（制冷及低温工程专业论文）跨临界co2热泵系统的理论分析与实验研究.pdf

码 一 ，： 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文跨临界c 0 2 热泵系统的理论分析与 实验研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作 和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：厄l 因灶日 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅：学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播 学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：丝堕：l 纽 导师签名： ， 一 l k ， l ， - f 保、安全和理化特性等方面对自然工质c 0 2 进行了综合评价，运用热力学第一定律 进行了跨临界c 0 2 热泵的理论循环分析。针对跨临界c 0 2 热泵系统性能系数偏低的 问题，探讨采用双级压缩和膨胀机，分析了中间压力、过热度和高低压膨胀机对系 统性能的影响，并提出一种带膨胀压缩机的太阳能辅助跨临界c 0 2 热泵系统。最后 实验研究了跨临界c 0 2 热泵系统运行和高压调节特性以及外部热源对系统性能的 影响。 关键词：跨临界c 0 2 循环，热泵，性能系数，热力学分析，实验研究 a b s t r a c t t h ea p p l i c a t i o no fn a t u r a lr e f r i g e r a n tc 0 2i ss i g n i f i c a n tt or e d u c ec 0 2g r e e n h o u s e e f f e c ta n do z o n ed e p l e t i o n i nt h i sp a p e r ，t h ec o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o no fc 0 2 r e f r i g e r a n ti s c o n d u c t e di nt e r m so fe n v i r o n m e n tp r o t e c t i o n ，s a f e t y ，t h e r m o p h y s i c a l c h a r a c t e r sa n ds oo n t h eb a s i ct r a n s - c r i t i c a lc 0 2h e a tp u m pt h e o r yc y c l ei sa n a l y z e db y u s i n gt h ef i r s tl a wo ft h e r m o d y n a m i c s f o ri m p r o v i n gl o w e rt r a n s - c r i t i c a lc 0 2h e a t p u m ps y s t e mc o e f f i c i e n to fp e r f o r m a n c e ，t w o - s t a g ec o m p r e s s i o na n de x p a n d e r s a r e d i s c u s s e d ，t h ei m p a c to fm i d d l ep r e s s u r e ，s u p e r h e a td e g r e e ，a n dh i g ha n dl o wp r e s s u r e e x p a n d e r so ns y s t e mp e r f o r m a n c ei sa n a l y z e d ，a n dak i n do ft r a n s c r i t i c a lc 0 2h e a t p u m ps y s t e mw i t he x p a n d e r s ，c o m p r e s s o r s ，a n ds o l a re n e r g yc o l l e c t o ri sp r o p o s e d a n e x p e r i m e n t a la p p a r a t u si sb u i l da n dt h ee x p e r i m e n t sa r ec o n d u c t e di no r d e rt ot e s t i f yt h e h i g h p r e s s u r e s i d er e g u l a t i o nc h a r a c t e ro fc 0 2 t r a n s - c r i t i c a lc y c l e ，t os t u d yt h ei n f l u e n c e o f e x t e r n a lh e a ts o u r c e o nc o p h s u ng a n g l e i ( r e f r i g e r a t i o na n dc r y o g e n i ce n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f x i ey i n g b a i k e yw o r d s ：t r a n s c r i t i c a lc 0 2c y c l e ，h e a tp u m p ，c o e f f i c i e n to fp e r f o r m a n c e ， t h e r m o d y n a m i ca n a l y s i s ，e x p e r i m e n t a ls t u d y 峄 ， 中文摘 英文摘 第一章 1 1 1 2 1 3 第二章 2 1 环保性和安全性5 2 1 1 环保性5 2 1 2 安全性5 2 2 热物理特性6 2 2 1 热力学性质6 2 2 2 传输性质7 2 3 压缩机效率8 2 4 价格等其它方面因素9 2 4 1 来源与价格9 2 4 2 稳定性和相容性9 2 5 小结1 0 第三章跨临界c 0 ：循环热泵系统理论研究1 1 3 1 跨临界c 0 2 基本循环介绍1 l 3 2 跨临界c 0 2 基本循环理论分析1 l 3 2 1 最优高压压力与最大c o p 1 1 3 2 2t 。，a p 和t 3 对循环性能的影响1 2 3 3 跨临界c 0 2 循环热泵采暖分类及经济性分析1 3 第四章跨临界c 0 ：循环系统的改进及其优化16 4 1 跨临界c 0 2 单级压缩带膨胀机循环1 6 4 1 1 循环介绍1 6 4 1 2 模型建立1 7 4 1 3 结果分析1 7 4 2 跨临界c 0 2 双级压缩循环1 8 4 2 1 两种循环型式介绍1 8 i 华北电力火学硕十学位论文目录 4 2 2 两种循环型式热力学模型2 0 4 2 3 结果分析2 1 4 3 跨临界c 0 2 双级压缩带膨胀机循环2 3 4 3 1 假设条件2 3 4 3 2 跨临界c 0 2 双级压缩带低压膨胀机循环2 4 4 3 3 跨临界c 0 2 双级压缩带高压膨胀机循环2 8 4 3 4 跨临界c 0 2 双级压缩带高低压膨胀机循环3 0 4 4 新型太阳能辅助跨临界c 0 2 多功能热泵系统3 3 4 4 1 引言3 3 4 4 2 系统工作原理3 4 4 4 3 热力学模型3 5 4 4 4 实例计算分析3 7 4 4 5 小结3 9 第五章跨临界c 0 ：循环热泵系统实验研究4 0 5 1 实验装置介绍4 0 5 1 1c 0 2 热泵系统4 0 5 1 2 数据采集系统4 2 5 1 3 控制系统4 4 5 2 实验研究的目的和内容4 4 5 3 实验结果分析4 5 5 3 1 跨临界c 0 2 热泵循环高压压力调节特性实验研究4 5 5 3 2 外部热源条件对循环性能影响分析4 7 第六章结论_ ：4 9 6 1 结论4 9 6 2 工作展望4 9 参考文献5 1 致谢5 5 在学期间发表的学术论文和参加科研情况5 6 171 课题背景与意义 自2 0 世纪3 0 年代c f c s 和h c f c s 进入制冷空调领域后，由于其“不可燃、无毒性、 制冷效率高、使用安全方便”等优点，一直占据着制冷工质领域的垄断性地位【l 埘， 直到1 9 7 4 年美国学者r o l a n d 和m o l i n a 提出了著名的c f c s 臭氧层破坏理论【3 】，并得到 了各国科学家的广泛认同和大量科学观察事实的证明，c f c s 和h c f c s 才受到质疑。 臭氧层破坏和温室效应是当今全球性环境问题，它对人类健康和生态环境造成 了巨大的危害。在使用c f c s 方面，中国已从2 0 0 7 年7 月1 日起停止生产和消费，这比 蒙特利尔议定书规定的淘汰时限提前了2 年半；在h c f c s 使用方面，中国是全球 最大的生产和消费国，其产量占全球7 0 以上，消费量占全球5 0 以上【4 】。中国作为 全球最大的制冷空调设备生产国，实现h c f c s 的替代尤其显得重要。根据蒙特利 尔议定书第1 9 次缔约方大会最新规定，中国须在2 0 3 0 年完成h c f c s 的全面淘汰， 这使中国在应对加速淘汰的行动中面临更大的压力和挑战。为更好地迎接未来环保 要求的挑战，我国科研机构对h f c s 类替代制冷剂进行了大量研究p 西j 。 目前总体来看，国际上替代h c f c s 类制冷剂有两种不同的路线：一条是以美、 日为代表，支持开发氢氟烃( h f c s ) 类替代物【7 l ；另一条是以德国及北欧一些国家 为代表，主要采用天然工质为替代物。大量的事实表明，许多人工合成的物质，尽 管从一开始看对人类是有益的，但随着该物质的大量和长期地使用，就逐步显现出 对生态环境的巨大破坏作用( 如曾获得诺贝尔奖的高效有机杀虫费u d d t 等) ，在制 冷空调领域也是如此。随着世界制冷空调技术的应用和发展，对制冷工质的需求量 逐年上升，每年达到数十万吨的消耗量。使用的人工合成类制冷工质的绝大部分将 扩散到大气中去，有的物质在大气中存留数百年，有的物质分解后会产生其它副作 用或分解出有害物质，始终对地球的生态环境存在着潜在的危险。因此，从对环境 的长期安全来看，用自然工质替代合成工质是一种安全、必然的选择。自然工质被 前国际制冷学会主席gl o r e n t z e n 称为解决环境问题的终极方案哺j 。 在几种常用的自然工质中，c 0 2 是与环境最为友善的制冷工质之一。c 0 2 作为制 冷工质有很多优点：它的o d p = 0 ，g w p = i ，对环境非常友善；使用安全，无毒；物 理化学稳定性好；与润滑油相溶性能好，对制冷装置无腐蚀作用：单位容积制冷量 大，有利于减少装置体积；在超临界条件下，它的流动传热性能好：此外，c 0 2 容 易获取，价格低廉，不需要回收，因此，c 0 2 作为c f c s 与h c f c s 类物质的长期替代 物具有非常光明的前途。目前，c 0 2 制冷、热泵技术在一些欧洲国家的汽车空调、 华北电力人学硕十学位论文 热泵以及与n h 3 组成的复叠式制冷系统得到了应用，并取得良好效果。 c 0 2 作为一种环保天然工质，就其物性特征而言，具有其它非天然工质不可比 拟的优势。但由于c 0 2 的临界温度低( 3 1 1 ) ，循环系统通常在跨临界条件下运行， 系统的运行压力比常规制冷剂高很多，系统的效率很低，因此进行跨i 临界c 0 2 热泵 系统的理论分析与实验研究，提高系统能效比，具有重要的理论价值与工程意义。 1 2 国内外研究动态 1 2 1 国外研究现状 c 0 2 $ t j 冷工质的使用具有很长的一段历史【钆1 0 】。用c 0 2 实现蒸气压缩式制冷循环 最早是在l8 5 0 年由美国康乃狄克州新港的a l e x a n d e rc a t l i nt w i n i n g 提出。但第一次成 功地把c 0 2 应用于商业制冷机的却是c 0 2 气体军用气球专家新罕布夏州杰斐逊的 t h a d d e u ss o b e s k ic a r l i n c o u r tl o w e 。1 8 6 6 年前后，他在德克萨斯州的达拉斯以及密 西西比州的杰克逊等地使用c 0 2 制冷机制取商业用冰，还在船上安装了c 0 2 制冷机用 于运输冷冻肉类。1 8 6 7 年，他发明的c 0 2 制冰机获得了英国国家专利。 1 8 8 6 年，德国布鲁斯维克的f r a n zw i n d h a u s e n 成功设计出c 0 2 专用压缩机以后， c 0 2 5 i j 冷工质得到了显著的发展。1 8 8 7 年，英国j & eh a l l 公司购买了这项专利，经过 进一步改进后，该公司在1 8 9 0 年开始投入c 0 2 压缩机的生产。同年，英国h i g h l a n d c h i e f s 商船第一次成功安装了该公司制造的c 0 2 制冷机组，从此c 0 2 制冷机开始了 在海运轮船上的应用。 c 0 2 制冷压缩机在舒适空调中的广泛应用始在1 9 1 9 年。1 9 1 9 年，c 0 2 空调机开始 在剧院和百货商店的空调系统中应用；1 9 2 0 年开始在教堂的空调系统中应用；1 9 2 7 年开始在办公室空调系统中应用：1 9 3 0 年在住宅空调系统中开始应用。后来，c 0 2 空调机又被广泛用于各种商业建筑和公共设施的空调系统中。 1 9 3 1 年，以r 2 2 为代表的c f c s 类制冷工质一经开发，便以无毒、不可燃、不爆 炸、适中的压力以及较高的制冷效率等优势，很快取代t c 0 2 在制冷工质领域的地 位。尽管c 0 2 不再作为制冷压缩机的工质，但干冰仍被大量使用。 2 0 世纪8 0 年代以后，随着人们对臭氧层破坏和温室效应等环境问题的重视， c f c s 与h c f c s 替代的问题逐渐成为当今国际比较热门的话题。因为h f c s 的g w p 仍 然比较大，而且它不能完全排除潜在的环境危机，所以从9 0 年代起，欧洲发起“自然 工质”运动。目前，国外跨临界c 0 2 循环的理论和实验研究主要集中在以下两个方面： 1 ) 汽车空调 挪威s i n t e f 研究所的gl o r e n t z e n ，j p e t t e r s o n 等人率先发起c 0 2 工质在汽车空 调领域的研究【i 卜1 3 j 。他们从理论上论证了汽车空调使用c 0 2 作为制冷工质的可能性， 2 华北电力大学硕士学位论文 并建立样机进行了实验研究，取得的实验结果也令人满意。 德n k a s s e l 大学的j k o e h l e r 等人对c 0 2 汽车空调和热泵进行了研究【1 4 舶1 。1 9 9 6 年，第一台公共汽车空调样机通过现场测试，综合重量、安全性能、紧凑性和制冷 效率等因素，认为跨临界c 0 2 循环系统是2 l 世纪汽车空调中唯一可选的可靠系统。 美国伊诺大学( u i u c ) 空调和制冷中心( a c r c ) 的c w b u l l a r d 等人，在美 国制冷空调制冷行业的支持下，建立了汽车空调实验台，对系统中回热器的特性和 布置特点进行了研究，并与其他替代工质如r 1 3 4 a 、r 4 1 0 a 等进行了比较，得到了较 好的结果【1 7 棚】。c w b u l l a r d 等人还对c 0 2 工质在家用空调、超市冷柜等方面的应用 进行了的理论和实验研究。 。 此外，普渡大学的d m r o b i n s o n 和y u n h oh w a n g 等人对带膨胀机的跨临界c 0 2 热泵系统进行了理论分析【2 0 圳】；丹麦的j h o i s t 对系统的调节部件进行了研究【2 2 1 。 目前，国外汽车空调领域的研究已经取得了重大突破，已经有相关产品投入到 市场。 2 ) 热泵 跨临界c 0 2 热泵系统工质的放热过程和冷却介质的温升过程相匹配，具有其它 工质亚临界循环等温冷凝过程无法比拟的优势。根据用途，跨临界c 0 2 热泵可以分 。 为热泵热水器、干燥热泵和供暖热泵。 、 热泵领域的研究由挪威s i n t e f 研究所的gl o r e n t z e n 和j p e t t e r s o n 等人率先发 起2 3 1 。他们对热泵热水器的特性、循环系统的优化设计进行了理论分析与实验研究， 结果表明：c 0 2 热泵热水器不仅具有较高的供热系数，而且系统结构紧凑，生产的 热水温度相对较高。 德国d r e s d e n 大学的eh e y l 等人对跨临界c 0 2 循环热泵的各种热力循环进行了理 论分析，对系统部件的设计、选取和组装原则等方面展开了研究与讨论，并在d r e s d e n 建立了相应的c 0 2 热泵实验台 2 4 1 ；k a s s e l 大学的j k o e h l e r t l5 1 、日本c r i e p i 的 m i c h i y u k is a i k a w a 等人也进行了类似工作 2 5 1 。 此外，德国e s s e n 大学的es t e i m l e 和e l s c h m i d t 等人对c 0 2 热泵在干燥方面的 应用进行了可行性分析【2 6 】；德国f k w 制冷热泵研究中心的h k r u s e 和荷兰t n o 环境 科学研究所的p a o o s t e n d o r p 等人对跨i f 6 j 界c 0 2 热泵循环在供热系统中的应用前景 进行了分析与研究1 2 。 1 。2 2 国内研究现状 我国对跨临界c 0 2 循环技术的研究起步相对较晚，但是随着人们对环保问题的 日益重视，以及近几年来跨临界c 0 2 循环系统在环保和性能上的优势已吸引了全世 3 华北电力大学硕士学位论文 界的注意力，我国对跨临界c 0 2 循环系统也进行了研究，并且取得了一定的成果。 上海交通大学与上海易初通用机器有限公司合作进行了c 0 2 汽车空调系统的项 目开发，自行设计制作了系统样机与系统性能试验台用于跨临界c 0 2 汽车空调系统 的性能研究。上海交通大学的陈江平等人在研究国外样机的基础上，提出第一套样 机方案。此外，上海交通大学在上海市科委和上汽集团的支持下，立项开展y c 0 2 轿车空调系统的研究【2 8 圳】。 自2 0 0 0 年3 月以来，天津大学热能研究所开始在已建成的c 0 2 水水循环热泵实 验装置上进行了运行性能实验，研究的内容主要包括：分析了外部热源条件热泵循 环性能的影响，拟合了实验用c 0 2 压缩机的绝热效率公式，研究了换热器热交换完 善程度对热泵性能的影响，探讨了c 0 2 跨临界水水循环热泵的运行控制策略和方 法。近期，为提高c 0 2 跨临界循环系统的性能系数，对c 0 2 跨临界循环带膨胀机的热 泵系统进行了理论分析与实验研究【3 2 剐l 。 西安交通大学能源与动力工程学院对于跨临界c 0 2 制冷系统也进行了理论分析 和性能计算【35 1 ，建立了跨临界二氧化碳蒸气压缩喷射制冷循环中喷射器的数学模 型，讨论了系统稳定运行时的蒸发温度、气体冷却器内压力及其出口温度、过热度 等因素对系统性能的影响【3 6 1 ，研制出一种具有新型吸、排气控制机构的双作用自由 活塞式膨胀机，用于替代跨临界c 0 2 制冷循环中的节流阀并回收膨胀功p 。 1 3 本课题研究内容 下： 本文以c 0 2 制冷工质以及跨临界c 0 2 循环热泵系统为研究对象，主要研究内容如 1 ) 从环保性、安全性、热物理特性、压缩机效率以及价格等方面对c 0 2 制冷工 质进行综合评价： 2 ) 运用热力学第一定律分析跨临界c 0 2 理论循环的系统特性及影响因素； 3 ) 针对目前跨临界c 0 2 基本理论循环热泵系统性能系数偏低的问题，分析一些 提高跨临界c 0 2 循环热泵系统性能的技术措施，探讨系统性能最优化问题； 4 ) 实验研究跨临界c 0 2 循环热泵系统的运行特性和外部热源条件对系统性能 的影响。 4 华北电力大学硕士学位论文 第二章c 0 ：制冷工质的综合评价 蒸气压缩式制冷系统对制冷工质的要求主要有：临界温度较高、饱和压力适中、 凝固点温度低、粘度和比重小、导热系数高、绝热指数小、液体比热小、单位容积 制冷量大、不燃烧、不爆炸、无毒、对金属不起腐蚀作用、与润滑油不起化学反应、 高温下不分解、对人体无害、价格便宜、便于获得等等【3 8 1 。然而，迄今为止还没有 发现一种制冷工质能够满足上述的全部要求。事实上，要找到一种十全十美的制冷 工质也是不切实际的，科学研究的目的是在对某种制冷工质综合评价的基础上，确 定这种制冷工质的综合性能是否优越。本章将从环保性、安全性、热物理特性、压 缩机效率以及价格等方面对c 0 2 自然工质作一个比较全面的评价。 2 1 环保性和安全性 2 1 1 环保性 表2 1 列出了几种制冷工质的主要性能指标。根据表2 1 的数据，c 0 2 的臭氧 衰减指数o d p ( o z o n ed e p l e t i o np o t e n t i a l ) = 0 ，温室指数g w p ( g l o b a lw a r m i n g p o t e n t i a l ) = l ，而r 1 2 和r 2 2 这两种分别属于c f c s 和h c f c s 的工质，它们的o d p 和g w p 都远大于c 0 2 。虽然h f c s 工质r 1 3 4 a 的o d p = 0 ，但是它的g w p 相当大， 以1 0 0 年和2 0 年为标准r 1 3 4 a 的g w p 分别是c 0 2 的1 2 0 0 倍和3 2 0 0 倍。同时，从 分解产物对环境的影响来看，除了c 0 2 以外，其他三种工质的分解产物对环境都有 危害。例如r 1 3 4 a 在太阳光的照射下会分解出有毒的酸性物质口9 4 们。综上所述，与 c f c s 和h f c s 相比，c 0 2 在环保性方面具有绝对的优势。 随着社会生产力的发展，空调和制冷设备在人们生活和生产中的地位变得越来 越重要，制冷工质的需求量正逐年上升，而这些物质最终都将排放到大气中，所以 在选择替代工质时，我们应该把更多的注意力转向对人类自身生存环境无任何破坏 作用的自然工质。随着人们对环保的日益重视，国家政策法规也必然会向环境性能 优越的制冷工质倾斜。 2 1 2 安全性 c 0 2 无毒、不可燃，即便在高温下也不会分解产生有害气体。由于跨临界c 0 2 循环系统的运行压力很高，有人担心因系统管子破裂而引起的安全问题。但分析表 明，在现有技术条件下，即使采用普通的材料，跨临界c 0 2 制冷循环系统在其运行 压力条件下，安全性也是可以完全保证的4 。实际上，设备的破裂强度和压力与容 积的乘积有关。由于c 0 2 的单位容积制冷量比常规制冷工质大很多，因此，其压力 5 华北电力大学硕士学位论文 与容积的乘积与常规工质差别不是很大，设备内气体的爆炸能量也基本相同。 表2 一l 几种制冷工质主要性能指标1 4 2 l ( a ) 常压升华点；( b ) o c 时的蒸发焓除以饱和蒸气比容 2 2 热物理特性 2 2 1 热力学性质 临界点和饱和液体比热是工质热力学性质中与循环性能关系最密切的两个参 数【4 3 1 。接近临界点运行，单位容积制冷量很高，但其c o p 相对较低；远离临界点 运行，c o p 很高但单位容积制冷能力较低。饱和液体比热大的工质，在如图中饱 和液体线斜率小，节流所引起的损失就大，c o p 就相对较低。图2 1 和图2 - 2 分别 ， 为亚临界基本循环和跨临界基本循环的正s 图。图中竖线部分的面积跟整个循环的 单位制冷量和c o p 有密切关系。可以看出，冷凝温度越接近于临界点温度，图中所 示的制冷量和蒸发潜热的比值就越小，也就是说冷凝温度越接近于临界点对系统运 行越不利。一般制冷剂的冷凝温度要小于0 9 8 t c r 。 由于c 0 2 的临界温度很低( 3 1 1 ) ，因此c 0 2 循环必然在接近或超过临界点 6 华北电力大学硕士学位论文 的区域运行。此时，c 0 2 的饱和液体比热很大，从而其节流损失也大，因此造成其 基本理论循环c o p 比较低。 o o 图2 - 1 距临界循环制冷量与潜热的关系图2 - 2 跨临界循环制冷量与潜热的关系 综上所述，在热力学性能上，c 0 2 作为蒸气压缩制冷循环的工质有不足之处。 但应该注意的是，根据热力学第二定律，只要两个热源的温度确定，理想循环的c o p 就确定了，因此c o p 并不是工质的内在属性。传统的热力学循环性能比较一般都是 建立在相同的蒸发温度和冷凝温度基础之上的，并且只考虑工质的节流和过热损 失，而在实际的制冷系统中，制冷循环的损失还包括换热器的传热和流动损失、压 缩机的等熵效率损失、管道的流动损失等一些不可逆损失。很显然，用理论循环c o p 作为唯一的指标来衡量一种工质效率的高低并不全面。许多学者，如a t w o o d 和 h u g h e s 就强烈反对用这种简单的理论循环计算作比较，他们认为最高c o p 的取得 依靠系统和各个组成部件的优化设计【4 4 1 。因此，在评价c 0 2 的热力学性质时，也不 能只根据基本理论循环的c o p 。特别是对于跨临界c 0 2 循环，由于根本不存在冷凝 温度，因此传统的理论分析方法也就失去了比较的标准。 人们总是习惯于根据基本理论循环c o p 的高低来选择制冷工质，而很少考虑循 环系统应如何改进才能满足某种制冷工质达到较高c o p 的要求。研究表明c 0 2 和 其它工质循环c o p 的差距完全可以通过循环的改进( 如过冷、回热、用膨胀机替代 节流机构等) 来缩d , 1 4 5 1 。当然，无论亚临界循环还是跨临界循环，c 0 2 制冷系统 的运行压力都将高于传统制冷空调系统，这必然会给系统及部件的设计带来许多新 的要求。 。 2 2 2 传输性质 如果说热力学性质决定了基本理论循环c o p 的高低，那么传热和流动性质将直 接关系到实际系统c o p 接近理论循环c o p 的程度。在超临界压力下，c 0 2 具有比 7 华北电力火学硕士学位论文 热大、导热系数高、动力粘度小的特点，这对流动和传热都十分有利。研究表明c 0 2 超临界换热比一般制冷工质冷凝换热的换热系数大好几倍1 46 。从表2 2 可以看出， 在相同蒸发温度下，亚临界压力下的c 0 2 与r 1 3 4 a 、r 1 2 和r 2 2 相比，其液体比热 和蒸气比热都较大，在粘度和导热系数方面也表现出一定的优势，同时c 0 2 饱和液 体密度与饱和蒸气密度的差值比其它三种工质也小很多。实验研究也表明，c 0 2 蒸 发换热效果比一般制冷工质都要好【4 7 1 。c 0 2 的这些特点有利于减小蒸发器内的压 力损失和节流后制冷剂在蒸发器各管道中的平均分配。 表2 - 2 几种制冷t 质的热物理性质比较 2 3 压缩机效率 理论上，工质的摩尔质量越小、蒸气等压比热越大、循环压缩比越小对提高压 缩机的效率( 容积效率和等熵效率) 越是有利。从表2 1 和表2 2 中的有关数据可 以发现c 0 2 的摩尔质量比r 1 2 、r 2 2 和r 1 3 4 a 小得多，而饱和蒸气比热却比其它三。 种制冷工质大很多，同时由于c 0 2 的压缩比( 2 4 ) 比r 1 2 、r 2 2 和r 1 3 4 a 的小， 因此c 0 2 压缩机效率理论上应该高于其它三种工质的压缩机效率。 ， 挪威科技大学制冷空调系( n t n u ) 对c 0 2 压缩机的容积效率、润滑油相容性、 等熵效率等进行了全面综合的测试研究1 4 引。他们通过对原有压缩机的改造，试制了 用于汽车空调的a c 压缩机和用于热泵的全封闭往复式压缩机以及用于热泵热水器 的开式往复式压缩机样机。实验研究结果表明，c 0 2 压缩机能够取得比较理想的等 熵效率，并且在余隙容积损失、吸气损失等方面具有优势，在高转速、低压比的情 况下更是如此。 8 华北电力大学硕十学位论文 s j u r g e n 和h o r s tk r u s e 研究了压缩机内部的各种压力损失、气体和汽缸壁的传 热、以及汽缸泄漏对c 0 2 压缩机性能的影响，得到以下结论【4 9 】： 1 ) 一般情况下，压缩机的指示效率和吸排气阀门损失有很大关系，但是由于 c 0 2 压缩机的吸排气压力差很大，所以只要设计合理，压缩机内克服流动阻力的压 降基本上可以忽略，因此吸排气阀门对指示效率的影响较小。 2 ) 压缩机吸排气阀门以及活塞和汽缸壁之间的泄漏对c 0 2 压缩机的排气温度 和排气压力有较大影响，但是通过合理的设计可以降低到允许范围之内。气体和汽 缸壁的传热对压缩机性能的影响可以忽略。 3 ) c 0 2 压缩机具有很高的等熵效率和容积效率，从技术角度看c 0 2 系统在未 来的应用不会存在任何障碍。 本文实验研究所用的压缩机是意大利d o r i n 公司生产的的活塞式c 0 2 专用压缩 机。可以相信随着经验的积累和技术的成熟，c 0 2 压缩机理论上的优势必然会转变 为实际应用中的优势。 2 4 价格等其它方面因素 2 4 1 来源与价格 工业上可直接利用的c 0 2 主要有两个来源：地下开采和工业副产品回收。与石 油、天然气等自然资源一样，地球内部同样存在c 0 2 资源。这些天然c o z 资源正在 被成功的开采与使用，例如江苏黄桥油田盛产天然高压c 0 2 气体，单井日产达3 0 多万m 3 ，压力达7 m p a 左右，纯度达9 8 以上，并且储藏量很大。国内其它油田， 如山东胜利油田、天津大港油田等均生产大量的天然c 0 2 气体。这些油田的天然 c 0 2 资源为化学工业提供了丰富的化工原料。另外，为了治理c 0 2 气体的温室效应 问题，国内外学者提出了许多不同的方法，来回收人类自身生产活动所产生的c 0 2 ， 主要的回收方法有物理法、化学法和物理化学法三种。作为社会责任，不应该规模 制造和开采c 0 2 ，而是应当利用现有c 0 2 ，所以我们应该把工业副产品回收作为c 0 2 的首要来源。 由于c 0 2 既可以从自然界开采，也可以从工业副产品中回收，因此c 0 2 的价格 很低，符合制冷工质纯度要求的c 0 2 价格不到3 元公斤，与r 1 3 4 a 等人工合成制 冷剂每公斤近5 0 元的价格相比，c 0 2 制冷工质在价格上具有明显优势。 2 4 2 稳定性和相容性 c 0 2 化学稳定性好，即使在高温下也不会分解产生有毒物质，能和通常的制造 材料相容，不会出现因腐蚀而导致制冷剂泄漏的问题。 9 华北电力大学硕士学位论文 制冷系统要求在所有可能的工作温度和压力下以及制冷剂浓度范围内，压缩机 润滑油与制冷剂都要互溶，否则润滑油就会在换热器内沉积起来形成油膜，既影响 换热效果又会造成压缩机缺油，形成一系列的问题。c 0 2 制冷系统可以采用矿物油 作为润滑油，而r 1 3 4 a 分子极性大，在非极性油中的溶解度很小，与传统的矿物油 不溶，必须使用p o e 油，这类合成油价格贵，吸水性强，从而增加了用户的设备维 护费用。 2 5 小结 通过综合评价可以看出，与r 2 2 、r 1 3 4 a 等目前的常规制冷工质相比，c 0 2 在 环保性、安全性、热物理性、压缩机效率、来源与价格以及与材料和润滑油的相容 性等方面都具有优势。随着h c f c s 类制冷工质禁用r 期的逐渐临近和跨临界c 0 2 热泵技术的不断成熟，c 0 2 作为制冷工质必然具有非常光明的前途。 1 0 华北电力人学 第三章跨临界c 0 ：循 3 1 跨临界c o ：基本循环介绍 跨临界c 0 2 基本循环系统由压缩机、气体冷却器、节流阀和蒸发器组成。图3 1 为跨临界c 0 2 基本循环的压焓图( p h 图) 和温一熵图( 正s 图) 。从图中可以看到，c 0 2 的吸、放热过程分别在亚临界区和超临界区进行，亚临界区的吸热过程和常规循环 一样，而在超临界压力区的放热过程则和常规循环截然不同。在超临界压力区的等 压放热过程中，c 0 2 的温度不断变化，不再是常规循环中的冷凝过程，因此其高压 端换热器不再称为冷凝器( c o n d e n s e r ) ，而叫气体冷却器( g a sc o o l e r ) 。 跨临界c 0 2 循环热泵最大的特点就是放热过程中c 0 2 具有很大的温度滑移，能 够实现和热媒之间的良好的温度匹配，正好满足热泵应用中对梯级放热的要求，这 也正是跨临界c 0 2 循环热泵最吸引人的地方。 ( a ) p - j i ，图 ( b ) 兀s 图 图3 - 1 跨临界c 0 2 基本循环的p i i l 图和t - s 图 3 2 跨临界c 0 ：基本循环理论分析 3 2 1 最优高压压力与最大c o p 对于传统的亚临界循环，冷凝器出口液体的焓值只是温度的函数。但是在跨临 界循环中的超临界压力区，压力和温度是两个独立的变量，它们同时决定着流体的 焓值，这从图3 1 a 中超临界区s 型等温线的分御可以明显看出。因此，在蒸发温 度t e v a p 和气体冷却器出口温度t 3 不变的情况下，改变高压压力p g c 将同时对制冷量 华北电力大学硕士学位论文 和压缩功产生影响。从图3 1 a 可以发现，随着高压压力的升高，等温线变得陡峭 起来，这表明单位制冷量随高压压力的增加而上升的幅度有所减小。同时，因压缩 等熵线可看成是一条倾斜的直线，所以压缩功随高压压力的增加几乎仍按原比例上 升。因此，当t 。，卵和t 3 保持不变时，随着p g 。的变化，c o p 必然存在最大值，此时 对应的高压压力称为最优高压压力pg c o p 。最优压力在理论上可以通过作图1 5 0 1 或微 分求极值法获得。本文以微分求极值法为例，推导出最优压力的表达式。根据定义， 制冷系数c o p = ( h l h a ) ( h 2 一 t ) ，如果t 3 和t 。，叩不变，则o c o p o p g c = o 时，c o p 的 值最大，此时求得的高压压力就是最优压力p 。印p 。 图3 2 和图3 3 分别给出了t c v a p = 1 0 * c 、t 3 = 4 0 时，基本理论循环的制冷量q o 、 压缩机耗功量w 和制冷循环c o p 随高压压力变化的曲线。从图3 3 中可以看出，随 着高压压力的增加，循环c o p 存在一个最大值，当c o p 超过这个最大值后逐渐减 小。这是因为，随着高压压力的增加制冷量q o 上升的幅度逐渐减小，而压缩机耗功 量w 却是直线上升，如图3 2 所示。 1 2 0 i o o 8 0 参 争6 0 参 4 0 2 0 o 7891 0 l l 1 2 ，m p a 图3 - 2p 鲈对q o 和w 的影响 3 2 2t 。和t 。对循环性能的影响 4 0 3 5 3 0 2 5 82 0 u 1 5 1 o 0 5 o o 891 0l l1 2 p m p a 图3 - 3p g 。对c o p 的影响 1 ) 假设条件 为了分析方便，假设：系统循环处于稳态；压缩机压缩过程为等熵压缩； 一 换热器和环境之间没有热交换；系统管路压力总损失忽略不计。基于以上的理 论计算公式和初始假设条件，对跨临界c 0 2 热泵循环进行了数值仿真计算，其中 c 0 2 热物性数据如h 、s 等采用e e s 软件编程计算求得。 2 ) 熟力学模型 根据图3 1 跨临界c 0 2 循环的矿厅图，将系统在空调下的性能系数c o p 和供热条件 下的性能系数c o p h 分别定义如下： 1 2 华北电力大学硕士学位论文 c o p ：生鱼 h 2 一j i l i ( 3 - 1 ) c 睨：咎( 3 - 2 ) n 2 一伪 式中：| i l i 为各状态点的焓值( i 代表各状态点) 。 3 ) 结果分析 图3 4 反映了气体冷却器出口温度为3 0 、高压侧压力为9 m p a 时，蒸发温度 对系统性能系数的影响。从图中可以看出，随着蒸发温度的升高，系统制冷系数c o p 和制热系数c o p h 均呈上升趋势。在实际系统设计过程中，在满足制冷制热的前提 下，应尽可能升高蒸发温度，并减少系统运行过程中的不可逆损失。 籁 垛 耀 趟 图3 4 蒸发温度t c 垤。对系统性能系数的 影响 簌 垛 涩 掣 图3 - 5 气体冷却器出口温度t 3 对系统性能 系数的影响 图3 5 反映了系统蒸发温度为一3 、高压侧压力为9 m p a 时，气体冷却器出口 温度对系统性能的影响。从图中可以看出，系统的制冷系数c o p 和制热系数c o p h 随着气体冷却器出口温度的升高均呈下降趋势，即气体冷却器出口温度越高，系统 的性能系数越低。随着气体冷却器出口温度的进一步升高，系统制冷系数下降的越 明显。因此，在实际系统设计过程中，在满足制冷制热的前提下，应尽可能降低气 体冷却器的出口温度，进而可提高系统的性能系数。 3 3 跨临界c o ：循环热泵采暖分类及经济性分析 常规工质循环热泵一般根据冷凝温度的不同可以分为常温热泵、中温热泵、中 高温热泵和高温热泵【5 l l 。一般常温热泵的冷凝温度小于5 0 c ，中温热泵的冷凝温度 介于5 0 和8 0 之间，中高温热泵的冷凝温度介于8 0 和1 0 0 1 2 之间，高温热泵 1 3 名6 4 2 d 名6 4 2 4 4 4 4 4 3 3 3 3 o 8 6 4 2 o 8 6 5 4 4 4 4 4 3 3 华北电力大学硕士学位论文 的冷凝温度在1 0 0 以上。由于跨临界c 0 2 循环没有冷凝温度，所以无法通过冷凝 温度来对其进行分类。但是通过分析可知，冷凝温度的高低实际上决定了出水温度 的高低，根据热泵提供的热水温度，建议把c 0 2 跨临界循环热泵分为三类：高温热 水供暖热泵( 供水温度高于9 5 ) 、中温热水供暖热泵( 供水温度为7 0 9 5 ) 和低温热水供暖热泵( 供水温度低于7 0 ) 。以下分别探讨三种跨临界c 0 2 循环热 泵在供暖中的应用。 1 ) 高温热水供暖 目前我国已经建成的、采用普通散热器的民用建筑物中，锅炉热水供暖热分配 系统的设计供回水温度一般为9 5 7 0 。近年来，由于国家能源政策和环境保护 政策的鼓励和支持，新建建筑物越来越多地采用热泵供暖。然而，已经建成的建筑 物总是多于新建的，因此为了尽快解决城市因供暖而引起的污染问题，有必要对现 有建筑物中的锅炉供暖系统进行改造，以实现热泵供暖的目的。要用热泵改造锅炉 供暖系统，首先要求热泵能提供高温热水。能够提供高温热水的中高温热泵工质， 如r 1 1 、r 1 1 4 和r c 3 18 等【5 2 】，由于臭氧破坏和温室效应作用，已经不再被考虑， 而h f c s 工质受c o p h 等因素的限制，所能达到的供水温度十分有限，因此在对现 有建筑物锅炉供暖系统的改造过程中，无法有效利用原有锅炉热水供暖系统的管道 和终端散热器。对于跨临界c 0 2 循环热泵，由于高压端放热过程是个变温过程，加 上c 0 2 压缩机排气温度较高，超临界压力下c 0 2 流体的比热很大，提供的热水温度 很容易达到9 5 以上，从而可应用于对锅炉供暖系统的改造。 对于跨临界c 0 2 循环而言，在一定的蒸发压力下，c o p h 主要受气体冷却器出 口温度的影响。因此为了提高热泵的c o p h ，在保证散热器平均放热温差下，设计 的供回水温差应该尽可能增加，例如，设计供回水温度为9 5 5 5 。这时，对于 双管热水供暖系统，热泵供暖的平均放热温差和9 5 7 0 的锅炉采暖相比并没有 多大变化，对于单管热水供暖系统，每组散