CO2跨临界循环在热泵热水器中的应用研究

CO2跨临界循环在热泵热水器中的应用
（郑州轻工业学院机电工程学院）
摘要全球正面临着严重的温室效应和臭氧层破坏问题，各国都致力于研究出氟利昂的替代制冷剂。

CO2是一种天然工质，它优于其它常用制冷剂的性能表现正好符合现在的环境要求，是热泵热水器系统最具潜力的替代工质之一。

分析目前市场上出现的各种热水供应设备，将CO2和其他制冷剂做性能比较，给出了CO2跨临界循环的典型流程和特点；对CO2跨临界特性、设备的开发以及循环的可靠性和安全性进行综合分析。

说明CO2跨临界循环在热泵热水器中应用的优越性，以及该技术在国内的应用前景和方向。

关键词二氧化碳跨临界循环热泵热水器
A Study on The Application of CO2 Transcritical Cycle in
Heat Pump Water Heater
(College of Mechanical and Electrical Engineering in Zhengzhou University of Light
Industry)
Abstract We are facing serious whole world green-house effect and the ozone layer destroyed in recent years, every country is focusing on the research of a replaced refrigerant of the HFC.CO2is a natural substance, it has a more excellent performance than the other refrigerants, which is competent for the enviromental request nowadays. So it can be the most potential refrigerant in heat pump water heater to replace the HFC. By analysing a series of devices, providing hot water, saled in the markets, and comparing CO2 with the the other refrigerants, this article tells the typical diagram and the characteristic of the CO2transcritical cycle and anlyses the properties of CO2refrigeration transcritical cycle, the equipment exploitation and the security and reliability of the CO2transcritical system.The aim is to introduce the superiority of the application of CO2 transcritical cycle in heat pump water heater, and tell us the potentiality and the direction of CO2 transcritical cycle technology in China. Keywords CO2 transcritical cycle heat pump water heater
0前言
二氧化碳作为制冷剂已经超过100年。

自上世纪30年代碳氟类制冷剂的出现之后，二氧化碳曾经一度退出制冷舞台，直到上世纪90年代末期，在
环境保护的背景下再次受到关注，特别是跨临界循环技术的突破，使二氧化碳作为制冷剂重新登场。

采用二氧化碳作为制冷剂的热泵热水器也有了较大的发展，因为它与其他型式的热水器以及常规制冷剂的热泵热水器比，有许多优点。

首先是它使用了环保的自然制冷剂，对大气臭氧层无破坏作用，温室效应很小，是R410A的1/1730,R22的1/1700，R407C的1/1600，R134A 的1/1300。

其次，它的跨临界热泵循环制热性能系数高，目前产品的实际值已达到4.9以上。

第三，它的出水温度高，可达到90℃，特别适用于热水器各种温度的需要。

而常规制冷剂的热泵热水器只能达到55℃左右。

第四，有效利用夜间低价的低谷电力，将制取的热水保存在贮水箱中，供全天24小时使用，显著降低运行费用。

我国对二氧化碳热泵热水器还处于研发阶断段, 在市场上还没有国产的二氧化碳热泵热水器和二氧化碳压缩机的产品销售。

日本是二氧化碳热泵热水器走向实用化最快，也是最成功的国家。

美国、娜威、丹麦、瑞士等国也在积极开展这方面的技术研究，并已应用在商用和军用领域。

1跨临界CO2热泵热水器的原理和特点
CO2的临界温度很低，为31.1℃，故CO2 热泵系统一般采用跨临界循环。

CO2热泵系统主要由4部件构成:压缩机,气体冷却器,节流装置和蒸发器。

CO2采用跨临界循环的流程与普通的蒸汽压缩式制冷循环略有不同，其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，换热过程主要靠汽化潜热来实现，这与普通的蒸汽压缩式制冷循环相同；但是压缩机排气压力高于临界压力，CO2在高压侧的换热是在超临界区域进行，通过显热来实现，这与亚临界状态下的冷凝完全不同，因此高压换热器不再称为冷凝器，而称为气体冷却器。

采用跨临界循环是CO2循环中最为常见的循环方式。

跨临界CO2热泵热水器的原理图和T-S图如图1所示。

从T-S图上我们可以看到：（1）1-2是等熵压缩过程。

与常规制冷剂相比，CO2跨临界循环的压缩比较小，约为2.5~3.0，可以提高压缩机的运行效率，进而提高系统的性能系数。

（2）2-3为气体冷却器的放热过程，该过程曲线和冷源温度线之间的温差近似相等，蒸发器的吸热过程4-1和热源温度线是平行直线, 它们之间的换热是在等温差下进行。

因此，这一CO2热泵循环是一个特殊的劳伦曾循环。

可以减少高压侧不可逆传热引起的能量损失,有利于提高循环系统的COP。

（3）一般情况下流出气冷器的CO2会流经一个内部换热器，造成一定的过冷度，从而减少节流损失。

（4）另外由于系统的运行压力高，这对系统材料的强度、密封和管道连接等方面的要求更苛刻。

图1 跨临界CO2热泵热水器的原理图和T-S图
2CO2热泵热水器与常规热泵热水器比较
市场上常见的热泵热水器大多采用R22、R134a和R407c作为制冷剂，采用亚临界循环。

这种条件下要得到较高的水温，则冷凝温度趋近该制冷剂的临界温度，使得制热系数下降，因此该类热泵热水器制取的热水温度一般不超过55℃。

而CO2热泵热水器，采用单级压缩系统即可达到80℃以上的热水温度；其次，气体冷却器中较大的温度滑移和水的温升过程相匹配，减小了由于温差传热导致的不可逆损失，可以提高换热器效率。

与传统亚临界蒸汽压缩式制冷循环不同，跨临界CO2制冷循环的高压侧压力存在一个使系统性能系数最大的最优值。

不同的结构和运行条件下，都有着相应的最优排气压力，如果实际运行工况下的排气压力与该工况下的最优排气压力相等或接近的话，整个系统的COP值能等于或接近于最大值，系统在较高的效率下运行。

1994年，挪威SINTEF能源研究所的G1Lorentzen与Neksa Petter等人率先对CO2跨临界循环在热泵上的应用作了理论和实验上的研究。

他们制作了CO2热泵热水器样机，并对样机进行性能测试，结果进一步证明了CO2热泵热水器在0℃的蒸发温度下，把水从9℃加热到60℃时热水器样机的COP值高达4.3，其能量消耗比电或燃气系统降低了75%，并且可以提供90℃的高温热水。

奥地利的Rieberer对整个系统进行模拟计算，结果表明：将10℃的水加热到60℃时，CO2热泵热水器的COP值为4.6，比R134a热泵热水器高出15%。

3采用CO2跨临界循环热泵热水器对主要设备的要求 鉴于CO2本身特殊的热力学性质，采用跨临界循环的热泵热水器对设备主要是压力安全性要求。

3.1压缩机
与常规的制冷压缩机相比，跨临界循环中CO2压缩机的工作特点是：压力更高、单位容积制冷量更大、压缩比更小、排气压力更大，这就要求压缩机在设计和制造过程中，要满足强度要求，尽量减少磨损和泄漏，以及解决超临界状态下的润滑问题。

由于双级压缩机不但可以使系统更紧凑、灵活，而且可以减小压差，减小泄露和机械损失，同时能够提高系统效率，因此它将是未来CO2压缩机的一个发展方向。

3.2换热器
CO2热泵热水器中的换热器主要有两类，即蒸发器和气体冷却器。

空气源蒸发器与常规空调器的室外侧换热器相似，是铜管套铝片的形状；水源蒸发器则采用套管式和壳管式。

气冷器的工作压力很高，空气源热泵系统高压侧最高允许压力可达到14MPa，一般也能达到8MPa，故在材料选用和结构设计上要考虑能承受较高的压力。

为了能够承受较高的排气压力，气体冷却器通常做成盘管式。

由于CO2的定容比热大,采用的管径可以取得相对较小(18/15mm)。

同时小管径有利于承受较高的压力。

制冷剂和水采用逆流换热，为了安全运行，CO2在小管内流动，水在大管内流动。

无论选用哪种形式的换热器，强化传热、减小换热温差和缩小换热器体积，对提高热水器的节能、节材和缩小热水器的体积都有重要作用。

3.3节流装置
为了提高CO2热泵系统的节能性能，采用膨胀机取代节流机构。

Masaru Matsui等研究了两级滚动活塞式膨胀机试验和仿真。

结果表明，带膨胀机(效率60%)的热泵能比无膨胀机的热泵提高性能6%。

由于气体冷却器出口端与蒸发端的压差较大，因此降低膨胀部分的损失是提高系统效率的有效途径。

利用膨胀机的输出功率驱动压缩机完成压缩过程，设计能胜任两相膨胀的高效率的膨胀机，就成了另一个重要的、需要突破的关键问题。

4结束语
CO2是一种对环境无害的环保制冷剂，安全、无毒、不燃烧，与润滑油和金属、非金属材料不起反应，高温下也不会分解成有害气体；CO2热泵热水器还可以提供高达90℃的高温热水；同时，CO2热泵循环具有优良的节能性能，COP可以达到与常规热泵系统相当甚至更高的水平。

因此它在热泵热水器方面的应用具有其他工质所无法比拟的优势。

特别是日本的住宅用和商用二氧化碳热泵热水器市场的快速增大，证明了这一跨临界二氧化碳热泵技术有广阔的发展前景，并可以在许多领域中推广应用。

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