專題四二氧化碳制冷系統(tǒng)第72017-學生展示

二氧化碳制冷系統(tǒng)第五小組：王亞彬尹志鑫方瀅姜明男劉磊余煒軒CO2制冷系統(tǒng)的背景和發(fā)展歷程、研究現狀010203040506CONTENTSCO2跨臨界循環(huán)及其改進方法CO2復疊式制冷系統(tǒng)CO2汽車空調CO2商業(yè)系統(tǒng)應用CO2與其他工質之間的對比CO2制冷系統(tǒng)的背景和發(fā)展歷程、研究現狀01姜明男CO2制冷系統(tǒng)的背景01130多年歷史無毒且不燃廣泛應用于民用和船用制冷等方面CO2鹵代烴類（CFC）

制冷特性優(yōu)良、壓力適中鹵代烴取代CO2CO2逐漸淘汰對環(huán)境保護和能源節(jié)約的重視CO2環(huán)境友好、天然環(huán)保普遍關注研究熱門CO2制冷系統(tǒng)的發(fā)展歷程01（1）CO2作為制冷劑的歷史冷系統(tǒng)1850年最初提出在蒸汽壓縮系統(tǒng)中采用CO2作為制冷劑1882年設計和開發(fā)采用CO2作為工質的制冷機1884年設計出CO2壓縮制冰系統(tǒng)設計出用于制冷的CO2裝置1886年設計出CO2壓縮機19世紀90年代CO2應用于制冷1919年前后CO2制冷壓縮機廣泛應用在舒適性空調中CO2制冷系統(tǒng)的發(fā)展歷程01（2）CO2被CFC取代，逐漸被淘汰以R12為代表的CFC制冷劑CO2取代無毒、不可燃、不爆炸、無刺激性、適中的壓力和較高的制冷效率效率低，冷量損失大CO2制冷系統(tǒng)的發(fā)展歷程01（3）CO2制冷劑再受重視CFC破壞臭氧層、大氣變暖實現CFC替代HFC？不破壞臭氧層；化學性質穩(wěn)定，釋放后能夠積累，最終導致明顯溫室效應繼續(xù)尋找替代物自然工質CO2再受重視ODP=0，且GWP=l對環(huán)境影響小普遍關注研究熱門CO2制冷系統(tǒng)的研究現狀01跨臨界CO2循環(huán)制冷系統(tǒng)國內外對于跨臨界CO2循環(huán)的研究熱點有很多，包括系統(tǒng)性能、循環(huán)流程優(yōu)化、循環(huán)各主要部件的設計和開發(fā)、潤滑油的匹配等。不過，要設計和開發(fā)出完全適合CO2的循環(huán)流程和各部件還需要很長的一段時間。隨著研究的深入，跨臨界CO2循環(huán)的運行性能、安全性等將會有很大的提高，發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>

CO2跨臨界循環(huán)及其改進方法02尹志鑫co2臨界溫度31.1℃循環(huán)1：亞臨界循環(huán)換熱依靠潛熱完成，冷凝溫度低于臨界溫度循環(huán)2：超臨界循環(huán)所有狀態(tài)點都在臨界點之上，實質上是氣體循環(huán)，沒有相變循環(huán)3：跨臨界循環(huán)最常見的CO2循環(huán)系統(tǒng)但節(jié)流損失比較大cop相比其他制冷劑較低1.由于超臨界co2的冷凝過程是氣態(tài)，所以冷凝器改稱為氣體冷卻器。2.為提高cop，從冷卻器出來的氣體經回熱器進行進一步的冷卻。3.儲液器的作用是使氣液分離，補充制冷劑。改進方案02·3~4為節(jié)流閥過程·3~4'為膨脹機過程改變后，COP即可由COP=（h1-h4）/（h2-h1）變?yōu)镃OP=（h1-h4’）/（h2-h1）顯然是可以增加制冷量的使用膨脹機代替節(jié)流閥可使系統(tǒng)的性能系數增加25%方案一：減少節(jié)流損失1方案二：控制最優(yōu)壓力特點：循環(huán)存在最優(yōu)壓力pgotm原因：在超臨界區(qū)，溫度和壓力相互獨立，同時決定流體的焓值，所以在蒸發(fā)溫度和冷卻器出口溫度不變的前提下，可以改變高壓壓力pg，同時對制冷量和壓縮功產生影響，此時存在cop的最大值。

方案二：控制最優(yōu)壓力方案3：采用雙級壓縮制冷循環(huán)結論：1）CO2跨臨界雙級壓縮系統(tǒng)存在最大COP，二次節(jié)流的形式的COP遠大于一次節(jié)流的，不完全冷卻的COP大于完全冷卻的。2）在高壓壓力給定的條件下，二次節(jié)流中間不完全冷卻的CO2

跨臨界雙級壓縮形式系統(tǒng)在性能和設備選型上具有很大的優(yōu)勢；方案3：采用雙級壓縮制冷循環(huán)最佳cop隨蒸發(fā)溫度的變化最佳cop隨氣體冷卻器出口溫度的變化（冷卻器出口溫度為35℃，其他條件不變）（蒸發(fā)溫度為10℃，其他條件不變）結論：在給定的條件下，系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度、冷凝溫度對系統(tǒng)的制冷系數都有影響，其中，氣體冷卻器出口溫度影響較大。在系統(tǒng)設計和設備選型時候應該盡量減小氣體冷卻器出口溫度和選取較高效率壓縮機，從而保證系統(tǒng)高效安全的運行。方案3：采用雙級壓縮制冷循環(huán)CO2復疊式制冷系統(tǒng)03方瀅CO2復疊式制冷系統(tǒng)03CO2復疊式制冷系統(tǒng)03傳統(tǒng)高溫R22R22R22低溫R13R23R12CO2復疊式高溫NH3R290CO2低溫CO2CO2含CO2的混合物CO2復疊式制冷系統(tǒng)02減小機組的尺寸系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性提高減少制冷劑充注量CO2復疊式制冷系統(tǒng)03CO2復疊式制冷系統(tǒng)03CO2復疊式制冷系統(tǒng)03CO2汽車空調04王亞彬CO2汽車空調結構CO2跨臨界循環(huán)氣體冷卻器蒸發(fā)器內部氣體換熱器（回熱器）氣液分離器（儲液器）節(jié)流閥（自動控制閥）04CO2汽車空調CO2作為汽車空調制冷劑的優(yōu)勢04CO2汽車空調受環(huán)境影響更小實現更大的溫降減少傳熱損失具有較大的單位容積制冷量，便于結構的縮小優(yōu)化能夠使用逆流式換熱器，使傳熱情況更優(yōu)不會因為工作環(huán)境惡劣而對環(huán)境造成破壞。GWP=1ODP=0CO2汽車空調的開發(fā)情況1.BMW、DAIMLERBENZ、VOLVO、德國大眾、Danfoss、Valeo等歐洲著名公司發(fā)起了名為“RACE”的聯合項目，主要目的是研制CO2汽車空調系統(tǒng)2.德國KONVECTA生產的以二氧化碳為工質的空調公交客車從1996年運行至今3.

DANFOSS、奧地利的Obrist、英國均已研制出二氧化碳車用壓縮機。日本的DENSO、ZEXEL的二氧化碳壓縮機已進入小批量生產階段。2000年7月在美國Arizona召開的SAE年會上展出的VISTEON、CALSONIC、MODINE、DC公司的二氧化碳汽車空調系統(tǒng)的主要性能均已超過R134a系統(tǒng)04CO2汽車空調04CO2汽車空調CO2汽車空調的一些研發(fā)標準04CO2汽車空調目前汽車空調主要使用的制冷劑為R134a其替代物主要為R1234yf、CO2·

在環(huán)境溫度不高時，使用二氧化碳作為汽車空調的制冷劑能夠達到與R134a相同的制冷情況；·由于二氧化碳二氧化碳的壓力跨度過大，不能夠直接替代；·R1234yf在性能上和R134a接近，基本上可以實現原裝置直接充注使用。04CO2汽車空調CO2汽車空調目前的主要問題1.高運行壓力帶來的高運行成本，如密封潤滑等問題2.更好的壓縮機的進一步開發(fā)3.仍然是一種溫室氣體4.最優(yōu)工況的選擇二氧化碳商業(yè)系統(tǒng)應用05余煒軒商用制冷現狀（大、中型超市）05大、中型超市的制冷負載一般包括：中、低溫陳列柜，冷凍物冷藏冷庫和冷卻物冷藏冷庫，中高溫加工間和制冰機等。按應用溫度范圍可分為中溫和低溫兩個溫區(qū)：中溫區(qū)：蒸發(fā)溫度一般在-10℃~-15℃，中溫陳列柜、冷卻物冷藏庫或加工間溫度在-2℃~+10℃；低溫區(qū)：蒸發(fā)溫度一般在-40℃~-30℃，低溫陳列柜、冷凍物冷藏庫溫度在-30℃~-20℃?，F在超市大部分采用R22制冷劑，新建超市以R404A或R507制冷劑為主。且目前各國的大、中型超市的制冷系統(tǒng)的制冷劑泄漏嚴重，平均每年的泄漏率都在15%以上，大量HFC/HCFC制冷劑泄漏給我們生存的環(huán)境帶來了潛在威脅，與人們日益關心氣候變化的趨勢背道而馳。因此在超市制冷系統(tǒng)中采用自然制冷劑是必然方向。其中，由于二氧化碳具有很多優(yōu)秀的特性，發(fā)展二氧化碳超市制冷系統(tǒng)受到了特別重視。二氧化碳商業(yè)系統(tǒng)應用05二氧化碳在大、中型的超市制冷系統(tǒng)上的應用有三種基本方式

針對不同的應用需求和超市中有中、低溫兩段溫區(qū)制冷的需要，可在以上3種基本方式的基礎上，組合出各種不同的混合系統(tǒng)作第二制冷劑用于主制冷循環(huán)的二次回路，或稱有相變的二次回路。與采用常規(guī)載冷劑的二次回路不同，二氧化碳液體在蒸發(fā)器盤管內吸熱蒸發(fā)，換熱主要是通過相變的潛熱交換完成作主制冷劑，應用于跨臨界系統(tǒng)，采用跨臨界循環(huán)。高壓側的排熱過程是在跨臨界區(qū)內完成，在這個過程中制冷劑不會發(fā)生相變。作主制冷劑，應用于亞臨界系統(tǒng)，采用亞臨界循環(huán)。一般與其它獨立的中溫回路一起組成復疊系統(tǒng)運行，中溫回路的一個蒸發(fā)器用作二氧化碳亞臨界循環(huán)的冷凝器，保證其處在亞臨界區(qū)內循環(huán)。二氧化碳商業(yè)系統(tǒng)應用05CO2的二次回路系統(tǒng)

——減少主回路制冷劑充注量原理圖如右圖。系統(tǒng)包含兩個回路：1、采用其他制冷劑的主制冷劑回路2、采用CO2作第二制冷劑的二次回路大致流程：

儲液器（液體CO2）——液泵（加壓）——熱負載（展示柜或庫房冷風機盤管）——儲液器（一定干度的氣液兩相流體）

儲液器（氣體CO2）——主制冷系統(tǒng)蒸發(fā)器（氣體CO2冷凝為液體CO2）

——儲液器（液體CO2）相比常規(guī)二次回路優(yōu)勢：1、CO2液體粘性較常規(guī)無相變載冷劑低1~2個數量級，特別是在低溫區(qū)，常規(guī)載冷劑粘性隨溫度下降而明顯增大，采用CO2能明顯節(jié)約液泵耗功。2、CO2二次回路為相變換熱，換熱系數高，CO2汽化潛熱大，故換熱需求一樣時，質量流量小，減小輸送管管徑和液泵型號。3、CO2換熱系數高，在同樣換熱面積和換熱需求的情況下，主制冷回路的蒸發(fā)溫度也可以有一定的提高，從而提高了整個系統(tǒng)的效率。二氧化碳商業(yè)系統(tǒng)應用05原理如右圖。大致流程為：

壓縮機（高溫高壓CO2氣體）—2—氣體冷卻器（無相變冷卻）—3—節(jié)流閥（節(jié)流減壓后形成兩相流）——儲液器（氣液分離）

儲液器（液態(tài)CO2）—4—膨脹閥（減壓）——熱負載（展示柜或庫房冷風機盤管）—6—吸氣總管（過熱氣體）

儲液器（氣態(tài)CO2）—5—壓力調節(jié)閥（減壓）—7—吸氣總管（過熱氣體）

7+6=1——吸氣總管（過熱氣體）——壓縮機（高溫高壓CO2氣體）缺陷：現階段，該系統(tǒng)效率較低，尤其是環(huán)境溫度較高時。此外，由于跨臨界循環(huán)的排氣壓力高達120Bar左右，遠高于常規(guī)系統(tǒng)。CO2跨臨界制冷系統(tǒng)

——完全CO2制冷二氧化碳商業(yè)系統(tǒng)應用05

雙級跨臨界循環(huán)的制冷效率在相似的工況條件下明顯高于單級跨臨界循環(huán)的制冷效率，但總的來說系統(tǒng)效率依然很低（由CO2的低臨界溫度和高排氣壓力特性所決定的）。因為雙級壓縮降低了每級壓縮的壓縮比，提高了壓縮機的容積效率。CO2跨臨界制冷系統(tǒng)

——單級與多級制冷循環(huán)二氧化碳商業(yè)系統(tǒng)應用05原理如右圖。CO2臨界溫度僅為31.1℃，低于典型的夏季的環(huán)境工況35℃，故為實現亞臨界循環(huán)，必須采用其他輔助循環(huán)使得CO2的冷凝溫度在臨界溫度之下。在超市制冷上的典型應用是：采用HFCs（如R404A）的中溫系統(tǒng)為超市的中溫負載提供冷源的同時，在冷凝蒸發(fā)器中冷凝CO2亞臨界系統(tǒng)的高壓排氣；CO2亞臨界系統(tǒng)則為低溫負載提供冷源。優(yōu)勢：亞臨界系統(tǒng)的壓力水平約為40Bar，與現有R410A系統(tǒng)壓力相當，遠低于跨臨界循環(huán)的120Bar。該CO2制冷方式為超市中CO2制冷的重要方式，競爭力非常強。CO2亞臨界復疊系統(tǒng)

——與常規(guī)制冷循環(huán)類似二氧化碳商業(yè)系統(tǒng)應用05CO2復合系統(tǒng)1、中溫采用HFC/CO2作第二制冷劑的二次回路、低溫采用CO2亞臨界循環(huán)。該系統(tǒng)中所有HFC回路集中在機房內，大幅減少了HFC制冷劑的充注量。2、中溫采用CO2跨臨界循環(huán)、低溫采用CO2亞臨界循環(huán)，該系統(tǒng)實現了“完全CO2制冷”。CO2與其他工質之間的對比06劉磊CO2與其他工質之間的對比06優(yōu)點：

1、ODP=0GWP=1，約為R134a、R22的千分之一

2、運動粘度低，壓縮比較低，單位容積制冷量大