Estado de la investigación sobre calentadores de agua con bomba de calor de dióxido de carbono
En China, Ding Guoliang y otros de la Universidad Jiao Tong de Shanghai llevaron a cabo una investigación de simulación sobre aires acondicionados de CO2 para automóviles. ¿caballo? ¿y? Se estudió la configuración óptima del expansor en un sistema de refrigeración transcrítico de CO2 de compresión de dos etapas. Yang realizó un análisis termodinámico y una comparación de tres formas de ciclo diferentes de un sistema de refrigeración transcrítico de CO2 de compresión de dos etapas con un expansor, y obtuvo la configuración óptima del expansor en el sistema de refrigeración de CO2 de compresión de dos etapas.
Estado de la investigación sobre el mecanismo de expansión del CO2
1) Expansor de pistón
De 65438 a 0994, el profesor Heyl P y el Dr. Gaga de la Universidad de Dresde, Alemania Comenzó a desarrollar un expansor del ciclo de CO2 transcrítico. ¿Ey? El compresor de expansión de pistón libre de primera generación desarrollado por el Profesor P y el Dr. H (1999) adopta una estructura simétrica de doble efecto con dos cilindros de expansión y dos cilindros de compresión. Los resultados de las pruebas en la plataforma experimental de refrigeración con CO2 muestran que, en comparación con un sistema con válvula de mariposa, el COP de este sistema se puede aumentar en un 30%. Nickl (2002) presentó el compresor de expansión de pistón libre de segunda generación en su artículo publicado. Al agregar un balancín de doble brazo, el pistón expansor y el pistón del compresor se mueven a diferentes velocidades, resolviendo así el problema de que el pistón expansor y el pistón del compresor de primera generación deben funcionar sincrónicamente, lo que reduce la pérdida de eficiencia y el rendimiento del sistema es mejor que eso. de la generación de pistón expansor y pistón compresor de primera generación aumentó en un 10%.
El compresor de expansión de pistón libre de tercera generación desarrollado por Nickl et al (2003) adoptó una vez más el principio de expansión a presión total de la primera generación, pero a través de la expansión de tres etapas, se logró recuperar el trabajo de expansión. mejorado y la pérdida de eficiencia. Gaga et al. (2004) realizaron con éxito experimentos principales en el prototipo de compresor de expansión de tercera generación. El experimento demostró que el mecanismo de control del expansor es completamente factible y también verificó que el aceite lubricante transportado por CO2 puede satisfacer las necesidades de lubricación de la máquina sin la necesidad de un sistema de lubricación adicional. Nickl (2005) dio el diagrama P-V del prototipo y estimó que la eficiencia isentrópica del expansor alcanza el 65%-70% y la del compresor supera el 90%.
Li et al. (2000) realizaron un análisis termodinámico de diferentes dispositivos de expansión en el sistema de circulación de CO2 y propusieron el uso de expansores de espiral y de pistón para reducir las pérdidas por estrangulamiento. BaekS (2002) transformó un motor comercial bicilíndrico de cuatro tiempos en un expansor de pistón, y la apertura y el cierre del puerto de succión y del puerto de escape se controlaron mediante válvulas solenoides rápidas.
Los resultados experimentales muestran que la eficiencia isentrópica del expansor es de aproximadamente 65,438+00%, y el COP del sistema de refrigeración de CO2 se puede aumentar entre un 7% y un 65,438+00%. BaekS (2005) estableció un modelo matemático detallado para el expansor de pistón y analizó el prototipo a través de este modelo.
2) Expansor scroll
Preissner (2001) y HuffJ (2003) transformaron dos compresores scroll semiherméticos R134a en expansores de CO2. La altura de la placa móvil del prototipo I se redujo a 1,7 mm, mientras que la altura de la placa móvil del prototipo II se mantuvo sin cambios en 14 mm. Sin embargo, debido a las grandes fugas internas, la máxima eficiencia isentrópica y la eficiencia volumétrica del. En el prototipo yo era sólo el 28% y el 40%. Para el prototipo II, debido al mayor volumen de trabajo del expansor, la influencia de la fuga interna se debilita y su rendimiento es mayor que el del prototipo I. La eficiencia isentrópica máxima y la eficiencia volumétrica son 42% y 68% respectivamente. Yanni D (2004) también estudió teóricamente el expansor de espiral de CO2, propuso el esquema de diseño y el método de recuperación del trabajo del expansor de espiral de CO2 y predijo que su pérdida por fuga sería de aproximadamente el 20% y su pérdida por fricción sería de aproximadamente 65,438 + 05%. la eficiencia total puede alcanzar alrededor del 72%.
3) Expansor de rotor rodante
Wei Dong, Zha Shitong y Guan de la Universidad de Tianjin han desarrollado y estudiado sucesivamente expansores de rotor de CO2. Weidong desarrolló el expansor de pistón rodante D3ER1.0 de primera generación. Los experimentos preliminares muestran que el prototipo del expansor puede funcionar con normalidad. Basado en la primera generación, Cha Shi Tong desarrolló el expansor de pistón rodante D3ER2.0 de segunda generación. Al agregar cojinetes de agujas para reducir la fricción interna del expansor, el generador y el expansor se combinan en uno para evitar fugas externas. Li Minxia mejoró aún más el expansor D3ER2.0 para convertirlo en un nuevo expansor de pistón rodante de placa deslizante, modelo D3ER2.1, y cambió el sello de línea a un sello de superficie, que teóricamente puede reducir las fugas en un 50%. Además, Li Minxia también diseñó y desarrolló el expansor de rotor oscilante D3ESW1.0, que combina el pistón rodante y la placa deslizante en uno para reducir las fugas internas del expansor. Los resultados de las pruebas de prototipo muestran que la eficiencia de D3ER2.1 y D3ESW1 es 33%-44% y 35%-47% mayor que D3ER2.0 respectivamente. Sobre la base de investigaciones previas, Guan diseñó y desarrolló un compresor de expansión de rotor oscilante y probó que la eficiencia del expansor y del compresor en el prototipo era de 30%-50% y 60%-80% respectivamente.
4) Otros expansores
Stoschi (2002) de la London City University estudió teóricamente el compresor de expansión de doble tornillo de dióxido de carbono. Los rotores del expansor y del compresor están conectados a través de un eje y colocados en dos cavidades independientes para evitar fugas internas del fluido de trabajo. Con esta configuración, la carga axial del compresor de expansión se puede compensar completamente y la carga radial es inferior al 20%.
Fukuta (2003) estudió un expansor de veletas. Los resultados de la simulación del modelo matemático establecido muestran que las fugas son el factor principal que afecta el rendimiento del expansor de paletas y que el impacto de la transferencia de calor es relativamente pequeño. El modelo predice que la eficiencia general del expansor de paletas es del 20% al 40%, y aumenta al aumentar la velocidad. El prototipo de bomba de paletas de CO2 modificado a partir de una bomba de paletas tiene una eficiencia total del 43 % en condiciones de trabajo de presión de entrada de 9,65438 ± 0 MPa, temperatura de 40 °C y presión de salida de 4,65438 ± 0 MPa. Fukuta (2006) desarrolló un prototipo de compresor de expansión de paletas deslizantes en el que la parte del compresor se utilizaba como compresor secundario para el ciclo de CO2. Los resultados experimentales muestran que el rendimiento del compresor se ve afectado principalmente por la diferencia de presión antes y después del compresor y la velocidad de rotación.
¿MIEE del Reino Unido? Driver Company mejoró el compresor de expansión de paletas ordinario y solicitó una patente.
5) Otros equipos de expansión
Li estableció un modelo de mezcla isobárica del eyector en 2006 y además estableció un eyector de flujo de dos fases y el correspondiente modelo de sistema de circulación de CO2. Los resultados del cálculo muestran que la eficiencia isentrópica de la boquilla principal es del 95%, mientras que la eficiencia isentrópica de la boquilla auxiliar es muy baja, solo el 26%.
Tdell (2006) estudió el expansor del impacto del CO2. Actualmente, la eficiencia de dichos expansores es muy baja. La eficiencia isentrópica de la boquilla es sólo del 60% y el trabajo que se puede recuperar sólo representa alrededor del 20%-30% del trabajo de expansión isentrópica.
Estado de la investigación del compresor de dióxido de carbono
1) Compresor de pistón
Durante 1998, Süβ y Kurse estudiaron el compresor de pistón de CO2 abierto producido por la empresa Bock y un Compresor de CO2 de plato cíclico producido por Danfoss A/S.
La empresa Dolin demostró el compresor de pistón de CO2 semihermético desarrollado en la Expo IKK de 1998, que incluye un compresor de una etapa y un compresor de dos etapas. La Universidad de Zurich en Suiza ha desarrollado un pequeño compresor de CO2 de pistón semihermético sin aceite para calentadores de agua domésticos.
Nesk et al. estudiaron la compresión de pistón de CO2 semicerrado de dos etapas. Los resultados de la prueba muestran que cuando la velocidad de rotación es de 1450 r/min, la eficiencia máxima y la eficiencia isentrópica alcanzan 0,8 y 0,6 respectivamente, y su rendimiento es mejor que el rendimiento a baja temperatura de la compresión de una sola etapa.
La Corporación Japonesa Denso cooperó con la Universidad de Shizuoka para desarrollar un compresor de CO2 de pistón, probó el prototipo y lo comparó con los resultados del cálculo teórico. Se encontró que el efecto de sellado del anillo del pistón es muy bueno, pero la prevención de fugas a través de la válvula tiene un gran impacto en la eficiencia del compresor con un volumen de trabajo relativamente pequeño.
Chen Jiangping de la Universidad Jiao Tong de Shanghai y Shanghai Yichu General Motors Co. desarrollaron conjuntamente un compresor de dióxido de carbono de plato cíclico para vehículos y realizaron una serie de estudios.
2) Compresor de pistón rodante y compresor de pistón oscilante
La empresa japonesa Sanyo ha desarrollado un compresor de pistón rodante de CO2 de dos etapas completamente cerrado. Este diseño del circuito de gas hace que la presión en la carcasa sea igual a la presión de escape del primer nivel, que es de aproximadamente 5-6 MPa, lo que reduce las fugas entre la cámara de trabajo del compresor y la cavidad de la carcasa y ayuda a mejorar la eficiencia del compresor. Se informa que a una frecuencia de funcionamiento de 50-80 Hz, la eficiencia adiabática máxima puede alcanzar más de 0,8.
La empresa japonesa Daikin diseñó y desarrolló un compresor de CO2 de rotor oscilante. Según una investigación realizada por Daikin Corporation de Japón, debido a la pequeña excentricidad del compresor de rotor oscilante de CO2, los requisitos de resistencia de diseño son equivalentes a los del compresor R410A, aunque su diferencia de presión de funcionamiento es mayor.
Hubacher y Groll probaron un compresor rotativo de dióxido de carbono de dos etapas completamente cerrado. Los resultados muestran que el rango de relación de presión es de 1,5 a 5 y la eficiencia volumétrica es de 0,78 a 0,9. Dreiman y Bunch desarrollaron un compresor rotativo de CO2 completamente cerrado. Yokoyama et al. desarrollaron un compresor de CO2 de rotor rodante con compresión de dos etapas y suministro de aire entre etapas para sistemas de bomba de calor y realizaron estudios experimentales. En condiciones de alta relación de presión y baja velocidad, el compresor de CO2 de compresión de dos etapas es superior al de una sola etapa en términos de eficiencia y capacidad de calefacción.
En China, Qing'an Refrigeration inició una investigación detallada sobre compresores de CO2 de rotor rodante en 2004. El trabajo principal se centra en el diseño estructural general del compresor, el diseño de confiabilidad del sistema de rodamientos, el diseño del sistema de suministro de aceite, el diseño de resistencia estática y dinámica de los componentes, el diseño resistente al desgaste de componentes clave, la investigación y el análisis del contenido de aceite de funcionamiento del compresor y el aceite lubricante. evaluación y materiales de componentes, diseño de motores, investigación de esquemas de control de tracción de motores de CC de bobinado concentrado, diseño de controladores y tecnología de fabricación. En 2008, se desarrolló un prototipo con una eficiencia volumétrica de 0,75%-0,91% y pasó el experimento de evaluación de confiabilidad.
3) Compresor scroll
La empresa japonesa Denso ha desarrollado un compresor scroll de CO2 para calentadores de agua con bomba de calor de CO2.
Basado en el compresor scroll 410A, la japonesa Panasonic rediseñó el scroll y la carcasa y desarrolló un prototipo de compresor scroll de CO2. Los resultados experimentales del prototipo muestran que la eficiencia volumétrica y la eficiencia adiabática del compresor aumentan con el aumento de la velocidad de rotación. En el rango de frecuencia de funcionamiento de 34,6 a 48,2 Hz, la eficiencia volumétrica está entre 0,72 y 0,86 y la eficiencia isentrópica está entre 0,43 y 0,47. Mitsubishi Heavy Industries de Japón también ha desarrollado un compresor scroll para calentadores de agua con bomba de calor de CO2. La eficiencia adiabática del compresor puede alcanzar 0,76. Yano y Nakao también desarrollaron un compresor scroll de dióxido de carbono de gran capacidad.
4) Compresor de paletas deslizantes
La Universidad de Maryland en Estados Unidos y la Universidad de Shizuoka en Japón han cooperado para realizar investigaciones teóricas sobre compresores de paletas de CO2, incluida la viabilidad, la temperatura de la cámara de compresión y presión, etc. Análisis de parámetros clave, estimación de eficiencia volumétrica y eficiencia indicada, tensión de pala, etc. Se descubrió que la pérdida por fugas era el principal factor que afectaba la eficiencia del compresor. Además, se analizan el compresor de CO2 de paletas de compresión de dos etapas y el compresor de expansión de paletas.
5) Compresor de tornillo
La empresa japonesa Maycom ha desarrollado un compresor de tornillo de una sola etapa de CO2. La unidad diseñada se utiliza tanto para refrigeración como para calefacción. El CO2 descargado por el compresor se utiliza primero para calentar agua caliente y luego para enfriar después de la estrangulación. La City University del Reino Unido ha desarrollado un compresor de expansión de tornillo para CO2.
Estado de la investigación de los intercambiadores de calor de dióxido de carbono
De 65438 a 0998, Pattersen de NTNU en Noruega desarrolló un intercambiador de calor compacto para sistemas de CO2 en el que se utilizan múltiples placas para formar tubos de transferencia de calor. , y estas placas se extruyen en microcanales.
Schonfeld y Kraus realizaron cálculos teóricos y estudios experimentales sobre la transferencia de calor de fluidos supercríticos y descubrieron que los resultados calculados eran superiores a los valores experimentales, lo que indica que los fluidos supercríticos no se pueden calcular con precisión utilizando métodos convencionales de transferencia de calor por convección. . Dang y Hiara también hicieron el trabajo anterior, compararon varias correlaciones y establecieron una nueva correlación basada en la ecuación de Pilta. El error entre los resultados calculados y los resultados experimentales es del 20%. Hihara y Tanaka, de la Universidad de Tokio, llevaron a cabo una gran cantidad de experimentos sobre la ebullición de fluido CO2 a alta presión. Dado que el fluido en el evaporador implica una transferencia de calor de dos fases, el patrón de flujo del fluido tiene una gran influencia en la transferencia de calor. Pattersen de NTNU en Noruega llevó a cabo un estudio experimental sobre el patrón de flujo de ebullición a baja presión del fluido de CO2 en un microcanal, proporcionó un diagrama de patrón de flujo y midió la caída de presión del flujo de evaporación de CO2. Grol y Kim realizaron estudios teóricos y experimentales sobre el efecto de la sequedad del fluido de CO2 sobre el coeficiente de transferencia de calor de los tubos horizontales. Cuando el fluido de CO2 se convierte completamente en vapor, el coeficiente de transferencia de calor cae rápidamente y el efecto de transferencia de calor es deficiente. Choi realizó estudios experimentales sobre la evaporación y la transferencia de calor de fluidos de CO2 en tubos verticales. Se encontró que en el área de baja sequedad, el coeficiente de transferencia de calor aumenta con el aumento de la sequedad. Cuando la sequedad excede un cierto valor, el coeficiente de transferencia de calor disminuye rápidamente. Kim et al. llevaron a cabo una investigación teórica y experimental sobre el evaporador de microcanales multicapa de CO2 y el modelo teórico concordó con el experimento. Kulkarmi et al. estudiaron cómo eliminar la falta de uniformidad de sequedad en cada canal de un intercambiador de calor de microcanales de CO2.