CO2跨临界制冷循环原理及新技术

二氧化碳跨临界循
环制冷
CO 2作为制冷剂的应用历史•CO 2作为最早的制冷剂之一，在19世纪末到20世纪30年代得到了普遍的应用，到1930年，80%的船舶采用CO 2制冷。

•但由于当时采用的CO 2亚临界循环制冷效率低，特别是当环境温度稍高时，CO 2的制冷能力急剧下降，且功耗增大。

•同时，以R12为代表的CFC 或氟氯烃制冷剂的出现，以其无毒、不可燃、不爆炸、无刺激性、适中的压力和较高的制冷效率等特点，很快取代了CO 2在安全制冷剂方面的位置。

•近年来，制冷剂对臭氧层的破坏和全球温室效应等环保问题日益突出，而CO 2跨临界制冷循环的提出，CO 2作为制冷剂开始重新得到重视
•该循环系统的最大特点就是工质的吸、放热过程分
别在亚临界区和超临界区
进行。

压缩机的吸气压力
低于临界压力，蒸发温度
也低于临界温度，循环的
吸热过程仍在亚临界条件
下进行，换热过程主要是
依靠潜热来完成。

但是压
缩机的排气压力高于临界
压力，工质的冷凝过程与
在亚临界状态下完全不同，
换热过程依靠显热来完成。

CO
作为制冷工质的优缺点
2
优点
•良好的安全性和化学稳定性
•具有与制冷循环和设备相适应的热物理性质•CO2优良的流动和传热特性
•CO2制冷循环的压缩比较常规工质制冷循环低缺点
•运行压力高
•循环效率低
带回热器和不带回热器的CO 2跨临界单级循环进行理论分析和实验性能测试
2
•典型的CO 2跨临界单级循环主要由压缩机、气体冷却器、节流阀和蒸发器组成．图1和图2分别给出了CO 2跨临界单级循环原理图和细图．图l 中：低压气态制冷剂经压缩机被压缩成高压气态制冷剂(过程l 一2)，经气体冷却器进行定压放热
(过程2—3)，然后经节流阀进行节流降压(过程3—4)，低压液态制冷剂在蒸发器内进行定压吸热(过程4一1)，最后回到压缩机，从而完成一个循环．
2
•制冷循环增设回热器，可以减小节流损失、增大制冷量，从而提高系统性能．图3和图4分别给出了带回热器
的CO 2跨临界单级循环原理图和细图．
两个循环性能对比分析•图5给出了两个循环COP
随蒸发温度的变化．随着
蒸发温度的增加，两个循
环COP均呈增加趋势，蒸
发温度越高，系统性能越
优；
•在整个蒸发温度变化范围
内，带回热器循环平均性
能要比不带回热器循环提
高4．55％左右；
•对于理想压缩机循环，系
统性能要比实际循环性能
高33．3％以上，但这种
理想循环是不存在的．
•图6给出了两个循环COP 随气体冷却器出口温度的
变化．
•随着气体冷却器出门温度的增加，两个循环COP均呈下降趋势，温度越高，
系统性能越差；
•在气体冷却器出口温度变化范围内，带回热器循环
平均性能要比不带回热器
循环提高5．23％左右．
•两个循环COP 随压缩机排气温
度的变化，见图7．
•在排气温度变化范围内，相同对比条件下，带回热器CO 2跨
临界单级循环系统COP 要高于
不带回热器循环，且带回热器
单级循环排气温度要稍高些．
•无论带回热器还是不带回热器
循环，随着压缩机效率提高，
系统COP 均变大，压缩机排气
温度均有所降低，不带回热器
循环降低幅度较大．
•由图7还可以看出，两个单级循
环都存在一个最优排气温度，
使得在此温度下系统COP 最大，
带回热器循环对应最优排气温
度要高于不带回热器循环最优排气温度．
结论
•(1)在蒸发温度变化范围内，带回热器循环平均性能要比不带回热器循环提高约4．55％；在气体冷却器出口温度变化范围内，带回热器循环平均性能要比不带回热器循环提高约5．23％；相同对比条件下，带回热器CO
跨临界单级循环系统COP高于不
2
带回热器循环的，且带回热器单级循环最优排气温度稍高些．
•(2)两种单级循环的制热量、制冷量、制热COP和制冷COP，均随压缩机排气压力增加存在极值；随冷却水流量、冷冻水流量以及冷冻水进口温度增加而增加，随冷却水进口温度增加而下降．
•(3)相同测试工况下，带回热器循环系统具有较高的性能．其中，制热量和制冷量分别比不带回热器的单级循环平均高约3．33％和5．35％，制热COP和制冷COP分别提高约11．36％和14．29％．
CO2跨临界循环的应用前景与研究
进展
•1、汽车空调
•2、热泵
•3、食品冷藏
•4、循环系统关键设备的研究进展
•1、汽车空调
•过去汽车空调中一般使用CFC12作为制冷工质，这使得汽车空调制冷剂的排放量在所有氟利昂的排放中占有相当大的比例。

为防止对臭氧层的破坏，1994年底，我们开始用HFC134a替代CFC12。

但是，1997年的京都会议中，包括HFC134a在内的6种气体都被认定为温室效应气体。

•直到20世纪90年代，CO2逐渐得到了重视，由于它的诸多优点，它已经被诸多国家作为汽车空调制冷剂进行研究。

•1992年挪威大学的L 和P 等人率先提出了CO 2跨临界循环理论，并成功的试制了世界上第一台轿车空调系统样机。

•德国K 大学的K 等人开展了CO 2工质汽车空调和热泵应用的研究。

他们研究后认为CO 2跨临界循环系统将是21世纪汽车空调中唯一可选的可靠系统。

•美国伊利诺伊大学空调制冷中心的C W Bullard 等人，建立了相应的汽车空调试验台，对系统中回热器的特性及布置特点等进行了研究，并与其他代替工质R134a ，R410a 等进行了比较，得到了较好的结果。

•此外，丹麦的J Holst 等人、美国Purdue 大学的M R Douglas 、Maryland 的YunhoHwang 等人、德国Dresden 大学的H Quack 等人分别对CO 2跨临界循环系统的调节部件、系统中设置膨胀机的特性进行了研究，都表明CO 2跨临界循环用于车辆空调，不仅具有环境方面的优势，而且系统效率也有提高的潜力。

•
•上海交通大学黄东平等建立了超临界CO 2汽车空调循环计算模型，对CO 2汽车空调制冷循环进行了变工况分析，表明压缩机转速越高或气体冷却器空气金控温度越高，CO 2汽车空调工况越恶劣，COP 值越低。

•上海交大陈平江等利用热力学方法对跨临界CO 2系统的排气压力和吸气回热大小进行了优化计算，在此基础上，研制了CO 2压缩机、换热器、贮液器、管组并开发了专用的焓差法试验台。

•2004年12月，有上海交大陈平江教授、陈芝久教授带领的项目组参加的国家级技术创新项目--CO 2汽车空调压缩机及系统开发通过鉴定，该项目的主要研究成果为：成功研制了国内第一套CO 2汽车空调系统样机、测试设备，完成了该样机的实车运行，该项目填补了国内空白。

•2、热泵
•除汽车空调外，它在热泵热水器中也有很大优势，主要体现为：
•(1)在蒸发温度为0℃时，水温可以从10℃加热到60℃，其热泵COP 可达到4.3，比电热水器和燃气热水器能耗降低75％以上
•(2)传统热泵热水器制取热水一般不超过55℃，若要制得较高温热水则制热系数下降；而CO 2热泵热水器由于跨临界循环，在气体冷却器中的换热温差小，换热效率高，且能制得90℃高温热水。

•(3)在商用和住宅建筑的能量需求中，约有1／4—1／3来源于对热水的需求。

采用CO 2热泵为商用和住宅建筑供应热水，可使其总用能量减少20％。

•(4)在寒冷地区，传统空气源热泵的制热量和效率随
环境温度的降低下降很快，
热泵的使用受到限制。

而
热泵系统在低温环境CO
2
下能维持较高的供热量，
大大节约辅助加热设备所
耗费的能量。

•由于CO2跨临界循环在热泵热水器中的独特优势，
国内外许多研究院、高校
跨临和相关企业都对CO
2
界循环系统做了大量深入
的研究工作，特别是CO
2热泵热水器在日本及欧美
等发达国家得到了广泛应
用。

•研究历史：
•挪威SINTEF能源研究所的率先对CO2热泵热水器系统进
行了研究，并获得专利。

第一台商业用途CO
2热泵热水器
是由挪威的Frostmann AS公司开发出来的.
•日本电装公司在2000年生产出第一台商业化的家用CO2热泵热水器。

之后，大金、松下、长富、三菱电机等公司也生产了类似产品。

随后，新产品不断推出。

2006年日本有十几个新机型推出，它们都具有较高的COP值。

•后来日本几家公司联合，于2003年开始共同研究、开发小
型、节省空间一体化且高效的CO
2热泵热水器一J，并于
2005年4月在日本市场上投放。

现在日本市场已有16种不同类型的CO
2
热泵热水器。

•目前，我国广东顺德地区的家电战略联盟企业也在合力攻关“二氧化碳热泵相关技术”的应用研究及产业化。

•3、食品冷藏
•随着我国食品产业的蓬勃发展，食品行业的能源消耗日益加剧。

目前，食品加工厂通常采用两个互相独立的制冷系统和加热系统。

加热系统一般采用燃烧煤等化石燃料来带动锅炉提供热水，造成不可再生能源的浪费和温室气体的释放。

另外，很多制冷系统采用的传统制冷剂会对臭氧层造成破坏，因此CO 2自然工质逐渐受到人们重新重视。

有代表性的是冷热联供CO 2跨临界热泵。

•CO2热泵在食品行业中的应用有以下几个优点：•1、有效节省了能源，而且不造成污染。

•2、它优良的传热与热力学特性，使得整个系统的紧凑性较高，节省了食品加工房的空间。

•但它还存在以下技术瓶项：
•(1)CO 2压缩机的生产商虽然有生产CO 2半封闭式活塞式压缩机的意大利OFFICINE MARIODORIN 公司，开发CO 2单级螺杆压缩机的日本MYCOM 公司以及开发C02涡旋式压缩机的日DENSO 公司，但价格昂贵，国内还没有出现相关产品。

•(2)CO 2换热器的设计困难。

首先，目前对CO 2工质流动和换热特性的研究尚不成熟，没有通用的经验关联式，给高效换热器的设计带来了不便。

其次，CO 2换热器要有一定的承压能力，设计时要保证食品安全性
•4、循环系统关键设备的研究进展
•制冷压缩机
•制冷压缩机对整个系统的效率和可靠性影响最大。

衡量压缩机工作性能的指标有指示效率和容积效率，压缩过程的指示效率和容积效率主要与气阀和气腔的压力损失、汽缸泄露、气体与汽缸传热等因素有关。

•由于跨临界系统发展较晚，同时工作压力很高，压缩机设计中存在一定的难度。

国外有意大利公司开发的半封闭式活塞压缩机已开始批量生产，包括双缸单级和两级活塞压缩机。

瑞士的苏黎世大学对应用在家庭热水器上的半封闭小型无油活塞式压缩机进行了开发研究；日本设计开发了摆动活塞压缩机，用于冷媒热水器和汽车空调。

•国内对跨临界循环技术的研究也已经开始，但起步相对较晚，且大多数以理论分析为主。

比如西安交通大学、长沙铁道学院等对跨临界循环系统进行了理论分析和研究但有关压缩机的研究，目前的报道还较少。

•气体冷却器
•制冷循环中的散热由气体冷却器完成。

在气体冷却器中，二氧化碳工作在超临界状态下，始终处于气态，并不发生一般冷凝器中的冷凝液化过程。

受二氧化碳物性的制约，空气冷却器中制冷剂侧压力很高；另外，由于二氧化碳处于超临界状态，出口温度独立于出口压力，使它可以有较大的压降。

因此，制冷剂侧往往设计成较大的流量密度和较小的管径。

•目前已经研制出“平行流”空气冷却器，由积液管，平行微管以及微管间的空气肋片组成。

这种换热器管径更小，换热强度更高，结构更为紧凑，具有较大的潜力。

•蒸发器和中间热交换器•由于物性特点，二氧化碳汽车空调系统用蒸发器的
发展也是一个管径越来越
小、流量密度越来越高、
换热系数越来越大的过程。

与气体冷却器类似，最初
的蒸发器也是从圆管平肋
片式逐步发展到铝制“平
行流”式换热器，也是由
积液管、平行微管和微管
间的空气肋片组成，所不
同的是，蒸发器制冷所需
的微管数较气体冷却器多。

•系统的中间热交换器采用逆向双管系统，内管通过
压缩机吸气管前面的蒸汽，外管流过气体冷却器出口
气体。

美国伊利诺伊大学
一教授等曾对中间换热器
的影响进行肋研究。

日本
三电公司则将中间换热器
与储液器做成一体，以便
于汽车安装。

•膨胀机
•由于将膨胀机回收能量作为压缩所必需能量的一部分来加以利用的话，制冷循环的COP在双重意义上得以提高，而且在膨胀过程中，循环中的节流损失能量与氟利昂冷媒循环中的节流损失能量相比相当大。

因此，在跨临界循环中，减少节流损失对提高循环性能至关重要。

•将膨胀机应用于制冷系统，回收膨胀功的方法由于有：
•1、将发电机与膨胀机的输出轴连接，灵活应用其电力。

•2、将膨胀机的输出轴与压缩机驱动轴连接，作为压缩动力的一部分。

•3、将膨胀机和压缩机做成一体结构，不向外部输出膨胀压力，回收作为压缩动力的一部分加以利用。

•与压缩机类似，膨胀机形式有往复式、叶片式、涡旋式、螺杆式等。

对于CO 2膨胀机采用哪种形式最适合的理论性答案至今还未得出，今后恐怕也得不到。

结果可以预测，像压缩机一样，发挥各自的长处，各种形式的膨胀机与相应的高效压缩机的最佳匹配的实现。

国外开发有英国CITY 大学研制了CO 2制冷循环的螺杆式压缩膨胀一体机。

系统的节流过程以膨胀机代替节流阀，膨胀机输出的功供给压缩机使用。

国内西安交通大学压缩机研究所较早开始了对于CO 2跨临界制冷系统的研究，并于2003年与美国的联合技术公司展开合作研究，建立了CO 2跨临界制冷系统试验台，研制出自由活塞式滑片式两种膨胀机—压缩机组，并正在对CO 2压缩机进行研究及开发。

其它附件研究：
•节能器
•为避免CO 2跨临界
循环运行因高低压差增大而导致压缩过程偏离等熵过程太远，减小CO 2跨临界循环系统损失，提高系统性能并降低系统成本，可以采用带节能器的CO 2跨临界制冷循环。

•研究发现，不同于传统工质带
节能器制冷循环的补气压力介
于系统高压和低压之间，带节
能器CO 2跨临界制冷循环的补
气压力应介于临界压力和低压
之间；其制冷系数与膨胀机效
率为0. 6 的系统性能相当；制
冷性能随蒸发温度的升高而提
升，随气体冷却器出口温度的
升高而降低；相对补气压力对
系统性能的影响较大，当相对
补气压力为0. 9 ～1. 1 时制冷
性能较高，在较低蒸发温度下
降低压缩机排气温度的优势明
显.
•喷射器
•研究人员发现在CO 2跨临界循环系统中引入喷射器，代替节流阀回收一部分膨胀过程中的压力能，不仅解决了节流损失大的问题，也提高了压缩机的吸气压力，降低了压比，节省了压缩机的输入功，提高了压缩机的等熵效率，而且该循环还降低了蒸发器的压降，增大了蒸发器的换热系数，且使换热流体分布更均匀．因此，喷射器的引入有效地提高了CO 2跨临界循环的效率，对于同家提倡的节能减排方针政策具有非常重要的意义。

•喷射器是蒸气压缩/喷射制冷系统的关键部件,它通常由4部分
组成:喷嘴及吸收室、混合段、
喉部和扩压段.在喷射器中,高温、高压的工作流经主喷嘴降压升
速,实现势能向动能的转化,主喷
嘴出口的高速工作流体不断地
卷吸携带走引射流体.混合流体
进入扩压段后,动能又被转化为
压力势能.因此,喷射器的作用是:
回收一部分膨胀过程的动能,利•用它提高压缩机入口压力,降低压比,从而节省压缩机输入功;通
过降低膨胀阀的入口压力来降
低膨胀过程的节流损失.
结语
•CO 2是天然制冷剂，无毒、无味、不可燃，具有环境友好性和优良的热物理特性，在空调制冷系统中有着其它制冷剂无可比拟的优势。

尤其是在跨临界循环中，使用回热器以及用膨胀机代替膨胀阀可以大幅度提高CO 2制冷循环的性能系数，以便替代其它工质，达到工业应用的要求。

除应用在复叠式制冷系统中外，跨临界循环还可以应用到汽车空调、热泵和联合循环中。

但是跨临界CO 2制冷循环较高的压力和压差所带来的泄漏摩擦问题和强度设计问题，需要我们的进一步研究，目前国内外正积极进行这方面的开发工作，同时系统效率有望进一步得到提高。

•刘鹏010720111•涂强010720219•吴昌博010720228•魏嵩010720216•仲冰玉010720103。