专题四二氧化碳制冷系统第72017-学生展示

二氧化碳制冷系统第五小组：王亚彬尹志鑫方滢姜明男刘磊余炜轩CO2制冷系统的背景和发展历程、研究现状010203040506CONTENTSCO2跨临界循环及其改进方法CO2复叠式制冷系统CO2汽车空调CO2商业系统应用CO2与其他工质之间的对比CO2制冷系统的背景和发展历程、研究现状01姜明男CO2制冷系统的背景01130多年历史无毒且不燃广泛应用于民用和船用制冷等方面CO2卤代烃类（CFC）

制冷特性优良、压力适中卤代烃取代CO2CO2逐渐淘汰对环境保护和能源节约的重视CO2环境友好、天然环保普遍关注研究热门CO2制冷系统的发展历程01（1）CO2作为制冷剂的历史冷系统1850年最初提出在蒸汽压缩系统中采用CO2作为制冷剂1882年设计和开发采用CO2作为工质的制冷机1884年设计出CO2压缩制冰系统设计出用于制冷的CO2装置1886年设计出CO2压缩机19世纪90年代CO2应用于制冷1919年前后CO2制冷压缩机广泛应用在舒适性空调中CO2制冷系统的发展历程01（2）CO2被CFC取代，逐渐被淘汰以R12为代表的CFC制冷剂CO2取代无毒、不可燃、不爆炸、无刺激性、适中的压力和较高的制冷效率效率低，冷量损失大CO2制冷系统的发展历程01（3）CO2制冷剂再受重视CFC破坏臭氧层、大气变暖实现CFC替代HFC？不破坏臭氧层；化学性质稳定，释放后能够积累，最终导致明显温室效应继续寻找替代物自然工质CO2再受重视ODP=0，且GWP=l对环境影响小普遍关注研究热门CO2制冷系统的研究现状01跨临界CO2循环制冷系统国内外对于跨临界CO2循环的研究热点有很多，包括系统性能、循环流程优化、循环各主要部件的设计和开发、润滑油的匹配等。不过，要设计和开发出完全适合CO2的循环流程和各部件还需要很长的一段时间。随着研究的深入，跨临界CO2循环的运行性能、安全性等将会有很大的提高，发展潜力巨大。

CO2跨临界循环及其改进方法02尹志鑫co2临界温度31.1℃循环1：亚临界循环换热依靠潜热完成，冷凝温度低于临界温度循环2：超临界循环所有状态点都在临界点之上，实质上是气体循环，没有相变循环3：跨临界循环最常见的CO2循环系统但节流损失比较大cop相比其他制冷剂较低1.由于超临界co2的冷凝过程是气态，所以冷凝器改称为气体冷却器。2.为提高cop，从冷却器出来的气体经回热器进行进一步的冷却。3.储液器的作用是使气液分离，补充制冷剂。改进方案02·3~4为节流阀过程·3~4'为膨胀机过程改变后，COP即可由COP=（h1-h4）/（h2-h1）变为COP=（h1-h4’）/（h2-h1）显然是可以增加制冷量的使用膨胀机代替节流阀可使系统的性能系数增加25%方案一：减少节流损失1方案二：控制最优压力特点：循环存在最优压力pgotm原因：在超临界区，温度和压力相互独立，同时决定流体的焓值，所以在蒸发温度和冷却器出口温度不变的前提下，可以改变高压压力pg，同时对制冷量和压缩功产生影响，此时存在cop的最大值。

方案二：控制最优压力方案3：采用双级压缩制冷循环结论：1）CO2跨临界双级压缩系统存在最大COP，二次节流的形式的COP远大于一次节流的，不完全冷却的COP大于完全冷却的。2）在高压压力给定的条件下，二次节流中间不完全冷却的CO2

跨临界双级压缩形式系统在性能和设备选型上具有很大的优势；方案3：采用双级压缩制冷循环最佳cop随蒸发温度的变化最佳cop随气体冷却器出口温度的变化（冷却器出口温度为35℃，其他条件不变）（蒸发温度为10℃，其他条件不变）结论：在给定的条件下，系统的蒸发温度、冷凝温度对系统的制冷系数都有影响，其中，气体冷却器出口温度影响较大。在系统设计和设备选型时候应该尽量减小气体冷却器出口温度和选取较高效率压缩机，从而保证系统高效安全的运行。方案3：采用双级压缩制冷循环CO2复叠式制冷系统03方滢CO2复叠式制冷系统03CO2复叠式制冷系统03传统高温R22R22R22低温R13R23R12CO2复叠式高温NH3R290CO2低温CO2CO2含CO2的混合物CO2复叠式制冷系统02减小机组的尺寸系统运行的稳定性提高减少制冷剂充注量CO2复叠式制冷系统03CO2复叠式制冷系统03CO2复叠式制冷系统03CO2汽车空调04王亚彬CO2汽车空调结构CO2跨临界循环气体冷却器蒸发器内部气体换热器（回热器）气液分离器（储液器）节流阀（自动控制阀）04CO2汽车空调CO2作为汽车空调制冷剂的优势04CO2汽车空调受环境影响更小实现更大的温降减少传热损失具有较大的单位容积制冷量，便于结构的缩小优化能够使用逆流式换热器，使传热情况更优不会因为工作环境恶劣而对环境造成破坏。GWP=1ODP=0CO2汽车空调的开发情况1.BMW、DAIMLERBENZ、VOLVO、德国大众、Danfoss、Valeo等欧洲著名公司发起了名为“RACE”的联合项目，主要目的是研制CO2汽车空调系统2.德国KONVECTA生产的以二氧化碳为工质的空调公交客车从1996年运行至今3.

DANFOSS、奥地利的Obrist、英国均已研制出二氧化碳车用压缩机。日本的DENSO、ZEXEL的二氧化碳压缩机已进入小批量生产阶段。2000年7月在美国Arizona召开的SAE年会上展出的VISTEON、CALSONIC、MODINE、DC公司的二氧化碳汽车空调系统的主要性能均已超过R134a系统04CO2汽车空调04CO2汽车空调CO2汽车空调的一些研发标准04CO2汽车空调目前汽车空调主要使用的制冷剂为R134a其替代物主要为R1234yf、CO2·

在环境温度不高时，使用二氧化碳作为汽车空调的制冷剂能够达到与R134a相同的制冷情况；·由于二氧化碳二氧化碳的压力跨度过大，不能够直接替代；·R1234yf在性能上和R134a接近，基本上可以实现原装置直接充注使用。04CO2汽车空调CO2汽车空调目前的主要问题1.高运行压力带来的高运行成本，如密封润滑等问题2.更好的压缩机的进一步开发3.仍然是一种温室气体4.最优工况的选择二氧化碳商业系统应用05余炜轩商用制冷现状（大、中型超市）05大、中型超市的制冷负载一般包括：中、低温陈列柜，冷冻物冷藏冷库和冷却物冷藏冷库，中高温加工间和制冰机等。按应用温度范围可分为中温和低温两个温区：中温区：蒸发温度一般在-10℃~-15℃，中温陈列柜、冷却物冷藏库或加工间温度在-2℃~+10℃；低温区：蒸发温度一般在-40℃~-30℃，低温陈列柜、冷冻物冷藏库温度在-30℃~-20℃。现在超市大部分采用R22制冷剂，新建超市以R404A或R507制冷剂为主。且目前各国的大、中型超市的制冷系统的制冷剂泄漏严重，平均每年的泄漏率都在15%以上，大量HFC/HCFC制冷剂泄漏给我们生存的环境带来了潜在威胁，与人们日益关心气候变化的趋势背道而驰。因此在超市制冷系统中采用自然制冷剂是必然方向。其中，由于二氧化碳具有很多优秀的特性，发展二氧化碳超市制冷系统受到了特别重视。二氧化碳商业系统应用05二氧化碳在大、中型的超市制冷系统上的应用有三种基本方式

针对不同的应用需求和超市中有中、低温两段温区制冷的需要，可在以上3种基本方式的基础上，组合出各种不同的混合系统作第二制冷剂用于主制冷循环的二次回路，或称有相变的二次回路。与采用常规载冷剂的二次回路不同，二氧化碳液体在蒸发器盘管内吸热蒸发，换热主要是通过相变的潜热交换完成作主制冷剂，应用于跨临界系统，采用跨临界循环。高压侧的排热过程是在跨临界区内完成，在这个过程中制冷剂不会发生相变。作主制冷剂，应用于亚临界系统，采用亚临界循环。一般与其它独立的中温回路一起组成复叠系统运行，中温回路的一个蒸发器用作二氧化碳亚临界循环的冷凝器，保证其处在亚临界区内循环。二氧化碳商业系统应用05CO2的二次回路系统

——减少主回路制冷剂充注量原理图如右图。系统包含两个回路：1、采用其他制冷剂的主制冷剂回路2、采用CO2作第二制冷剂的二次回路大致流程：

储液器（液体CO2）——液泵（加压）——热负载（展示柜或库房冷风机盘管）——储液器（一定干度的气液两相流体）

储液器（气体CO2）——主制冷系统蒸发器（气体CO2冷凝为液体CO2）

——储液器（液体CO2）相比常规二次回路优势：1、CO2液体粘性较常规无相变载冷剂低1~2个数量级，特别是在低温区，常规载冷剂粘性随温度下降而明显增大，采用CO2能明显节约液泵耗功。2、CO2二次回路为相变换热，换热系数高，CO2汽化潜热大，故换热需求一样时，质量流量小，减小输送管管径和液泵型号。3、CO2换热系数高，在同样换热面积和换热需求的情况下，主制冷回路的蒸发温度也可以有一定的提高，从而提高了整个系统的效率。二氧化碳商业系统应用05原理如右图。大致流程为：

压缩机（高温高压CO2气体）—2—气体冷却器（无相变冷却）—3—节流阀（节流减压后形成两相流）——储液器（气液分离）

储液器（液态CO2）—4—膨胀阀（减压）——热负载（展示柜或库房冷风机盘管）—6—吸气总管（过热气体）

储液器（气态CO2）—5—压力调节阀（减压）—7—吸气总管（过热气体）

7+6=1——吸气总管（过热气体）——压缩机（高温高压CO2气体）缺陷：现阶段，该系统效率较低，尤其是环境温度较高时。此外，由于跨临界循环的排气压力高达120Bar左右，远高于常规系统。CO2跨临界制冷系统

——完全CO2制冷二氧化碳商业系统应用05

双级跨临界循环的制冷效率在相似的工况条件下明显高于单级跨临界循环的制冷效率，但总的来说系统效率依然很低（由CO2的低临界温度和高排气压力特性所决定的）。因为双级压缩降低了每级压缩的压缩比，提高了压缩机的容积效率。CO2跨临界制冷系统

——单级与多级制冷循环二氧化碳商业系统应用05原理如右图。CO2临界温度仅为31.1℃，低于典型的夏季的环境工况35℃，故为实现亚临界循环，必须采用其他辅助循环使得CO2的冷凝温度在临界温度之下。在超市制冷上的典型应用是：采用HFCs（如R404A）的中温系统为超市的中温负载提供冷源的同时，在冷凝蒸发器中冷凝CO2亚临界系统的高压排气；CO2亚临界系统则为低温负载提供冷源。优势：亚临界系统的压力水平约为40Bar，与现有R410A系统压力相当，远低于跨临界循环的120Bar。该CO2制冷方式为超市中CO2制冷的重要方式，竞争力非常强。CO2亚临界复叠系统

——与常规制冷循环类似二氧化碳商业系统应用05CO2复合系统1、中温采用HFC/CO2作第二制冷剂的二次回路、低温采用CO2亚临界循环。该系统中所有HFC回路集中在机房内，大幅减少了HFC制冷剂的充注量。2、中温采用CO2跨临界循环、低温采用CO2亚临界循环，该系统实现了“完全CO2制冷”。CO2与其他工质之间的对比06刘磊CO2与其他工质之间的对比06优点：

1、ODP=0GWP=1，约为R134a、R22的千分之一

2、运动粘度低，压缩比较低，单位容积制冷量大