跨临界二氧化碳热热泵的应用

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。
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。
2.4 压缩机效率
理论上,工质的摩尔质量越小,蒸气定压比热容 越大及压缩比越小对提高压缩机效率越有利。二 氧化碳的分子量比常规制冷剂小得多,饱和蒸气比 热容却比较大,且压缩比小。而且,因为二氧化碳的 绝热指数Κ值高,压比小,可减小压缩机余隙容积的 再膨胀损失,使压缩机的容积效率较高。
因此二氧化碳压缩机效率理论上比其它制冷 工质的压缩机效率要高。 此外,二氧化碳工质还具 有来源广泛,价格低廉,与常用的部件材料和相容性 良好,并且能和普通的润滑油溶解等特点。
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
德国,瑞士等欧洲国家主张使用自然工质,包括 HCs,CO2,NH3 等。 虽然两种替代路线都各有优缺 点,但从长远考虑,任何人工合成的化合物对自然环境 都有一定的副作用,用自然工质替代 CFCs 和 HFCs
才是解决环境问题唯一正确的方式。近年以二氧化 碳为制冷工质的二氧化碳跨临界循环在汽车空调,热 泵领域的应用引起了广泛关注。
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
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。
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。
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。
到人类的健康和生存,引起了人们的高度重
视。在制冷及热泵装置中广泛使用的CFCs
工质是引起臭氧层破坏的主要原因,而且这
些工质为温室气体,已列入逐步被淘汰之列。
制冷空调行业为了适应CFCs制冷工质的淘
汰,纷纷转轨使用HFCs，人们一直认为
HFCs是CFCs制冷工质的长期替代。
.
现在《京都议定书》又将 HFCs 列入了温室气 体清单中,要对它们的排放加以控制。国内外制冷空 调行业均在探索如何总结历史经验,寻求正确,科学地 解决由于环保要求提出的制冷工质替代问题,力争少 走弯路。
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。
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，在超临界区域，
没有相变，压力和温度是各自
独立的参数，克服了亚临界循
环受环境影响的限制。所以， CO2跨临界制冷循环具有在一 定范围内可连续调节冷量的优 点，受环境影响不大。
由于二氧化碳高的临界压力和低的临界温 度(31.1℃)，2点处的温度已经超过二氧化 碳的临界温度，在2到3的过程中，密度不 断增大，温度不断降低。由于高压侧的压 力很高，达11MPa左右，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，有 利于承受高压。