二氧化碳制冷技術

1、? 1994-2009 china academic journal electronic publishing house. all rights reserved. http:/二氧化碳制冷技術史敏 賈磊 鐘瑜 舒國安 王磊(合肥通用機械研究院)摘 要 co2作為一種天然工質,是目前cfcs工質替代的一個重點研究方向。根據(jù)co2作為制冷劑的相關熱物理和化學性質及co2制冷循環(huán),說明采用co2作制冷劑 、 采用跨臨界循環(huán)的優(yōu)越性。介紹co2制冷循環(huán)系統(tǒng)關鍵設備 壓縮機 、 膨脹機 、 氣體冷卻器/蒸發(fā)器的研究進展情況,并對采用co2作制冷劑的汽車空調 、 熱泵系統(tǒng)的應用進行綜述,指出今后研究

2、的發(fā)展方向。關鍵詞 co2循環(huán) 制冷co2refrigerationtechnologyshi min jia lei zhong yu shu guoanwang lei(hefei general machinery research institute )abstract as a natural substance, co2is an important researchareaabout cfcs refrigerantsubstitution.based on thermophysical property , chemical property and refrigeration

3、 cycle ofco2, analyzesthe superiority of co2transcritical cycle. introduces the research status of co2compressor, expander , gas cooler and evaporator.describes co2mobile air2conditioner andheat pump system, and discussesresearch trend of co2refrigeration.key words co2; cycle ; refrigeration由于 cfcs

4、對于大氣的重要影響,保護環(huán)境、替代 cfcs 已經(jīng)成為全球共同關注的問題。從1985 年的 保護臭氧層的維也納公約到 1987 年的 蒙特利爾議定書,以及1990年倫敦會議和1992 年哥本哈根會議對蒙特利爾議定書的修正 ,世界范圍內的cfcs 替代進程在不斷加快。1991年 6 月 ,我國在修改的 蒙特利爾議定書上簽字 ,成為締約國之一。1992 年 5 7 月編制了中國消耗臭氧層物質逐步淘汰國家方案,并于1993 年 1 月獲國務院批準。因此 ,逐步淘汰odss已經(jīng)成為一項國際責任。替代工質應滿足安全性、 環(huán)境可接受性和裝置適用性三方面的要求。經(jīng)過科學家們多年來的不懈努力 ,已經(jīng)研制出大量

5、的過渡性或長期的cfcs和 hcfcs 替 代 物 , 如 r134a, r407c , r410a 和r290 等 ,并研究出相應的技術和設備,在制冷空調行業(yè)得到廣泛的應用。蒙特利爾議定書 對于 cfcs 和 hcfcs 等物質強制要求限期逐步淘汰,并規(guī)定了發(fā)達國家和發(fā)展中國家的使用期限。而目前使用的hfcs 制冷劑由于會導致明顯的溫室效應而被京都議定書列入溫室氣體的清單中。在歐洲 ,有些國家已經(jīng)在一些制冷空調領域禁止使用hfcs ,并且進一步提議從某些領域逐步淘汰h(huán)fcs。有些國家立法將在 21 世紀 20 年代嚴格限制或淘汰使用r134a 制冷劑 ,這就使得制冷與空調行業(yè)在適應淘汰cfc

6、s和 hcfcs 類制冷劑轉向使用hfcs制冷劑時又必須尋求新的替代物。目前 ,制冷劑替代的一個研究方向是使用天然工質 ,而 co2是其中的一個重點研究方向。作為制冷劑,co2在19世紀末到20世紀二三十年代曾被使用過。但限于當時的技術水平,使用 co2的第7卷 第6期 2 0 0 7年1 2月 制 冷 與 空 調refrigeration andair - conditionin g 125收稿日期:2007212202通訊作者:史敏,email :shiminhl mail. hf. ah. cn? 1994-2009 china academic journal electronic p

7、ublishing house. all rights reserved. http:/制冷系統(tǒng)能效低,設備很笨重,大多用于船舶。前國際制冷學會主席lorentzen 在 1994 年提出了co2跨臨界循環(huán)理論,指出若采用跨臨界循環(huán),co2可以用于汽車空調和熱泵領域,系統(tǒng)性能系數(shù)與常規(guī)空調的相比仍然具有競爭力。但其系統(tǒng)與目前的常規(guī)系統(tǒng)有很大不同,還需要一定的時間進行研究和開發(fā)。雖然 co2具有很高的系統(tǒng)壓力,導致的可靠性、 安全性問題令人擔憂,但由于其具有環(huán)境性能優(yōu)良、 經(jīng)濟性好 、 化學穩(wěn)定性好、 安全無毒不可燃 、 熱力性能良好等方面的特點,從長遠角度看 ,co2制冷系統(tǒng)具有開發(fā)潛力。1

8、co2的性質co2在常溫下是一種無色無味的氣體。作為地球生物圈內的天然物質之一,它產(chǎn)量豐富,價格低廉 ,方便得到 。其od p= 0 ,gw p= 1 ,而目前作為推薦的替代工質hfcs 及其混合物的gw p比co2高 1 000 2 000 倍 ,在這一點上co2具有明顯的優(yōu)勢 。co2與水混合時呈弱酸性,會腐蝕碳鋼等普通金屬,但不腐蝕不銹鋼和銅類金屬。co2中碳元素已經(jīng)處于最高化合價,即使在高溫下也不會分解產(chǎn)生有害氣體,具有非常穩(wěn)定的化學性質。co2的黏度很低,0 時其飽和液體的運動黏度只有氨的 5. 2 % ,這樣可以提高它的流速,但壓降不會太大 。co2的導熱系數(shù)高,而且液體密度和蒸氣

9、密度的比值小,節(jié)流后各回路間制冷劑的分配比較均勻 ,改善傳熱效果,進一步減小部件和系統(tǒng)的尺寸和質量 。co2的物性參數(shù)以及它與其他常規(guī)制冷劑的性能比較見表1。表1 幾種常用制冷劑替代物主要性能比較 122 參數(shù)r744r22r134ar407cr410ar290分子式co2chclf2ch2fcf3r32/ 125/ 134ar32/ r125ch3ch2ch3相對分子量44. 0186. 48102. 0386. 272. 5644. 10絕熱指數(shù)1. 301. 201. 12odp00. 055000. 0370gw p(100年)11 7001 3001 6001 1003臨界溫度tc/

10、31. 196. 0101. 787. 372. 596. 7臨界壓力pc/ mpa7. 3724. 9744. 0554. 654. 9494. 25凝固點溫度t/- 56. 55- 160- 115- 187. 7標準沸點to/- 78. 4- 40. 8- 26. 2- 43. 8- 51. 56- 42. 20 時容積制冷量/ (kj/ m3)22 6004 3442 8602 9474 1903 870安全等級評價a1a1a1a1a1a32 co2壓縮式制冷循環(huán)co2的臨界溫度為 31.1 ,接近于環(huán)境溫度,根據(jù)循環(huán)的外部條件可以實現(xiàn)亞臨界循環(huán)、 跨臨界循環(huán)和超臨界循環(huán)三種循環(huán)方式,

11、其中 co2超臨界循環(huán)與普通的蒸氣壓縮式制冷完全不同,工質的循環(huán)過程沒有相變 ,制冷空調應用中不采用該循環(huán)方式。co2亞臨界循環(huán)過程如圖1 中 1 2 3 4 1 所示 ,此時壓縮機的吸氣、排氣壓力都低于臨界壓力 ,蒸發(fā)溫度 、 冷凝溫度也低于臨界溫度,換熱過圖1co2亞臨界及跨臨界循環(huán)方式程主要依靠潛熱來完成。目前 ,co2亞臨界循環(huán)主要用于低溫冷凍設備所用復疊式制冷系統(tǒng)的低溫級。co2跨臨界循環(huán)的流程與普通的蒸氣壓縮式制冷循環(huán)略有不同,其循環(huán)過程如圖1 中的 1 2 34 1 所示。 此時壓縮機的吸氣壓力低于臨界壓力 ,蒸發(fā)溫度也低于臨界溫度,循環(huán)的吸熱過程在亞臨界條件下進行。 但是壓縮機

12、排氣壓力高于臨界壓力 ,工質在高壓側的換熱過程通過顯熱交換來完成,這與普通的蒸氣壓縮式制冷循環(huán)冷凝過程完全不同 ,此時的高壓換熱器稱為氣體冷卻器。由于跨臨界循環(huán)具有鮮明的特點和特殊的應用前景 ,目前已成為co2制冷循環(huán)最為活躍的研究方向 。在基本的co2跨臨界循環(huán)的基礎上,已發(fā)展出多種改進的co2跨臨界循環(huán),如雙級壓縮co2跨臨界制冷循環(huán)、 帶膨脹機的co2跨臨界制冷循環(huán) 、 帶引射器的co2跨臨界制冷循環(huán)、 帶引射器和經(jīng)濟器的co2跨臨界制冷循環(huán)等。?2?制 冷 與 空 調 第7卷 ? 1994-2009 china academic journal electronic publishin

13、g house. all rights reserved. http:/3 co2系統(tǒng)關鍵設備3.1 壓縮機與常規(guī)制冷壓縮機相比,co2壓縮機的吸氣壓力約為3. 5 4. 5 mpa ,排氣壓力更是高達812 mpa ,工 作 壓 力 高 ,壓 差 大 ,壓 力 比 小 。由 于co2的單位容積制冷量大,在相同制冷量時,其體積約為r134a壓縮機的25 %。co2壓縮機在大壓差下運行 ,需要壓力較高的油泵供油,導致熱泵系統(tǒng)設計困難,而且潤滑油也必須采取必要的措施以保證其溫度不能過高。正是由于以上特點,co2壓縮機的研究開發(fā)一直是壓縮機行業(yè)的難點。盡管國外已經(jīng)開發(fā)出一些樣機或產(chǎn)品,但成果的關鍵技

14、術都處于保密階段,國內還未出現(xiàn)相關產(chǎn)品。意大利officin e mariodorin公司開發(fā)的半封閉式活塞壓縮機(圖 2) 已開始批量生產(chǎn)3 ,包括雙缸單級和兩級活塞壓縮機。由于 co2輸氣量小且殼體厚 ,高轉速下仍具有很好的噪聲特性和振動特性 。瑞士的蘇黎世大學對應用在家庭熱水器上的半封閉小型無油活塞式壓縮機(圖 3) 進行了開發(fā)研究4 ,日本 denso 公司設計開發(fā)了用于co2熱水器的渦旋壓縮機(圖 4)5 ,還有日本m ycom公司推出的co2單級螺桿壓縮機,主要應用于冷凍 、 空調系統(tǒng) ,整個機組的設計是冷熱同時利用,壓縮機的排氣用來加熱熱水,機組設油水蓄熱槽, 低溫co2用于制冷

15、 。圖2dorin公司開發(fā)的半封閉式活塞壓縮機圖3zurich大學的co2無油壓縮機圖4日本denso公司開發(fā)的co2渦旋壓縮機3. 2 膨脹機co2膨脹機相當于制冷空調產(chǎn)品中的節(jié)流裝置 ,是提高制冷量和降低壓縮機輸入功率的重要設備 。理 想 膨 脹 機 可 以 使 系 統(tǒng) 性 能 提 高 45 %75 % ,因此 ,開發(fā) co2膨脹機已經(jīng)成為推動co2跨臨界循環(huán)走向實際應用的重要途徑。目前國際上對于 co2膨脹機的研究不多,缺乏公開的文獻描述膨脹機原型機的研究和制造,有一些機構和大學正在進行相關內容的研究,初步成果和樣機已申報了專利 。挪威科技大學n tnu 實驗室的tondell進行了 c

16、o2透平膨脹機實驗研究6 ,該膨脹機由噴管 、 主軸和渦輪等組成,其效率為5 %20 % ,主要是由于渦輪的直徑過大,導致運行摩擦大,效率較低 。purdue 大學開發(fā)了co2活塞汽缸膨脹機(圖5)7 ,該膨脹機由2個汽缸 、2個活塞和連接桿組成 ,膨脹機排氣容積為2 13. 26 cm3,設計轉速為 120 r/ min ,該樣機的等熵效率約為10 %。天津大學熱能研究所目前已開發(fā)出第二代co2滾動活塞膨脹機 (圖 6)8 ,該膨脹機的絕熱效率為30 %以上 ,最高效率達到46 %。目前 ,將膨脹機應用于co2制冷系統(tǒng)回收膨脹功的方法有 : 將發(fā)電機與膨脹機的輸出軸連接,靈活應用其電力。將膨

17、脹機的輸出軸與壓縮機的驅動軸連接,作為壓縮動力的一部分。將膨脹機和壓縮機作成一體結構,不向外部輸出膨脹壓力,回收作為壓縮動力的一部分加以利用。圖5purdue大學開發(fā)的co2活塞汽缸膨脹機?3?第6期 史敏 等:二氧化碳制冷技術? 1994-2009 china academic journal electronic publishing house. all rights reserved. http:/圖6天津大學開發(fā)的滾動活塞式膨脹機示意圖3.3 氣體冷卻器 / 蒸發(fā)器co2跨臨界循環(huán)系統(tǒng)的運行壓力較高,并且co2有良好的傳熱特性和容積制冷量,因此 ,氣體冷卻器和蒸發(fā)器設計得更為緊湊、

18、高效 。對于氣體冷卻器 ,為了充分利用超臨界過程的溫度特性,冷卻過程應盡量采用逆流式換熱方式。co2氣體冷卻器主要有2 種類型 :一種是用空氣冷卻,一般用于汽車空調 、 家用空調等方面;另一種是用水冷卻,主要是套管式和殼管式兩種類型的換熱器,常用于熱泵熱水器。目前 ,在 co2跨臨界制冷循環(huán)系統(tǒng)中 ,微通道換熱器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的翅片管換熱器是氣體冷卻器和蒸發(fā)器發(fā)展的趨勢。微通道換熱器的主要優(yōu)點是高效、 耐壓 、 體積小 、 制冷劑充灌量少。氣體冷卻器集管的橫截面通常是圓形,內徑略大于微通道管。由于 co2系統(tǒng)中的高壓,設計雙入口集管 ,可大大減少集管質量、 尺寸和換熱器內部面積 。pettersen

19、等設計開發(fā)的微通道氣體冷卻器如圖7 所示9 ,使用這種裝置的co2系統(tǒng)的co p顯著提高 。微通道蒸發(fā)器目前是汽車空調工業(yè)的研究課題,圖8所示的是一個大小適合于賽車的 co2換熱器,它的左邊是制冷量比前者低的傳統(tǒng) r134a 蒸發(fā)器10 。日本一些廠家已將co2熱泵熱水器推向市場,為了使系統(tǒng)更加緊湊高效,所用的 co22水氣體冷卻器通常有多種形式,如圖 9所示11 。圖7平行流式微通道氣體冷卻器圖8 汽車空調中的傳統(tǒng)r134a蒸發(fā)器(左)與co2蒸發(fā)器(右) 圖9co2熱泵熱水器中2種co22水氣體冷卻器4 co2制冷裝置4. 1 co2汽車空調co2汽車空調系統(tǒng)的研究由挪威sintef 研究

20、所率先發(fā)起 ,他們先從理論上論述了co2用于汽車空調領域的可能性,隨后又對co2汽車空調系統(tǒng)進行了樣機實驗。 美國 uiuc 大學建立了相應的汽車空調實驗臺 ,對系統(tǒng)中回熱器特性進行了研究,并與r134a和 r410a 等工質進行了比較。danfoss建立了 co2跨臨界汽車空調實驗臺,對系統(tǒng)的調節(jié)部件進行了分析和研究。cals onic kansei公司公布的該公司 co2轎車空調研制方面的進展表明,co2汽車空調系統(tǒng)與r134a系統(tǒng)的制冷性能相當12 。benz公司現(xiàn)已開始生產(chǎn)裝備co2汽車空調系統(tǒng)的轎車,k onvecta公司生產(chǎn)的以co2為工質的空調公交車已運行數(shù)年。 這些研究和成果表

21、明,co2跨臨界循環(huán)用于汽車空調不僅具有環(huán)境方面的優(yōu)勢,而且在系統(tǒng)效率方面也有提高的潛力。4. 2 co2熱泵熱水器co2熱泵熱水器的吸熱過程在亞臨界條件下進行 ,換熱主要依靠潛熱來完成;而冷凝過程則是在超過臨界點的區(qū)域內進行,放熱依靠顯熱來完成,是一個伴隨有較大溫度滑移的變溫過程。這正好可與水加熱時的溫升相匹配,自然可減少高壓側不可逆?zhèn)鳠嵋鸬哪芰繐p失,既可滿足用戶的需要又能有效提高系統(tǒng)的性能,因此 co2熱泵熱水器較早地引起了人們的重視。?4?制 冷 與 空 調 第7卷 ? 1994-2009 china academic journal electronic publishing hou

22、se. all rights reserved. http:/1994 年 ,挪威 sin tef 研究所率先對co2跨臨界循環(huán)在熱泵上的應用作了理論和實驗上的研究 ,隨后他們制作了co2熱泵熱水器樣機,對其性能和系統(tǒng)設計進行了試驗研究。實驗結果表明,在蒸發(fā)溫度為0 時 ,水溫可以從9 加熱到 60 ,其熱泵能效比可高達4. 3。同時 ,比起電熱水器和燃氣熱水器,它的能耗可降低75 % ,甚至更多13 。此外 ,他們發(fā)現(xiàn)co2熱泵系統(tǒng)最為顯著的優(yōu)點是它易于提供90 的熱水 ,這是傳統(tǒng)熱泵熱水器所不及的 。日本對co2熱泵熱水器的研究開發(fā)起步較早 ,但目前的相關技術也較為成熟。在 1995 年

23、,日本 criepi ,東京電力公司和denso 公司就開始合作研究 co2熱泵系統(tǒng),開發(fā)以co2為工質的家用熱泵熱水器,產(chǎn)品自 2002 年投放市場后,銷售量穩(wěn)步上升 。它以其節(jié)能 、 環(huán)保 、 高效的性能享有 “生態(tài)精靈”( eco cu te) 的稱號 。日本三洋 、 大金等公司也相繼研制開發(fā)推出了各有特色的co2熱泵熱水器 ,且cop也隨之提高。sanyo 公司研發(fā)出了高效多功能天然工質co2熱泵式加熱器,其制熱功率為 7 kw ,可廣泛應用于地板、 浴室加熱系統(tǒng)和除濕系統(tǒng) 。日本近幾年co2熱泵熱水器的市場銷量如圖10 所示14 。圖10200222006年日本co2熱泵熱水器市場銷

24、量5 結束語目前 ,co2制冷方面的研究多針對系統(tǒng),較少針對部件進行優(yōu)化設計,僅有的部件設計或是設計簡單 ,或是理論研究。因此 ,系統(tǒng)和部件的各個方面都還有很大的改進余地。提高系統(tǒng)循環(huán)效率,進行系統(tǒng)裝置的結構設計和優(yōu)化是co2循環(huán)系統(tǒng)應用研究的關鍵,研究的方向和重點主要為:膨脹機的結構設計和優(yōu)化,進行膨脹機內部兩相流過程的研究 ;開展超臨界co2流動傳輸特性的研究;進行氣體冷卻器和蒸發(fā)器的結構設計和優(yōu)化;開展跨臨界循環(huán)系統(tǒng)的壓比控制和容量調節(jié)方法的研究。除此以外,系統(tǒng)裝置的安全可靠性研究也是應用中需重點關心的一個問題。參 考 文 獻 1王如竹,丁國良.制冷空調新技術進展.上海交通大學出版社,2

25、001. 2俞炳豐.制冷與空調新技術.北京:化工工業(yè)出版社, 2002. 3http :www. dorin. com/ .4 http :www. energy. kth. se/annex27/projects- switzer2land. html. 5http :www. globaldens co2/c. html. 6tondelle.impulse expander for co2the 7thiirgustav lorentzenconference on natural workingflu2ids.norway : trondheim , 2006 : 1072110.7

26、baek j s,groll e a , lawlessp b.piston2cylinderworkproducingexpansion device ina transcriticalcarbon dioxidecycle.int j of refrigeration , 2005 :1412164. 8管海清,馬一太,李敏霞,等.co2滾動活塞膨脹機的設計與性能測試.制冷與空調, 2004 , 4 (3) : 51255. 9pettersenj , hafner a , skaugen g, rekstad h. develop2ment of compact heat exchange