二氧化碳制冷技术.pdf

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1、?1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/二氧化碳制冷技术史敏 贾磊 钟瑜 舒国安 王磊(合肥通用机械研究院)摘 要 CO2作为一种天然工质,是目前CFCs工质替代的一个重点研究方向。根据CO2作为制冷剂的相关热物理和化学性质及CO2制冷循环,说明采用CO2作制冷剂、采用跨临界循环的优越性。介绍CO2制冷循环系统关键设备 压缩机、膨胀机、气体冷却器/蒸发器的研究进展情况,并对采用CO2作制冷剂的汽车空调、热泵系统的应用进行综述,指出今后研究的发展方向。关键词 C

2、O2循环 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 cycle ofCO2,an

3、alyzesthe 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 对于大气的重要影响,保护环境、替代 CFCs 已

4、经成为全球共同关注的问题。从1985 年的 保护臭氧层的维也纳公约到 1987 年的 蒙特利尔议定书,以及1990年伦敦会议和1992 年哥本哈根会议对蒙特利尔议定书的修正,世界范围内的CFCs 替代进程在不断加快。1991年 6 月,我国在修改的 蒙特利尔议定书上签字,成为缔约国之一。1992 年 5 7 月编制了中国消耗臭氧层物质逐步淘汰国家方案,并于1993 年 1 月获国务院批准。因此,逐步淘汰ODSs已经成为一项国际责任。替代工质应满足安全性、环境可接受性和装置适用性三方面的要求。经过科学家们多年来的不懈努力,已经研制出大量的过渡性或长期的CFCs和 HCFCs 替 代 物,如 R1

5、34a,R407C,R410A 和R290 等,并研究出相应的技术和设备,在制冷空调行业得到广泛的应用。蒙特利尔议定书 对于 CFCs 和 HCFCs 等物质强制要求限期逐步淘汰,并规定了发达国家和发展中国家的使用期限。而目前使用的HFCs 制冷剂由于会导致明显的温室效应而被京都议定书列入温室气体的清单中。在欧洲,有些国家已经在一些制冷空调领域禁止使用HFCs,并且进一步提议从某些领域逐步淘汰HFCs。有些国家立法将在 21 世纪 20 年代严格限制或淘汰使用R134a 制冷剂,这就使得制冷与空调行业在适应淘汰CFCs和 HCFCs 类制冷剂转向使用HFCs制冷剂时又必须寻求新的替代物。目前,

6、制冷剂替代的一个研究方向是使用天然工质,而 CO2是其中的一个重点研究方向。作为制冷剂,CO2在19世纪末到20世纪二三十年代曾被使用过。但限于当时的技术水平,使用 CO2的第7卷 第6期 2 0 0 7年1 2月 制 冷 与 空 调REFRIGERATION ANDAIR-CONDITIONIN G 125收稿日期:2007212202通讯作者:史敏,Email:shiminhl ?1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/制冷系统能效低,设备很笨重,大多用于船

7、舶。前国际制冷学会主席Lorentzen 在 1994 年提出了CO2跨临界循环理论,指出若采用跨临界循环,CO2可以用于汽车空调和热泵领域,系统性能系数与常规空调的相比仍然具有竞争力。但其系统与目前的常规系统有很大不同,还需要一定的时间进行研究和开发。虽然 CO2具有很高的系统压力,导致的可靠性、安全性问题令人担忧,但由于其具有环境性能优良、经济性好、化学稳定性好、安全无毒不可燃、热力性能良好等方面的特点,从长远角度看,CO2制冷系统具有开发潜力。1 CO2的性质CO2在常温下是一种无色无味的气体。作为地球生物圈内的天然物质之一,它产量丰富,价格低廉,方便得到。其OD P=0,GW P=1,

8、而目前作为推荐的替代工质HFCs 及其混合物的GW P比CO2高 1 000 2 000 倍,在这一点上CO2具有明显的优势。CO2与水混合时呈弱酸性,会腐蚀碳钢等普通金属,但不腐蚀不锈钢和铜类金属。CO2中碳元素已经处于最高化合价,即使在高温下也不会分解产生有害气体,具有非常稳定的化学性质。CO2的黏度很低,0 时其饱和液体的运动黏度只有氨的 5.2%,这样可以提高它的流速,但压降不会太大。CO2的导热系数高,而且液体密度和蒸气密度的比值小,节流后各回路间制冷剂的分配比较均匀,改善传热效果,进一步减小部件和系统的尺寸和质量。CO2的物性参数以及它与其他常规制冷剂的性能比较见表1。表1 几种常

9、用制冷剂替代物主要性能比较 122 参数R744R22R134aR407CR410AR290分子式CO2CHClF2CH2FCF3R32/125/134aR32/R125CH3CH2CH3相对分子量44.0186.48102.0386.272.5644.10绝热指数1.301.201.12ODP00.055000.0370GW P(100年)11 7001 3001 6001 1003临界温度Tc/31.196.0101.787.372.596.7临界压力Pc/MPa7.3724.9744.0554.654.9494.25凝固点温度t/-56.55-160-115-187.7标准沸点to/-7

10、8.4-40.8-26.2-43.8-51.56-42.20 时容积制冷量/(kJ/m3)22 6004 3442 8602 9474 1903 870安全等级评价A1A1A1A1A1A32 CO2压缩式制冷循环CO2的临界温度为 31.1,接近于环境温度,根据循环的外部条件可以实现亚临界循环、跨临界循环和超临界循环三种循环方式,其中 CO2超临界循环与普通的蒸气压缩式制冷完全不同,工质的循环过程没有相变,制冷空调应用中不采用该循环方式。CO2亚临界循环过程如图1 中 1 2 3 4 1 所示,此时压缩机的吸气、排气压力都低于临界压力,蒸发温度、冷凝温度也低于临界温度,换热过图1CO2亚临界及

11、跨临界循环方式程主要依靠潜热来完成。目前,CO2亚临界循环主要用于低温冷冻设备所用复叠式制冷系统的低温级。CO2跨临界循环的流程与普通的蒸气压缩式制冷循环略有不同,其循环过程如图1 中的 1 2 34 1 所示。此时压缩机的吸气压力低于临界压力,蒸发温度也低于临界温度,循环的吸热过程在亚临界条件下进行。但是压缩机排气压力高于临界压力,工质在高压侧的换热过程通过显热交换来完成,这与普通的蒸气压缩式制冷循环冷凝过程完全不同,此时的高压换热器称为气体冷却器。由于跨临界循环具有鲜明的特点和特殊的应用前景,目前已成为CO2制冷循环最为活跃的研究方向。在基本的CO2跨临界循环的基础上,已发展出多种改进的C

12、O2跨临界循环,如双级压缩CO2跨临界制冷循环、带膨胀机的CO2跨临界制冷循环、带引射器的CO2跨临界制冷循环、带引射器和经济器的CO2跨临界制冷循环等。2制 冷 与 空 调 第7卷?1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/3 CO2系统关键设备3.1 压缩机与常规制冷压缩机相比,CO2压缩机的吸气压力约为3.5 4.5 MPa,排气压力更是高达812 MPa,工 作 压 力 高,压 差 大,压 力 比 小。由 于CO2的单位容积制冷量大,在相同制冷量时,其体积

13、约为R134a压缩机的25%。CO2压缩机在大压差下运行,需要压力较高的油泵供油,导致热泵系统设计困难,而且润滑油也必须采取必要的措施以保证其温度不能过高。正是由于以上特点,CO2压缩机的研究开发一直是压缩机行业的难点。尽管国外已经开发出一些样机或产品,但成果的关键技术都处于保密阶段,国内还未出现相关产品。意大利OFFICIN E MARIODORIN公司开发的半封闭式活塞压缩机(图 2)已开始批量生产3,包括双缸单级和两级活塞压缩机。由于 CO2输气量小且壳体厚,高转速下仍具有很好的噪声特性和振动特性。瑞士的苏黎世大学对应用在家庭热水器上的半封闭小型无油活塞式压缩机(图 3)进行了开发研究4

14、,日本 DENSO 公司设计开发了用于CO2热水器的涡旋压缩机(图 4)5,还有日本M YCOM公司推出的CO2单级螺杆压缩机,主要应用于冷冻、空调系统,整个机组的设计是冷热同时利用,压缩机的排气用来加热热水,机组设油水蓄热槽,低温CO2用于制冷。图2DORIN公司开发的半封闭式活塞压缩机图3Zurich大学的CO2无油压缩机图4日本DENSO公司开发的CO2涡旋压缩机3.2 膨胀机CO2膨胀机相当于制冷空调产品中的节流装置,是提高制冷量和降低压缩机输入功率的重要设备。理 想 膨 胀 机 可 以 使 系 统 性 能 提 高 45%75%,因此,开发 CO2膨胀机已经成为推动CO2跨临界循环走向

15、实际应用的重要途径。目前国际上对于 CO2膨胀机的研究不多,缺乏公开的文献描述膨胀机原型机的研究和制造,有一些机构和大学正在进行相关内容的研究,初步成果和样机已申报了专利。挪威科技大学N TNU 实验室的Tondell进行了 CO2透平膨胀机实验研究6,该膨胀机由喷管、主轴和涡轮等组成,其效率为5%20%,主要是由于涡轮的直径过大,导致运行摩擦大,效率较低。Purdue 大学开发了CO2活塞汽缸膨胀机(图5)7,该膨胀机由2个汽缸、2个活塞和连接杆组成,膨胀机排气容积为2 13.26 cm3,设计转速为 120 r/min,该样机的等熵效率约为10%。天津大学热能研究所目前已开发出第二代CO2

16、滚动活塞膨胀机(图 6)8,该膨胀机的绝热效率为30%以上,最高效率达到46%。目前,将膨胀机应用于CO2制冷系统回收膨胀功的方法有:将发电机与膨胀机的输出轴连接,灵活应用其电力。将膨胀机的输出轴与压缩机的驱动轴连接,作为压缩动力的一部分。将膨胀机和压缩机作成一体结构,不向外部输出膨胀压力,回收作为压缩动力的一部分加以利用。图5Purdue大学开发的CO2活塞汽缸膨胀机3第6期 史敏 等:二氧化碳制冷技术?1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/图6天津大学开发

17、的滚动活塞式膨胀机示意图3.3 气体冷却器/蒸发器CO2跨临界循环系统的运行压力较高,并且CO2有良好的传热特性和容积制冷量,因此,气体冷却器和蒸发器设计得更为紧凑、高效。对于气体冷却器,为了充分利用超临界过程的温度特性,冷却过程应尽量采用逆流式换热方式。CO2气体冷却器主要有2 种类型:一种是用空气冷却,一般用于汽车空调、家用空调等方面;另一种是用水冷却,主要是套管式和壳管式两种类型的换热器,常用于热泵热水器。目前,在 CO2跨临界制冷循环系统中,微通道换热器代替传统的翅片管换热器是气体冷却器和蒸发器发展的趋势。微通道换热器的主要优点是高效、耐压、体积小、制冷剂充灌量少。气体冷却器集管的横截

18、面通常是圆形,内径略大于微通道管。由于 CO2系统中的高压,设计双入口集管,可大大减少集管质量、尺寸和换热器内部面积。Pettersen等设计开发的微通道气体冷却器如图7 所示9,使用这种装置的CO2系统的CO P显著提高。微通道蒸发器目前是汽车空调工业的研究课题,图8所示的是一个大小适合于赛车的 CO2换热器,它的左边是制冷量比前者低的传统 R134a 蒸发器10。日本一些厂家已将CO2热泵热水器推向市场,为了使系统更加紧凑高效,所用的 CO22水气体冷却器通常有多种形式,如图 9所示11。图7平行流式微通道气体冷却器图8 汽车空调中的传统R134a蒸发器(左)与CO2蒸发器(右)图9CO2

19、热泵热水器中2种CO22水气体冷却器4 CO2制冷装置4.1 CO2汽车空调CO2汽车空调系统的研究由挪威SINTEF 研究所率先发起,他们先从理论上论述了CO2用于汽车空调领域的可能性,随后又对CO2汽车空调系统进行了样机实验。美国 UIUC 大学建立了相应的汽车空调实验台,对系统中回热器特性进行了研究,并与R134a和 R410A 等工质进行了比较。Danfoss建立了 CO2跨临界汽车空调实验台,对系统的调节部件进行了分析和研究。Cals onic Kansei公司公布的该公司 CO2轿车空调研制方面的进展表明,CO2汽车空调系统与R134a系统的制冷性能相当12。Benz公司现已开始生

20、产装备CO2汽车空调系统的轿车,K onvecta公司生产的以CO2为工质的空调公交车已运行数年。这些研究和成果表明,CO2跨临界循环用于汽车空调不仅具有环境方面的优势,而且在系统效率方面也有提高的潜力。4.2 CO2热泵热水器CO2热泵热水器的吸热过程在亚临界条件下进行,换热主要依靠潜热来完成;而冷凝过程则是在超过临界点的区域内进行,放热依靠显热来完成,是一个伴随有较大温度滑移的变温过程。这正好可与水加热时的温升相匹配,自然可减少高压侧不可逆传热引起的能量损失,既可满足用户的需要又能有效提高系统的性能,因此 CO2热泵热水器较早地引起了人们的重视。4制 冷 与 空 调 第7卷?1994-20

21、09 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/1994 年,挪威 SIN TEF 研究所率先对CO2跨临界循环在热泵上的应用作了理论和实验上的研究,随后他们制作了CO2热泵热水器样机,对其性能和系统设计进行了试验研究。实验结果表明,在蒸发温度为0 时,水温可以从9 加热到 60,其热泵能效比可高达4.3。同时,比起电热水器和燃气热水器,它的能耗可降低75%,甚至更多13。此外,他们发现CO2热泵系统最为显著的优点是它易于提供90 的热水,这是传统热泵热水器所不及的。日本对CO2热泵

22、热水器的研究开发起步较早,但目前的相关技术也较为成熟。在 1995 年,日本 CRIEPI,东京电力公司和DENSO 公司就开始合作研究 CO2热泵系统,开发以CO2为工质的家用热泵热水器,产品自 2002 年投放市场后,销售量稳步上升。它以其节能、环保、高效的性能享有“生态精灵”(ECO CU TE)的称号。日本三洋、大金等公司也相继研制开发推出了各有特色的CO2热泵热水器,且COP也随之提高。Sanyo 公司研发出了高效多功能天然工质CO2热泵式加热器,其制热功率为 7 kW,可广泛应用于地板、浴室加热系统和除湿系统。日本近几年CO2热泵热水器的市场销量如图10 所示14。图1020022

23、2006年日本CO2热泵热水器市场销量5 结束语目前,CO2制冷方面的研究多针对系统,较少针对部件进行优化设计,仅有的部件设计或是设计简单,或是理论研究。因此,系统和部件的各个方面都还有很大的改进余地。提高系统循环效率,进行系统装置的结构设计和优化是CO2循环系统应用研究的关键,研究的方向和重点主要为:膨胀机的结构设计和优化,进行膨胀机内部两相流过程的研究;开展超临界CO2流动传输特性的研究;进行气体冷却器和蒸发器的结构设计和优化;开展跨临界循环系统的压比控制和容量调节方法的研究。除此以外,系统装置的安全可靠性研究也是应用中需重点关心的一个问题。参 考 文 献 1王如竹,丁国良.制冷空调新技术

24、进展.上海交通大学出版社,2001.2俞炳丰.制冷与空调新技术.北京:化工工业出版社,2002.3http: http:www.energy.kth.se/annex27/Projects-Switzer2land.html.5http:www.globaldens expander for CO2The 7thIIRGustav LorentzenConference on Natural WorkingFlu2ids.Norway:Trondheim,2006:1072110.7 Baek J S,Groll E A,LawlessP B.Piston2cylinderWorkProduc

25、ingExpansion Device ina TranscriticalCarbon DioxideCycle.Int J of Refrigeration,2005:1412164.8管海清,马一太,李敏霞,等.CO2滚动活塞膨胀机的设计与性能测试.制冷与空调,2004,4(3):51255.9PettersenJ,Hafner A,Skaugen G,Rekstad H.Develop2ment of compact heat exchangersfor CO2air2conditioningsystems.Int J Refrig,1998,21(3):180293.10 Kim M2

26、H,BullardC.Development of a microchannelevaporator model for a carbon dioxide air conditioningsystem.Energy,2001,26(10):931248.11 Kim M2H.Unpublished technical report.Samsung Elec2tronics Co.,Ltd,2002.12 Preissner M,Cutler B,Singanamalla S,et al.Com2parison of AutomotiveAir2ConditioningSystems Oper2

27、atingwithCO2and R134aIIF2IIRCommission.USA:Purdue University,2000.13 MukaiyamaH K.Experimentalresults and evaluationof residential CO2heat pumpwaterheater4thIIRGustav Lorentzenconference on natural workingflu2ids.USA:Purdue University,2000:67274.14 HrnjakP.Natural workingfluids development and fu2ture prospective with emphasis on carbon dioxide issuesThe 7th IIRGustav LorentzenConference on Natu2ral WorkingFluids.Norway,2006:7210.5第6期 史敏 等:二氧化碳制冷技术