二氧化碳制冷技術(shù)

1、? 1994-2009 china academic journal electronic publishing house. all rights reserved. http:/二氧化碳制冷技術(shù)史敏 賈磊 鐘瑜 舒國安 王磊(合肥通用機(jī)械研究院)摘 要 co2作為一種天然工質(zhì),是目前cfcs工質(zhì)替代的一個(gè)重點(diǎn)研究方向。根據(jù)co2作為制冷劑的相關(guān)熱物理和化學(xué)性質(zhì)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(guān)鍵設(shè)備 壓縮機(jī) 、 膨脹機(jī) 、 氣體冷卻器/蒸發(fā)器的研究進(jìn)展情況,并對采用co2作制冷劑的汽車空調(diào) 、 熱泵系統(tǒng)的應(yīng)用進(jìn)行綜述,指出今后研究

2、的發(fā)展方向。關(guān)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(hù)環(huán)境、替代 cfcs 已經(jīng)成為全球共同關(guān)注的問題。從1985 年的 保護(hù)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(huì)議和1992 年哥本哈根會(huì)議對蒙特利爾議定書的修正 ,世界范圍內(nèi)的cfcs 替代進(jìn)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(zhì)逐步淘汰國家方案,并于1993 年 1 月獲國務(wù)院批準(zhǔn)。因此 ,逐步淘汰odss已經(jīng)成為一項(xiàng)國際責(zé)任。替代工質(zhì)應(yīng)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(xué)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(yīng)的技術(shù)和設(shè)備,在制冷空調(diào)行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用。蒙特利爾議定書 對于 cfcs 和 hcfcs 等物質(zhì)強(qiáng)制要求限期逐步淘汰,并規(guī)定了發(fā)達(dá)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(huì)導(dǎo)致明顯的溫室效應(yīng)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(diào)領(lǐng)域禁止使用hfcs ,并且進(jìn)一步提議從某些領(lǐng)域逐步淘汰h(huán)fcs。有些國家立法將在 21 世紀(jì) 20 年代嚴(yán)格限制或淘汰使用r134a 制冷劑 ,這就使得制冷與空調(diào)行業(yè)在適應(yīng)淘汰cfc

6、s和 hcfcs 類制冷劑轉(zhuǎn)向使用hfcs制冷劑時(shí)又必須尋求新的替代物。目前 ,制冷劑替代的一個(gè)研究方向是使用天然工質(zhì) ,而 co2是其中的一個(gè)重點(diǎn)研究方向。作為制冷劑,co2在19世紀(jì)末到20世紀(jì)二三十年代曾被使用過。但限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)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(diào)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(shè)備很笨重,大多用于船舶。前國際制冷學(xué)會(huì)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(diào)和熱泵領(lǐng)域,系統(tǒng)性能系數(shù)與常規(guī)空調(diào)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(shí)間進(jìn)行研究和開發(fā)。雖然 co2具有很高的系統(tǒng)壓力,導(dǎo)致的可靠性、 安全性問題令人擔(dān)憂,但由于其具有環(huán)境性能優(yōu)良、 經(jīng)濟(jì)性好 、 化學(xué)穩(wěn)定性好、 安全無毒不可燃 、 熱力性能良好等方面的特點(diǎn),從長遠(yuǎn)角度看 ,co2制冷系統(tǒng)具有開發(fā)潛力。1

8、co2的性質(zhì)co2在常溫下是一種無色無味的氣體。作為地球生物圈內(nèi)的天然物質(zhì)之一,它產(chǎn)量豐富,價(jià)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(zhì)hfcs 及其混合物的gw p比co2高 1 000 2 000 倍 ,在這一點(diǎn)上co2具有明顯的優(yōu)勢 。co2與水混合時(shí)呈弱酸性,會(huì)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(jià),即使在高溫下也不會(huì)分解產(chǎn)生有害氣體,具有非常穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)。co2的黏度很低,0 時(shí)其飽和液體的運(yùn)動(dòng)黏度只有氨的 5. 2 % ,這樣可以提高它的流速,但壓降不會(huì)太大 。co2的導(dǎo)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(jìn)一步減小部件和系統(tǒng)的尺寸和質(zhì)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(diǎn)溫度t/- 56. 55- 160- 115- 187. 7標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)to/- 78. 4- 40. 8- 26. 2- 43. 8- 51. 56- 42. 20 時(shí)容積制冷量/ (kj/ m3)22 6004 3442 8602 9474 1903 870安全等級評價(jià)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(shí)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(zhì)的循環(huán)過程沒有相變 ,制冷空調(diào)應(yīng)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(shí)壓縮機(jī)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(shè)備所用復(fù)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(shí)壓縮機(jī)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(jìn)行。 但是壓縮機(jī)

12、排氣壓力高于臨界壓力 ,工質(zhì)在高壓側(cè)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(shí)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(diǎn)和特殊的應(yīng)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(chǔ)上,已發(fā)展出多種改進(jìn)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(jī)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(jì)器的co2跨臨界制冷循環(huán)等。?2?制 冷 與 空 調(diào) 第7卷 ? 1994-2009 china academic journal electronic publishin

13、g house. all rights reserved. http:/3 co2系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備3.1 壓縮機(jī)與常規(guī)制冷壓縮機(jī)相比,co2壓縮機(jī)的吸氣壓力約為3. 5 4. 5 mpa ,排氣壓力更是高達(dá)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(shí),其體積約為r134a壓縮機(jī)的25 %。co2壓縮機(jī)在大壓差下運(yùn)行 ,需要壓力較高的油泵供油,導(dǎo)致熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(diǎn),co2壓縮機(jī)的研究開發(fā)一直是壓縮機(jī)行業(yè)的難點(diǎn)。盡管國外已經(jīng)開發(fā)出一些樣機(jī)或產(chǎn)品,但成果的關(guān)鍵技

14、術(shù)都處于保密階段,國內(nèi)還未出現(xiàn)相關(guān)產(chǎn)品。意大利officin e mariodorin公司開發(fā)的半封閉式活塞壓縮機(jī)(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(jī)。由于 co2輸氣量小且殼體厚 ,高轉(zhuǎn)速下仍具有很好的噪聲特性和振動(dòng)特性 。瑞士的蘇黎世大學(xué)對應(yīng)用在家庭熱水器上的半封閉小型無油活塞式壓縮機(jī)(圖 3) 進(jìn)行了開發(fā)研究4 ,日本 denso 公司設(shè)計(jì)開發(fā)了用于co2熱水器的渦旋壓縮機(jī)(圖 4)5 ,還有日本m ycom公司推出的co2單級螺桿壓縮機(jī),主要應(yīng)用于冷凍 、 空調(diào)系統(tǒng) ,整個(gè)機(jī)組的設(shè)計(jì)是冷熱同時(shí)利用,壓縮機(jī)的排氣用來加熱熱水,機(jī)組設(shè)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(jī)圖3zurich大學(xué)的co2無油壓縮機(jī)圖4日本denso公司開發(fā)的co2渦旋壓縮機(jī)3. 2 膨脹機(jī)co2膨脹機(jī)相當(dāng)于制冷空調(diào)產(chǎn)品中的節(jié)流裝置 ,是提高制冷量和降低壓縮機(jī)輸入功率的重要設(shè)備 。理 想 膨 脹 機(jī) 可 以 使 系 統(tǒng) 性 能 提 高 45 %75 % ,因此 ,開發(fā) co2膨脹機(jī)已經(jīng)成為推動(dòng)co2跨臨界循環(huán)走向?qū)嶋H應(yīng)用的重要途徑。目前國際上對于 co2膨脹機(jī)的研究不多,缺乏公開的文獻(xiàn)描述膨脹機(jī)原型機(jī)的研究和制造,有一些機(jī)構(gòu)和大學(xué)正在進(jìn)行相關(guān)內(nèi)容的研究,初步成果和樣機(jī)已申報(bào)了專利 。挪威科技大學(xué)n tnu 實(shí)驗(yàn)室的tondell進(jìn)行了 c

16、o2透平膨脹機(jī)實(shí)驗(yàn)研究6 ,該膨脹機(jī)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(dǎo)致運(yùn)行摩擦大,效率較低 。purdue 大學(xué)開發(fā)了co2活塞汽缸膨脹機(jī)(圖5)7 ,該膨脹機(jī)由2個(gè)汽缸 、2個(gè)活塞和連接桿組成 ,膨脹機(jī)排氣容積為2 13. 26 cm3,設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速為 120 r/ min ,該樣機(jī)的等熵效率約為10 %。天津大學(xué)熱能研究所目前已開發(fā)出第二代co2滾動(dòng)活塞膨脹機(jī) (圖 6)8 ,該膨脹機(jī)的絕熱效率為30 %以上 ,最高效率達(dá)到46 %。目前 ,將膨脹機(jī)應(yīng)用于co2制冷系統(tǒng)回收膨脹功的方法有 : 將發(fā)電機(jī)與膨脹機(jī)的輸出軸連接,靈活應(yīng)用其電力。將膨

17、脹機(jī)的輸出軸與壓縮機(jī)的驅(qū)動(dòng)軸連接,作為壓縮動(dòng)力的一部分。將膨脹機(jī)和壓縮機(jī)作成一體結(jié)構(gòu),不向外部輸出膨脹壓力,回收作為壓縮動(dòng)力的一部分加以利用。圖5purdue大學(xué)開發(fā)的co2活塞汽缸膨脹機(jī)?3?第6期 史敏 等:二氧化碳制冷技術(shù)? 1994-2009 china academic journal electronic publishing house. all rights reserved. http:/圖6天津大學(xué)開發(fā)的滾動(dòng)活塞式膨脹機(jī)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(yùn)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(shè)計(jì)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(yīng)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(diào) 、 家用空調(diào)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(diǎn)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(nèi)徑略大于微通道管。由于 co2系統(tǒng)中的高壓,設(shè)計(jì)雙入口集管 ,可大大減少集管質(zhì)量、 尺寸和換熱器內(nèi)部面積 。pettersen

19、等設(shè)計(jì)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(diào)工業(yè)的研究課題,圖8所示的是一個(gè)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(diào)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(diào)co2汽車空調(diào)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(diào)領(lǐng)域的可能性,隨后又對co2汽車空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行了樣機(jī)實(shí)驗(yàn)。 美國 uiuc 大學(xué)建立了相應(yīng)的汽車空調(diào)實(shí)驗(yàn)臺 ,對系統(tǒng)中回?zé)崞魈匦赃M(jìn)行了研究,并與r134a和 r410a 等工質(zhì)進(jìn)行了比較。danfoss建立了 co2跨臨界汽車空調(diào)實(shí)驗(yàn)臺,對系統(tǒng)的調(diào)節(jié)部件進(jìn)行了分析和研究。cals onic kansei公司公布的該公司 co2轎車空調(diào)研制方面的進(jìn)展表明,co2汽車空調(diào)系統(tǒng)與r134a系統(tǒng)的制冷性能相當(dāng)12 。benz公司現(xiàn)已開始生產(chǎn)裝備co2汽車空調(diào)系統(tǒng)的轎車,k onvecta公司生產(chǎn)的以co2為工質(zhì)的空調(diào)公交車已運(yùn)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(diào)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(jìn)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(diǎn)的區(qū)域內(nèi)進(jìn)行,放熱依靠顯熱來完成,是一個(gè)伴隨有較大溫度滑移的變溫過程。這正好可與水加熱時(shí)的溫升相匹配,自然可減少高壓側(cè)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(diào) 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(yīng)用作了理論和實(shí)驗(yàn)上的研究 ,隨后他們制作了co2熱泵熱水器樣機(jī),對其性能和系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了試驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在蒸發(fā)溫度為0 時(shí) ,水溫可以從9 加熱到 60 ,其熱泵能效比可高達(dá)4. 3。同時(shí) ,比起電熱水器和燃?xì)鉄崴?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(diǎn)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(guān)技術(shù)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(zhì)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(zhì)co2熱泵式加熱器,其制熱功率為 7 kw ,可廣泛應(yīng)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(jié)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(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),僅有的部件設(shè)計(jì)或是設(shè)計(jì)簡單 ,或是理論研究。因此 ,系統(tǒng)和部件的各個(gè)方面都還有很大的改進(jìn)余地。提高系統(tǒng)循環(huán)效率,進(jìn)行系統(tǒng)裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化是co2循環(huán)系統(tǒng)應(yīng)用研究的關(guān)鍵,研究的方向和重點(diǎn)主要為:膨脹機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化,進(jìn)行膨脹機(jī)內(nèi)部兩相流過程的研究 ;開展超臨界co2流動(dòng)傳輸特性的研究;進(jìn)行氣體冷卻器和蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化;開展跨臨界循環(huán)系統(tǒng)的壓比控制和容量調(diào)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(yīng)用中需重點(diǎn)關(guān)心的一個(gè)問題。參 考 文 獻(xiàn) 1王如竹,丁國良.制冷空調(diào)新技術(shù)進(jìn)展.上海交通大學(xué)出版社,2

25、001. 2俞炳豐.制冷與空調(diào)新技術(shù).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(dòng)活塞膨脹機(jī)的設(shè)計(jì)與性能測試.制冷與空調(diào), 2004 , 4 (3) : 51255. 9pettersenj , hafner a , skaugen g, rekstad h. develop2ment of compact heat exchange