吕 静1 李 果1 赵琦浩1 张继凯 赵德鹏

(1 上海理工大学环境与建筑学院 上海 200093； 2 北京凯昆广胜新能源电器有限公司 北京 101300)

CO2作为一种纯天然制冷剂工质，在气体冷却器放热过程中存在较大的温度滑移，这与水加热时温度升高相吻合，可以减少由温差引起的传热不可逆损失[1]，在热泵热水器上得到了广泛应用。日本早在2001年就将CO2热泵热水器投放到市场，成为热水器市场的主流产品[2]，而国内对CO2热泵的研究进展较慢，至今仅有一些实验台和原型机等，主要集中于天津大学、西安交通大学和上海理工大学等高校[3-7]。许多学者对CO2跨临界循环的系统性能优化进行了大量研究，但实验中CO2热泵热水器还存在一个突出问题：在名义工况[8]下出水温度往往不能达到设计温度[6-7，9]，或达到了出水温度但系统COP偏低。文献[7]中设计工况下出水温度只能达到48.51 ℃，文献[3]中的系统COP<3。姜云涛等[3,6]通过实验发现为了制取高温热水，需要将水和制冷剂的流量比降至很低，此时CO2充注量是一定的，出水量往往达不到设计要求。本文主要分析CO2工质在气冷器中的换热过程，研究影响CO2热泵热水器出水温度的主要因素，提出保证名义工况下出水量和出水温度的优化方法。

1 CO2气冷器热力性能的理论分析

1.1 CO2的特殊物性

从专业制冷剂软件refprop8.0调用CO2的物性参数，图1所示为6～14 MPa压力下，CO2的定压比热容cp随温度的变化。由图1可知，在一定压力下，CO2的cp随温度的升高呈先增大后减小的趋势，其峰值点对应的温度即为该压力下的准临界点温度，在±10 ℃温度区间内，cp明显高于其它温度区间，定义为准临界区间。随着压力的升高cp的峰值也呈现先增大后减小的趋势，在临界压力为7.38 MPa下存在极大值。

图1 CO2定压比热容随压力和温度的变化Fig.1 Variation of cp for CO2 with pressure and temperature

图2所示为准临界点温度和平均定压比热容cp,m随压力的变化。由图2可知，随着压力的升高，CO2的准临界点温度逐渐升高。……