CO2跨临界(逆)循环的热力学分析

CO2跨临界（逆）循环的热力学分析
时
第19卷第6期工程热物理
1998年11月JOURNALOFENGINEERINGTHERMOPHYSICS
,r0l19.NO6
NOV..1998
CO2跨临界(逆)循环的热力学分析6I\
马一太√吕灿仁
(天津大学热能研究所天津300072)
关键词co(R744),跨临界循环,热泵,回热器,膨胀机冉1)f乏未●.'...'.....…_..'一-
1前言
世界各国开展了寻求CFC和HCFC替代物的广泛研究.到目前这项研究已有了实质性的进展.主要提出了包括R134a在内的若干HFC及其混合物来替代R12,1%502和
R22等,并且已开始商业化生产.但人们已发现这些新工质并没有达到"长期"替代物
的要求,大部分HFC都有较高的温室效应和某些缺陷.随着世界范围制冷空调技术的应
用和发展,对各种制冷工质的需求量逐年上升,每年达到数十万吨的消耗量,其中绝大
部分将扩散到大气中去.这些物质的寿命或长或短,都会增加温室效应,或分解产生其
它的副作用.人类大规模生产地球上本来不存在的气态物质,最终要破坏地球的生态平
衡.
作为制冷剂,在上世纪末至本世纪三十年代前CO2(R744),氨(R717),SO2(R764),
氯甲烷(R40)等曾被广泛应用.由于上述除CO2之外的工质都有毒性或可燃性,无毒不
燃的CO.在民用制冷和船用制冷等方面有其不可替代的优势.
据文献记载,英国的HiglandChief商船在1890年安装了第一台CO2制冷机,从此CO2制冷机开始在海运轮船上普及.到1930年,80%船舶采用CO2制冷机,其余的20%则用氨制冷机,最后一艘配有CO2制冷机的轮船是在1950年退役的.
CO2用于空调机较晚.它在1919年出现在剧院和商业空调,1927年用于办公楼, 1930年用于民用空调.
当臭氧层破坏基本有了解决途径之后,温室效应引起人们较大的关注.CO是温室气体,但从分子角度看,各种HFC的温室效应是CO2的1000---2000倍,大量生产和应
用HFC必将加速全球变暖的趋势.
已故的前国际制冷学会主席G.Lorentzen曾发表多篇论文,大力提倡使用自然制冷工质,包括氨,碳氢化合物和CO2.他认为CO2是"无可取代的制冷剂",可望在制冷和热泵中发挥作用.挪威SINTEF研究所率先进行汽车空调用CO2作为制冷剂的实验
研究,样机实验已得出较好的结果,德国也开展CO2工质汽车空调和热泵应用的研究.
2C02热力学性质及优势
采用CO2为逆循环工质是基于几方面的考虑.首先CO2是自然界存在的物质.它的臭氧层破坏势ODP值为零,其温室效应势GWP值也很低.实际上,CO2可来源于
国家自然科学基金资助项目.
车文曾于1997年u月在洛阳召开的中国工程熟物理学会工程热力学与能源利用学术会议上宣读
修改稿于1998年1月13日收到.
工程熟物理l9卷
工业废气,对它加以利用并不增加其在大气中的浓度.另外,作为自然工质的CO2
安全的物质,无毒不燃,容易获得,价格便宜,并与目前常用的材料相容,其热物性数据
比较成熟.CO2有较低的临界温度和较高的工作压力,用于逆循环的放热过程可处于超
临界区,具有较大的温度滑移,该放热过程可以和变温热源相匹配,因此是一种特殊的
劳伦兹循环,亦可称三角循环.该循环更适合于以水为热源的热泵系统,以实现提供较
高温度的热量输出并有较高的用能效率.这些独特的优势使CO2可作为CFCsHCFCs
和HFCs的长期替代物,有非常光明的应用前景.
3CO2跨临界循环(TranscriticalCycle)及其最大COP
图1给出CO2逆循环系统原理图,它与普通制冷循环基本相似.所不同的是,压缩机的排气压力在临界压力之上,工质在超临界区经定压放热,如图2的1-2-3—4—1.此
类循环有时也称为超临界循环(SupercrltlcalCycle).这是当前C02制冷循环研究中最
为活跃的循环方式.在跨临界循环或超临界循环时,高压端换热器不叫冷凝器,而称气
体冷却器(GasCoder).
蒸发器
图1简单CO2循环系统
4,
(a)T一5-图(b)P—h图
图2不同压缩比下的CO2循环
与外界冷却流体的温度有关.CO2在高压下冷却到终温,可有不同的压缩
比,其COP值随压缩比P2/只有较大变化.图2为不同压比下的循环热力图,在一定的压缩比下其COP达最大值,见图3.在典型的空调工况下,=7.2.C,=32.C
40
3o
耋25
2.0
15
10
517l92I232527
压缩比
图3CO2跨临界循环
的大G0P
50
45
40
35
3o
25
3035404550
/℃
图4最大G0P和
的关系
T3=40.c,并用理想压缩机,最大COP:3.61.
计算表明,COP随
的增加迅速下降,并随的增加而增加,见图4. 在本文中所有CO2的COP都是在给定条件下的最大值.
4C02的回热循环
对CO2来说,减少节流损失的有效途径之一就是采用回热循环.计算表明,当回热器中蒸气过热温度为25.C时,COP可提高6%,但压缩机的吸气量因过热度的提高而
下降.见图5的相对值月与月d.
6期马一太菩:c02跨临界(逆)循环的热力学分析667
5C02双级压缩循环
示于图6的双级压缩系统可有效地降低排气温度与单级压缩相似,在一定的压缩比尸4/下可达COP最大值.计算时中间压力
=
,/马××∈
式中∈=1.0一l_2,根据不同工况进行调整,以保证=
图7给出的结果指出,在相同的工况下,双级压缩比单级压缩的COP提高12～
l4%.
11
1O
tJ.9
《
t1.8
07
图5回热循环相对00P和吸气
量与回热度DT1的关系
图6双级压缩系统
热力图
6用膨胀机回收膨胀功
图7单级和双级压缩
系统的G0P
理论上讲,在制冷循环中可以用膨胀机代替节流阀,以回收工质从高压到低压过程的膨胀功,原理图见图8.但这在传统的亚临界逆循环中几乎没有采用.原因是多方
面
的,如膨胀机工作在两相流条件下,膨胀功相对数量较小,工质的容积膨胀比很大(一般
20—40),这样的膨胀机实现起来有许多技术上的困难.CO2跨临界循环的膨胀机同样
也面临着许多难题,但比常规工质更具有可行性.如cO2的容积膨胀比是常规工质的十
分之一,仅为2—4;其膨胀功所占的比例也较大,回收起来更有效益.
如果设膨胀机的效率为0.65,
压缩机的绝热效率为0.8,电机效率
为0.9,采用四种循环模型:(1)简
单循环,(2)单级压缩回热循环,嘭
(3)双级压缩回热循环,(4)用膨胀
气体冷却器
机的单级压缩循环.在相同的条蔫发器
件下,其循环实际cDP依次提高,图8有膨胀机的单级
如图9所示-其中第(4)种模型是压缩系统
一
个很有研究和应用前景的方向
图9四种模型的G0P值
随的变化关系
7热回收一C02循环的优势
几乎所有空调系统都把冷凝熟释放到环境中,这是极大的浪费.但在传统空调系统的冷凝温度太低不便于回收.如果适当提高冷凝温度,空调系统可同时用于空气调节和
热回收,COP会随之下降考虑一热泵系统,其热回收温度为一较高水平,如65.c.对霉
工程热物理l9卷
于R22循环,设=70.C,和与上述相同,计算得COPfL22=3.226.对于CO2循
环COPco=3.725,其比值为1.12.可见在此系统中CO2可发挥重要作用.多年来人们在研究热泵循环时一直在寻求一种理想的工质,希望在蒸发过程中有较小的相变温差,
以和自然界的低温热源相匹配;在冷凝过程中有较大的相变温差,以适应热泵采暖,热
泵干燥等梯级放热的要求.CO2的跨临界循环正好能达到这一要求.
8结论
本文从热力学循环分析角度揭示了CO2跨(超)临界循环的特性,分析可得出:
(1)COz具有优良的热力特性和环境特性,其跨临界循环有独特的热力学特性.
(2)采用双级压缩回热循环,CO2循环的COP值可以和R22,R134a等常规循环
相接近.
(3)因Co2在跨临界循环中有很小的容积膨胀比和较大的膨胀功,其单级压缩亦可得到较高的COP,研究实现用膨胀机代替节流阀有非常重要的意义.
(4)分析表明CO2跨临界循环可在热泵余热回收系统中发挥大的作用,达到冷热联供.
致谢作者感谢美国伊利诺大学空调制冷研究中心主任ClarkW.Bullard对论文研究工
作提供的方便和建议.
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TRANSCRITICALCYCLE
MAYitaiYANGZhaoL寸Canreu
(Therma/EnergyResearv~ht如TianfinUniverslT/ard~300072)
Abstract
Co2isasafenatrualrefHgerantwhichhadbeenandwillbewidelyusedinaircondi—tioningandheatpumpsystemsThethernodynamicanalysisoftheC02transcritiealcycle ispresentedinthispaper.TheresultshowsthattheC02cyclesoffersheatrecoverybenefit asahepumpsystem.ItispossiblethattheCOPvalueofC02cycleCancompetewith thoseofR22orR134a-ftwostagecompressionsystemoranexpandersystemareused. KeywordsCO2(R744),transcrlticulcycle,heatpump1expander。