CO2跨临界制冷循环原理及新技术

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二氧化碳跨临界循 环制冷
CO2作为制冷剂的应用历史
• C纪O320作年为代最得早到的了制普冷遍剂的之应一用,,在到1199世30纪年末,到802%0世的 船舶采用CO2制冷。
• 但别且由是功当 耗于环 增当境 大时温 。采度用稍的高CO时2亚,临CO界2的循制环冷制能冷力效急率剧低下,降特, • 同时,以R12为代表的CFC或氟氯烃制冷剂的出现,
• 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
• 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。
• (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%.
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• 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
• 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)CO2压缩机的生产商虽然有生产CO2半封闭式活塞式压缩机的意大 利OFFICINE MARIODORIN公司,开发CO2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。

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• 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 大件学、的系H统中Qu设ac置k等膨人胀分机别的对特C性O进2跨行临了界研循究环,系都统表的明调CO节2部跨 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。
• 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;
• (2)传统热泵热水器制取热水一般不超过55℃,若 要热水制器得由较于高跨温临热界水循则环制,热在系气数体下冷降却;器而中CO的2 换热热泵 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和/住3宅来建源筑于供对应热热水水的,需可求使。其采总用用CO能2量热减泵少为2商0用%。
• 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CO2跨临界单级循环系统COP高于不 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.
• 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CO2自然工质逐渐受到人们重新重视。有代 表性的是冷热联供CO2跨临界热泵。
以其无毒、不可燃、不爆炸、无刺激性、适中的压 力全制和冷较剂高方的面制的冷位效置率。等特点,很快取代了CO2在安 • 近年来,制冷剂对臭氧层的破坏和全球温室效应等 环CO保2作问为题制日冷益剂突开出始,重而新CO得2跨到临重界视制冷循环的提出,
• 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。
• 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CO2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CO2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。
• 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。
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CO2作为制冷工质的优缺点
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CO2跨临界单级循环进行理论分析
和实验性能测试
不带回热器CO2跨临界单级循环
• 典型的CO2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 CO2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.
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。
• 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 对临比界条单件级下循,环带系回统热CO器PC要O高2跨于 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.
• (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 CO2热泵系统在低温环境 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 和相关企业都对CO2跨临 界循环系统做了大量深入 的研究工作,特别是CO2 热泵热水器在日本及欧美 等发达国家得到了广泛应 用。
• 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。
带回热器的CO2跨临界单级循环
• 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CO2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;
• 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CO2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。
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• (2)CO2换热器的设计困难。首先,目前对CO2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,CO2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。
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