跨临界二氧化碳热热泵的应用

例如，在设备中水力直径0.8mm微尺度通道壁厚 0.3mm可以承受高达140bar的运行压力。另外微 通道在单位体积空间中提供更大的接触面积，这 可以通过水力直径的定义 Dn=4Ac/C来理解，这 里Ac是横截面积，C是周长，横截面积一定，Dn 越小，C将越大。C增大意味着有更大的换热面积， 因此也就改善了转热特性。所以微通道换热器的 开发使用可以更大限度地减小换热器的尺寸，从 而减轻制冷装置的重量，也节省了空间。
微管道换热器也有诸如压降大的缺点，然而， CO2比大部分制冷剂有更小的液体粘性和较大的 液汽密度比，使压降不成为一个难题。因此， CO2与微通道换热器的完美结合可使CO2汽车空 调有一个光辉的前程。
此外，CO2有较高的汽化潜热和小的表面 张力，因此，它的单位容积制冷量相当大。 如饱和温度0 ℃时分别为R12和R134a 的8 倍多。因而与传统制冷系统相比，CO2制 冷系统的容积流量，压缩机排气量可减小 到相当于其他制冷剂的的八分之一，这样 使得压缩机的尺寸、阀门与管道的流通面 积比一般制冷系统的小得多。
二、二氧化碳工质的综合评价
2.1 安全和环境性能 二氧化碳（R744）的破坏臭氧层潜能
值ODP=0,温室效应潜能值GWP=1,分解产 物对环境无危害。由于二氧化碳跨临界制 冷循环系统的运行压力很高,有人担心在特 殊情况下,万一系统发生破裂时会引起安全 问题。
实际上,由于二氧化碳的单位容积制冷 量比一般制冷工质大得多,因此对于相同制 冷量的系统,系统的容积相对较小,压力 P 与 制冷容器和管路中容积 V 的乘积与传统工 质差不多是相等的,而这个乘积决定了发生 破裂时的爆破能,所以二氧化碳的爆破危害 性在技术上是不难攻破的。
不可逆传热引起的损失减小。
四、二氧化碳热泵在汽车空调中应用研究
在汽车空调中，具有对环境友好性和优良 的热物理特性的天然工质CO2与其他制冷 剂相比有独特优势。近年来，美国、欧洲 和日本等发达国家和地区的研究者们不断 尝试将CO2应用于各种可能的制冷、空调 和热泵系统。无毒、不可燃的二氧化碳制 冷剂将是下一代汽车空调的首选。
汽车空调的另一个特点是由于路况、汽车、振
动和密封等原因，极易造成制冷剂泄露，且回
收困难。据统计，在冷藏运输车中，每年泄露 率高达20％。汽车制冷剂的排放量占制冷剂总 排放量的50 ％以上。而CO2是自然界天然存在 的物质，它的臭氧层破坏潜能(ODP)为零。
CO2对地球有温室效应，但是作为制冷剂， CO2一般是从工业废气中提取，属于把排向大 气的C02进行废物利用，没有增加大气中CO2 的含量，所以GWP ＝0。因此使用CO2制冷剂
从换热器角度来讲，把具有优良的热物理性质和 环境友好性的CO2与微通道换热器的有机结合， 可以很好的解决汽车空调的问题。由于换热器的 重量和体积在整个汽车空调系统中几乎占了一半。 使用微通道的换热器可以使CO2制冷装置更紧凑。 CO2临界温度非常低(31.1℃)，CO2系统的运行 压力一般又非常高(20bar～130bar)，为了安全起 见，换热器的管道壁必须厚一些。厚管壁又可能 使换热器的性能下降，但是，这个缺点可以通过 使用微通道来解决。近年来，微通道已经在制冷 空调行业中广泛应用，微通道用薄的管壁可以承 受更高的运行压力,在微通道表面受力F一定时， 压力P与通道内径d成反比。
跨临界二氧化碳热泵 的应用
日 期 ：2012.3.17
目录
一、 引言 二、 二氧化碳工质的综合评价 三、 二氧化碳的跨临界循环 四、 二氧化碳热泵在汽车空调中的应用研究 五、 二氧化碳的应用前景及问题 六、 结束语
一、 引言
当前环境问题已成为一个重要的全球问题,
其中臭氧层破坏和温室效应问题直接关系
三、二氧化碳的跨临界循环
早期的CO2制冷循环多为亚临界循环， CO2亚临界制冷循环的流程与普通的蒸汽压缩 式制冷循环完全一样，其循环过程如图1 中的12-3-4-1所示都是在临界点以下进行的。由于临 界温度(31.1℃)较低，当环境温度稍高时，CO2 的制冷能力急剧下降，功耗增大，经济性受到严 重影响，其次从循环上来讲，CO2亚临界制冷 循环的工作压力高(30～ 120个大气压)，这也是 早期CO2被CFCs取代的重要原因。
国内 CO2 技术、产品发展趋势及方向
行业及国家标准：新产品及新技术的普及应用， 需要较未完善的行业、 国家标准， 中国虽制定了 相关， 但还不完善，需要进一步补充、修订 。
CO2 产品的推广：作为新事物必然需要较大的内 在、外在的推动力才会很好的普及、应用，对于 CO2 产品，特别是家用热泵热水器产品初期价格 较高， 对其推广受限， 需要相关政策加以扶植。 且，CO2 产品属高压容器，维修存在一定问题 。
自主知识产权的专有技术研发费:国外回转式压 缩机起步较早，对于较适合的结构进行较早的研 究，加之专利意识很强，目前较优秀的结构，例 如中间背压滑片润滑等均申请了专利保护；中国 企业起步较晚，面临国外专利壁垒，如何发掘我 们特有技术显得比较重要。
新型材料及工艺的开发:CO2 冷媒之前在回转压 缩机上应用较少，由于运转压力较高，对材料要 求较高，需特殊对应。这里包括两方面，一方面 是 CO2 压缩机用冷冻机油的研发，包括回转式 CO2 压缩机用油在内的冷冻机油基本由太阳、 新日石等日本企业配套开发，国内对于冷冻机油 的研发还没有，由于行业垄断问题，冷冻机油价 格较高，特别是新开发的 CO2 油品，因此需要
尽管CO2跨临界制冷循环的工作压力很 高，由于它具有良好的热物理特性，使压缩 机、换热器和管道的芯体体积缩小。这样爆 炸能(explosion energy)(压力与体积的乘积) 与其他制冷剂的相当。CO2绝热指数(K)值高。 虽然CO2的低压工作压力p很高，但压缩机的 压比却比其它制冷剂系统的低得多，如 R134a系统压比为5.7而CO2为2.6。所以压缩 机的容积效率可以得到提高。此外，放热过 程中工质与热源之间的温差较小，使温差的
汽车空调系统作为一种移动式空调具有一 般空调系统不同的特点和要求。汽车是个 移动物体，长时间暴露在太阳下或风雪之 中；而薄的金属车身隔热困难，同时车速 高，与外界对流换热高。车内人员密度大 等这些都要求汽车空调装置快速制冷和制 冷能力大的特点。另外汽车结构紧凑，所 以制冷装置也必须是小型化紧凑型的。
1到2是压缩机的压缩过程。二氧化碳相比 传统制冷剂的绝热指数较高(K=1.3)，使得 压缩机的排气温度偏高。但由于二氧化碳 低压侧的压力也很高，压缩机的压比相应 的要比采用传统制冷剂的制冷系统要低的 多，从而可以提高压缩机的效率，压缩机 的容积效率较高:由于压力大，泄漏损失对 压缩机的效率影响较大，在进出气阀以及 活塞与气缸之间都会产生泄漏。防泄漏是 压缩机设计的一个重要问题。
2.2 热物理性质和传输性能
二氧化碳的临界温度很低,只有31.1℃,因此二氧 化碳循环必然在接近或超过临界点的区域运行。此 时二氧化碳的饱和液体比热很大,从而其节流损失也 很大,因此造成其基本理论循环环COP比较低。
在热力学性能上,作为蒸气压缩制冷循环的工质, 二氧化碳具有一定的缺陷。但是,应该注意的是, 根 据热力学第二定律,理论性能系数只与所实现的热力 过程有关,而与工作介质的热力性质无关,只要两 个 热源的温度确定以后,理想循环的 COP 就确定了,因 此 COP 并不是工质的内在属性。
2.3 传输性质
在超临界压力下，二氧化碳具有比热大，导热 系数高，动力粘度小的特点,这对流动和传热都是 十分有利的。在实际制冷(热)系统中，蒸发器不 可避免地存在着压力损失，这个压力损失将使系 统的平均蒸发温度降低,从而降低系统的 COP。
一般规定,制冷工质通过蒸发器的压力损失不 应该超过与蒸发温度变动1℃所对应的压力变化。 而不同的工质饱和温度曲线的斜率是不同的,因此 对于不同工质,蒸发器允许的压降是不同的。二氧 化碳的饱和压力曲线的斜率大于其它常用的制冷 工质,在相同的饱和温度降下,二氧化碳蒸发器所允 许的压降较大。
以二氧化碳作制冷剂的系统理论循环
此系统主要部件有压 缩机，气体冷却器， 内部换热器，节流阀， 蒸发器以及储液器。
右边是二氧化碳系统 循环原理图和二氧化 碳循环的T一S图
CO2的临界温度比较低，只有31.1℃，因 此，只有在环境温度较低时，才能在制冷 循环里冷凝成液体，而在环境温度较高时， 它变成气体。这时的热泵制冷循环称为跨 临界循环。
临界温度：
即使物质由气相变为液相的最高温度 叫临界温度。
每种物质都有一个特定的温度，在这 个温度以上，无论怎样增大压力，气态物 质不会液化，这个温度就是临界温度。
CO2作为制冷剂的重新出现是 由于CO2跨临界制冷循环的应 用。其循环过程如图 中的1-2‘3’-4‘-1所示。此时压缩机的吸 气压力低于临界压力，蒸发温
R600，R290，R744如果按照市场的反响来说 的话，R744是最不理想。这其中是有原因的，制冷 快报相关专家分析，这三种制冷剂都属于自然工质的 制冷剂，R600在冰箱上有成功应用的经验，R290也 已经在空调设备上开始应用，R744却只能是在极少 数的一些特殊的设备上应用。如果不是成本的原因， 相信许多的生产厂商会将目光投向R744，但是R744 的广泛应用需要付出的代价相当的大，使用R744作 冷媒的设备压缩机、管道都需要承受比目前大4-5倍 的压力。面对国内市场巨大的制冷设备产能，这几乎 是不可想象的。R290虽然有易燃易爆的特性，成为 企业不敢前行的最大障碍，但比及二氧化碳更为艰巨 的工程，企业更愿意尝试R290，毕竟R290可以在现 有设备的基础上直接充注。
可以降低由于制冷剂泄漏所产生的温室效应， 同时CO2制冷剂也不需回收，这也降低了设备 的维护和保养费用。
五 二氧化碳的应用前景及问题
CO2作为自然界普遍存在的一种物质，不 但性能稳定、极易获取，还无毒环保不可 燃，这都是其作为制冷剂广泛使用的优点， 但其高临界压力和低临界温度的自然特性 也使其不能在既要求环保，又要求节能的 今天重新演绎过往的辉煌。