专题四 二氧化碳制冷系统(第7题)浙江大学制冷与低温研究所

CO2 Refrigeration cycle
二氧化碳制冷循环
12/29/2015 马一太 低GWP工质替代策略和二氧化碳制冷热泵循环关键技术 ——《第七届中国20制冷空调行业信息大 会论文集》 天津大学热能研究所
CO2 Refrigeration cycle
二氧化碳制冷循环
12/29/2015 马一太 低GWP工质替代策略和二氧化碳制冷热泵循环关键技术 ——《第七届中国21制冷空调行业信息大 会论文集》 天津大学热能研究所
CO2 Refrigeration cycle 二氧化碳制冷循环
CO2制冷的发展与现状
82/17/2020
前言
• 制冷剂的发展推动制冷技术的进步
• 氟利昂对臭氧层的破坏和温室效应， 迫切需要新的制冷工质
• 二氧化碳作为天然工质，具有良好的 热力性能和环保特征
• 汽车空调、热泵、复叠式制冷中得到 广泛应用
二氧化碳制冷循环
由于CO2临界点低 (31.1℃ , 7.328 MPa), CO2作为制冷剂在空调工 况适宜采用跨临界循环, 而CO2跨临界循环节流损 失非常大,在相同当量冷 凝温度情况下, CO2循环 的效率比常规工质低20% ～ 30%(见表1)。但CO2
跨临界循环的容积膨胀比 是2～ 4,回收的膨胀功约 占压缩功的25%～ 30%
—— 周汉威
815/17/2020
CO2 Refrigeration cycle
二氧化碳制冷循环
12/29/2015 丁国良 二氧化碳制冷技术新发展 ——《制冷空调与电力机械》（2002）02-000116-06 上海交通大学
CO2 Refrigeration cycle
二氧化碳制冷循环
12/29/2015 季建刚 黎立新 蒋维钢 跨临界循环二氧化碳制冷系统研究进展 ——《机电设备》127002年第4期
二氧化碳制冷循环
汽车二氧化碳空调系统
8/17/2020
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二氧化碳制冷循环
汽车二氧化碳空调系统
8/17/2020
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二氧化碳制冷循环
汽车二氧化碳空调系统
8/17/2020
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CO2 Refrigeration cycle
CO2 Refrigeration cycle
二氧化碳制冷循环
12/29/2015 崔晓龙 跨临界CO2循环最优高压侧压力研究 ——《中国制冷学会2007年学术年2会2 •创新与发展》
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二氧化碳制冷循环
12/29/2015 马一太 低GWP工质替代策略和二氧化碳制冷热泵循环关键技术 ——《第七届中国23制冷空调行业信息大 会论文集》 天津大学热能研究所
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二氧化碳制冷循环
12/29/2015 马一太 低GWP工质替代策略和二氧化碳制冷热泵循环关键技术 ——《第七届中国24制冷空调行业信息大 会论文集》 天津大学热能研究所
CO2制冷循环中的关键设备
—— 付立宸
825/17/2020
CO2 Refrigeration cycle
CO2制冷剂的应用前景
有研究结果表明，CO2系统在高环境温度（45℃以上）时 ，制冷性能低于传统系统，35～45℃间与传统系统相近， 35℃以下时性能更优。
工业生产不会为了获得CO2制冷剂而专门进行生产，甚至 从某种程度上讲，将CO2用作制冷剂是减少了CO2的排放， 更加符合环保理念的要求。
CO2制冷循环的热力分析
完全可以通过完善系统循环方式、优化系统设备来解决， 如采用双级压缩和采用膨胀机回收一部分膨胀功的措施加以 改善，来提高制冷循环效率。
CO2制冷剂的安全问题
1.可燃性
CO2是不可燃的，甚至可以用来做灭火器。 2.毒性
虽然CO2本身没有毒性，但是在封闭的空间内CO2浓度高 于5%时，会发生窒息等情况。 3.高压
12/29/2015 蒋云云 新型吸收/跨临界复合制冷系统研究特性 浙江大学硕士学位论文 2014年1月1188日
CO2 Refrigeration cycle
二氧化碳制冷循环
12/29/2015 马一太 低GWP工质替代策略和二氧化碳制冷热泵循环关键技术 ——《第七届中国19制冷空调行业信息大 会论文集》 天津大学热能研究所
二氧化碳制冷循环
二氧化碳的节流损失
根据热力学原理，在节流过程中系统对环境做功
-W=p2V2-p1V1
（V1及V2分别为始态和终态的体积。）
又
Q=0，
且
ΔU=Q-W=-(p2V2-plV1)
所以
U2+p2V2=U1+p1V1
即
H2=H1
所以节流的热力学实质是焓不改变，或者说它是
一个等焓过程。
8/17/2020
CO2制冷剂的优缺点
—— 艾孜尔江
89/17/2020
CO2 Refrigeration cycle
二氧化碳制冷循环
CO2制冷剂具有的主要优势
1.CO2是天然物质，ODP=0，GWP=1。 2.CO2安全无毒、不可燃，并具有良好的热稳定性，即使 在高温下也不会分解出有害的气体。
3.CO2具有与制冷循环和设备相适应的热物性。
8/17/2020
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CO2 Refrigeration cycle
二氧化碳制冷循环
3.超市低温负载制冷系统
CO2亚临界系统应用 于超市低温负载制 冷的系统原理图。 其循环与常规的制 冷循环类似。
8/17/2020
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CO2 Refrigeration cycle
二氧化碳制冷循环
4. CO2作为第二制冷剂（载冷剂）
二氧化碳制冷循环
汽车二氧化碳空调系统
8/17/2020
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复叠式CO2制冷系统
—— 吴寒
840/17/2020
CO2 Refrigeration cycle
二氧化碳制冷循环
1.复叠式制冷原理
系统低温级以CO2为制冷 工质，高温级采用NH3或R290 等其他工质。为亚临界循环
温度区域从下到上分为低 温、中温、高温。
8/17/2020
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二氧化碳制冷循环
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附件
通天塔
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二氧化碳制冷循环
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CO2 Refrigeration cycle
二氧化碳制冷循环
2.CO2复叠式制冷的优势
1.制冷温度较低，可达到-50 ℃以下。 2. 压缩机理论输气量小，可以减小机组的尺寸。 3.系统运行的稳定性提高。 CO2在蒸发温度较低有足够的蒸发 压力,复叠式制冷系统保持正压，空气就难以从外界渗入。 4. CO2复叠式制冷系统在-35℃以下的制冷中效率高，可以减少 高温级循环的制冷剂充注量，是常规系统的1/10。 5. 当需要两个制冷温区时，是很好的解决方案。
从储液器流出的液体CO2 经 液泵加压后流经热负载(展 示柜或库房冷风机盘管)， 吸热汽化后形成一定干度的 气液两相流体, 回到主制冷 系统的蒸发器内重新冷凝为 液体后回到CO2 储液器，进 行下一次循环。
8/17/2020
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CO2活塞式压缩机
1.早期CO2压缩机以活塞式 压缩机为主
2.1989年NTNU（挪威科技 大学）首次CO2试验用丹麦 BABROE公司制造的双缸 CO2活塞式压缩机 3.意大利DORIN公司开发的半封闭式活塞CO2压缩机 批量生产，包括双缸单级和两级活塞式压缩机，可用 于空调和热泵
4. CO2汽车空调压缩机的开发
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CO2 Refrigeration cycle
二氧化碳制冷循环
跨临界二氧化碳循环 （气-液-汽）
亚临界循环（一般循环） （液-汽）
W=p1V1-p2V2=15x10-5x10=100 跨临界压差大比体积变化不大
W=p1V1-p2V2=14x10-10x13=10 亚临界压差小体积变大
8/17/2020
。相关文献的分析也表明 ,单级压缩带膨胀机CO2 制冷循环的COP可超过 相同工作条件下R22或 R134a的简单循环的COP
8/17/2020
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汽车CO2制冷系统
—— 向铎
830/17/2020
CO2 Refrigeration cycle
二氧化碳制冷循环
汽车二氧化碳空调系统
-----------by 向铎
CO2制冷系统的工作压力比其他常用制冷系统的工作压力 大。
CO2制冷系统的应用成本
1.制冷工质的成本
因为CO2通常是其他工业产品的副产品，所以价格是非常低 廉的。
2.系统零部件的制造成本
CO2制冷剂的运行压力高，但是排量小。 排量小可以缩小压缩机的体积，减少材料用量。 而压力高导致要增加高压区域的材料厚度以提升耐压能力。
4.CO2黏度小。
8/17/2020
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CO2制冷剂存在的主要缺点
1.CO2临界压力较高。
虽然系统的工质压力高，但容积较小，其压力和容积的 乘积与常规工质相差不大，设备内气体的爆炸能量增加的并 不多。
2.CO2单级压缩跨临界循环的性能系数COP比相同温度条件 下的R12、R22、R134a等常规制冷剂的制冷性能系数都低。
CO2 Refrigeration cycle
二氧化碳制冷循环 循环特点： • 1. 放热过程为显热换热，具有较大的温度滑移。温度滑移与冷却介质的温 升相匹配，可以视为一种两个热源之间的无温差热交换过程，即变温热源 的洛伦兹循环。 • 但是由于制冷剂被节流到两相区，节流损失远大于常规制冷循环的节流损 失，因此COP较低。这成为制约其发展的初因。
8/17/2020
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通天塔
CO2 Refrigeration cycle
二氧化碳制冷循环
由图显示，在蒸发温度为-35℃ 时，采用CO2复叠式制冷系统 和氨的双级制冷系统对系统的 值并没有大的影响，但如果蒸 发温度更低的话，釆用CO2复 叠式制冷系统，可以提高系统 的COP值。
ห้องสมุดไป่ตู้
8/17/2020
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CO2 Refrigeration cycle
二氧化碳制冷循环
低温级冷凝温度对系统COP值的影响
且系统的值随着低温循环冷凝温度的改变会出现一个最高值。
当蒸发温度为-30 ℃的时候，出现的最高的值为-8.9 ℃
当蒸发温度为-40 ℃时，值的最高点出现在-10 ℃左右
当蒸发温度为-45 ℃ 的时候，值的最高点则出现在-12.5 ℃
二氧化碳制冷循环
汽车二氧化碳空调系统
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二氧化碳制冷循环
汽车二氧化碳空调系统
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二氧化碳制冷循环
汽车二氧化碳空调系统
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CO2 Refrigeration cycle
8/17/2020
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CO2 Refrigeration cycle
二氧化碳制冷循环
汽车二氧化碳空调系统
R134a：ODP=0，GWP=1300 二氧化碳：ODP=0，GWP=1 R1234yf： ODP=0, GWP=4 （易燃、微毒）
8/17/2020
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CO2 Refrigeration cycle
CO2滑片式压缩机
1.容积式压缩机的一种 2.美国马里兰大学Radermacher R和日本 静冈大学Fukuta M合作
CO2涡旋压缩机
1.日本松下（MATSUSHITA）公司在R134a涡旋压缩机 的基础上开发了CO2涡旋压缩机 2.日本三菱重工（MITSUBISHI）公司开发用于CO2热水 器的CO2涡旋压缩机
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CO2 Refrigeration cycle
二氧化碳制冷循环
T
在T-S图中能明
显看出同一种工质的
跨临界循环和亚临界
循环（相同制冷量）
中能量的损失（熵增
）的差异。
但是二氧化碳的
临界温度很低，其亚
临界循环中的冷凝器
进口温度会过低以至
于无法跟环境换热，
达不到排热的效果
S
8/17/2020
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CO2 Refrigeration cycle
CO2螺杆式压缩机
1.日本MAYCOM公司CO2单级螺杆压缩机主要用于 冷冻、空调系统 2.伦敦城市大学Stosic等人研制了双螺杆膨胀压缩机 3.西安交大王炳明等人研发了NH3/CO2复叠制冷系 统的二氧化碳螺杆式压缩机
CO2滚动转子式压缩机
大金daikin有限公司于2002年2月开发了用于热泵 、热水器和汽车空调的高性能和可靠性的滚动转 子式压缩机 杨军等设计了一种新型全封闭旋转式CO2压缩机