 本章小结59-60
• 第五章 结论与建议60-62
• 5.1 结论60-61
• 5.2 今后研究工作建议61-62
• 参考文献62-66
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果66-67
• 致谢67

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