專題四-二氧化碳制冷系統(tǒng)(第7題)制冷與低溫研究所課件

1、CO2 Refrigeration cycle二氧化碳制冷循環(huán)7/24/20222CO2制冷的發(fā)展與現(xiàn)狀制冷劑的發(fā)展推動制冷技術的進步氟利昂對臭氧層的破壞和溫室效應，迫切需要新的制冷工質二氧化碳作為天然工質，具有良好的熱力性能和環(huán)保特征汽車空調、熱泵、復疊式制冷中得到廣泛應用前言CO2活塞式壓縮機1.早期CO2壓縮機以活塞式壓縮機為主2.1989年NTNU（挪威科技大學）首次CO2試驗用丹麥BABROE公司制造的雙缸CO2活塞式壓縮機3.意大利DORIN公司開發(fā)的半封閉式活塞CO2壓縮機批量生產(chǎn)，包括雙缸單級和兩級活塞式壓縮機，可用于空調和熱泵4. CO2汽車空調壓縮機的開發(fā)CO2滑片式壓縮機

2、1.容積式壓縮機的一種2.美國馬里蘭大學Radermacher R和日本靜岡大學Fukuta M合作CO2渦旋壓縮機1.日本松下（MATSUSHITA）公司在R134a渦旋壓縮機的基礎上開發(fā)了CO2渦旋壓縮機2.日本三菱重工（MITSUBISHI）公司開發(fā)用于CO2熱水器的CO2渦旋壓縮機CO2螺桿式壓縮機1.日本MAYCOM公司CO2單級螺桿壓縮機主要用于冷凍、空調系統(tǒng)2.倫敦城市大學Stosic等人研制了雙螺桿膨脹壓縮機3.西安交大王炳明等人研發(fā)了NH3/CO2復疊制冷系統(tǒng)的二氧化碳螺桿式壓縮機CO2滾動轉子式壓縮機大金daikin有限公司于2002年2月開發(fā)了用于熱泵、熱水器和汽車空調的

3、高性能和可靠性的滾動轉子式壓縮機楊軍等設計了一種新型全封閉旋轉式CO2壓縮機7/24/20229CO2制冷劑的優(yōu)缺點 艾孜爾江CO2 Refrigeration cycle二氧化碳制冷循環(huán)7/24/202210CO2制冷劑具有的主要優(yōu)勢1.CO2是天然物質，ODP=0，GWP=1。2.CO2安全無毒、不可燃，并具有良好的熱穩(wěn)定性，即使在高溫下也不會分解出有害的氣體。3.CO2具有與制冷循環(huán)和設備相適應的熱物性。4.CO2黏度小。CO2制冷劑存在的主要缺點1.CO2臨界壓力較高。 雖然系統(tǒng)的工質壓力高，但容積較小，其壓力和容積的乘積與常規(guī)工質相差不大，設備內(nèi)氣體的爆炸能量增加的并不多。2.CO2

4、單級壓縮跨臨界循環(huán)的性能系數(shù)COP比相同溫度條件下的R12、R22、R134a等常規(guī)制冷劑的制冷性能系數(shù)都低。 完全可以通過完善系統(tǒng)循環(huán)方式、優(yōu)化系統(tǒng)設備來解決，如采用雙級壓縮和采用膨脹機回收一部分膨脹功的措施加以改善，來提高制冷循環(huán)效率。CO2制冷劑的安全問題1.可燃性 CO2是不可燃的，甚至可以用來做滅火器。2.毒性 雖然CO2本身沒有毒性，但是在封閉的空間內(nèi)CO2濃度高于5%時，會發(fā)生窒息等情況。3.高壓 CO2制冷系統(tǒng)的工作壓力比其他常用制冷系統(tǒng)的工作壓力大。CO2制冷系統(tǒng)的應用成本1.制冷工質的成本 因為CO2通常是其他工業(yè)產(chǎn)品的副產(chǎn)品，所以價格是非常低廉的。2.系統(tǒng)零部件的制造成本

5、 CO2制冷劑的運行壓力高，但是排量小。 排量小可以縮小壓縮機的體積，減少材料用量。 而壓力高導致要增加高壓區(qū)域的材料厚度以提升耐壓能力。CO2制冷劑的應用前景 有研究結果表明，CO2系統(tǒng)在高環(huán)境溫度（45以上）時，制冷性能低于傳統(tǒng)系統(tǒng)，3545間與傳統(tǒng)系統(tǒng)相近，35以下時性能更優(yōu)。 工業(yè)生產(chǎn)不會為了獲得CO2制冷劑而專門進行生產(chǎn)，甚至從某種程度上講，將CO2用作制冷劑是減少了CO2的排放，更加符合環(huán)保理念的要求。7/24/202215CO2制冷循環(huán)的熱力分析 周漢威CO2 Refrigeration cycle二氧化碳制冷循環(huán)12/29/2015 丁國良 二氧化碳制冷技術新發(fā)展 制冷空調與電

6、力機械（2002）02-0001-06 上海交通大學16CO2 Refrigeration cycle二氧化碳制冷循環(huán)12/29/2015 季建剛 黎立新 蔣維鋼 跨臨界循環(huán)二氧化碳制冷系統(tǒng)研究進展 機電設備2002年第4期17 CO2 Refrigeration cycle二氧化碳制冷循環(huán)12/29/2015 蔣云云 新型吸收/跨臨界復合制冷系統(tǒng)研究特性 浙江大學碩士學位論文 2014年1月18日18 循環(huán)特點：1. 放熱過程為顯熱換熱，具有較大的溫度滑移。溫度滑移與冷卻介質的溫升相匹配，可以視為一種兩個熱源之間的無溫差熱交換過程，即變溫熱源的洛倫茲循環(huán)。但是由于制冷劑被節(jié)流到兩相區(qū)，節(jié)流損

7、失遠大于常規(guī)制冷循環(huán)的節(jié)流損失，因此COP較低。這成為制約其發(fā)展的初因。CO2 Refrigeration cycle二氧化碳制冷循環(huán)12/29/2015 馬一太 低GWP工質替代策略和二氧化碳制冷熱泵循環(huán)關鍵技術 第七屆中國制冷空調行業(yè)信息大 會論文集 天津大學熱能研究所19CO2 Refrigeration cycle二氧化碳制冷循環(huán)12/29/2015 馬一太 低GWP工質替代策略和二氧化碳制冷熱泵循環(huán)關鍵技術 第七屆中國制冷空調行業(yè)信息大 會論文集 天津大學熱能研究所20CO2 Refrigeration cycle二氧化碳制冷循環(huán)12/29/2015 馬一太 低GWP工質替代策略和二

8、氧化碳制冷熱泵循環(huán)關鍵技術 第七屆中國制冷空調行業(yè)信息大 會論文集 天津大學熱能研究所21CO2 Refrigeration cycle二氧化碳制冷循環(huán)12/29/2015 崔曉龍 跨臨界CO2循環(huán)最優(yōu)高壓側壓力研究 中國制冷學會2007年學術年會創(chuàng)新與發(fā)展22CO2 Refrigeration cycle二氧化碳制冷循環(huán)12/29/2015 馬一太 低GWP工質替代策略和二氧化碳制冷熱泵循環(huán)關鍵技術 第七屆中國制冷空調行業(yè)信息大 會論文集 天津大學熱能研究所23CO2 Refrigeration cycle二氧化碳制冷循環(huán)12/29/2015 馬一太 低GWP工質替代策略和二氧化碳制冷熱泵循

9、環(huán)關鍵技術 第七屆中國制冷空調行業(yè)信息大 會論文集 天津大學熱能研究所247/24/202225CO2制冷循環(huán)中的關鍵設備 付立宸7/24/202226CO2 Refrigeration cycle二氧化碳制冷循環(huán)二氧化碳的節(jié)流損失 根據(jù)熱力學原理，在節(jié)流過程中系統(tǒng)對環(huán)境做功 -W=p2V2-p1V1（V1及V2分別為始態(tài)和終態(tài)的體積。）又 Q=0，且 U=Q-W=-(p2V2-plV1)所以 U2+p2V2=U1+p1V1即 H2=H1 所以節(jié)流的熱力學實質是焓不改變，或者說它是一個等焓過程。7/24/202227CO2 Refrigeration cycle二氧化碳制冷循環(huán)跨臨界二氧化碳循

10、環(huán) 亞臨界循環(huán)（一般循環(huán)）（氣-液-汽） （液-汽）W=p1V1-p2V2=15x10-5x10=100跨臨界壓差大比體積變化不大W=p1V1-p2V2=14x10-10 x13=10亞臨界壓差小體積變大7/24/202228CO2 Refrigeration cycle二氧化碳制冷循環(huán)TS 在T-S圖中能明顯看出同一種工質的跨臨界循環(huán)和亞臨界循環(huán)（相同制冷量）中能量的損失（熵增）的差異。 但是二氧化碳的臨界溫度很低，其亞臨界循環(huán)中的冷凝器進口溫度會過低以至于無法跟環(huán)境換熱，達不到排熱的效果7/24/202229CO2 Refrigeration cycle二氧化碳制冷循環(huán) 由于CO2臨界點低

11、(31.1 , 7.328 MPa), CO2作為制冷劑在空調工況適宜采用跨臨界循環(huán),而CO2跨臨界循環(huán)節(jié)流損失非常大,在相同當量冷凝溫度情況下, CO2循環(huán)的效率比常規(guī)工質低20% 30%(見表1)。但CO2跨臨界循環(huán)的容積膨脹比是2 4,回收的膨脹功約占壓縮功的25% 30%。相關文獻的分析也表明,單級壓縮帶膨脹機CO2制冷循環(huán)的COP可超過相同工作條件下R22或R134a的簡單循環(huán)的COP7/24/202230汽車CO2制冷系統(tǒng) 向鐸7/24/202231CO2 Refrigeration cycle二氧化碳制冷循環(huán)汽車二氧化碳空調系統(tǒng)-by 向鐸7/24/202232CO2 Refri

12、geration cycle二氧化碳制冷循環(huán)汽車二氧化碳空調系統(tǒng)R134a：ODP=0，GWP=1300 二氧化碳：ODP=0，GWP=1R1234yf： ODP=0, GWP=4 （易燃、微毒）7/24/202233CO2 Refrigeration cycle二氧化碳制冷循環(huán)汽車二氧化碳空調系統(tǒng)7/24/202234CO2 Refrigeration cycle二氧化碳制冷循環(huán)汽車二氧化碳空調系統(tǒng)7/24/202235CO2 Refrigeration cycle二氧化碳制冷循環(huán)汽車二氧化碳空調系統(tǒng)7/24/202236CO2 Refrigeration cycle二氧化碳制冷循環(huán)汽車二氧

13、化碳空調系統(tǒng)7/24/202237CO2 Refrigeration cycle二氧化碳制冷循環(huán)汽車二氧化碳空調系統(tǒng)7/24/202238CO2 Refrigeration cycle二氧化碳制冷循環(huán)汽車二氧化碳空調系統(tǒng)7/24/202239CO2 Refrigeration cycle二氧化碳制冷循環(huán)汽車二氧化碳空調系統(tǒng)7/24/202240復疊式CO2制冷系統(tǒng) 吳寒7/24/202241CO2 Refrigeration cycle二氧化碳制冷循環(huán)1.復疊式制冷原理系統(tǒng)低溫級以CO2為制冷工質，高溫級采用NH3或R290等其他工質。為亞臨界循環(huán)溫度區(qū)域從下到上分為低溫、中溫、高溫。7/24

14、/202242CO2 Refrigeration cycle二氧化碳制冷循環(huán)7/24/202243CO2 Refrigeration cycle二氧化碳制冷循環(huán)附件通天塔7/24/202244CO2 Refrigeration cycle二氧化碳制冷循環(huán)2.CO2復疊式制冷的優(yōu)勢1.制冷溫度較低，可達到-50 以下。2. 壓縮機理論輸氣量小，可以減小機組的尺寸。3.系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性提高。 CO2在蒸發(fā)溫度較低有足夠的蒸發(fā)壓力,復疊式制冷系統(tǒng)保持正壓，空氣就難以從外界滲入。4. CO2復疊式制冷系統(tǒng)在-35以下的制冷中效率高，可以減少高溫級循環(huán)的制冷劑充注量，是常規(guī)系統(tǒng)的1/10。5. 當需要兩

15、個制冷溫區(qū)時，是很好的解決方案。7/24/202245CO2 Refrigeration cycle二氧化碳制冷循環(huán)通天塔由圖顯示，在蒸發(fā)溫度為-35時，采用CO2復疊式制冷系統(tǒng)和氨的雙級制冷系統(tǒng)對系統(tǒng)的值并沒有大的影響，但如果蒸發(fā)溫度更低的話，釆用CO2復疊式制冷系統(tǒng)，可以提高系統(tǒng)的COP值。7/24/202246CO2 Refrigeration cycle二氧化碳制冷循環(huán)低溫級冷凝溫度對系統(tǒng)COP值的影響且系統(tǒng)的值隨著低溫循環(huán)冷凝溫度的改變會出現(xiàn)一個最高值。當蒸發(fā)溫度為-30 的時候，出現(xiàn)的最高的值為-8.9 當蒸發(fā)溫度為-40 時，值的最高點出現(xiàn)在-10 左右當蒸發(fā)溫度為-45 的時候，值的最高點則出現(xiàn)在-12.5 7/24/202247C