（热能工程专业论文）co2跨临界循环水水热泵的理论和实验研究.pdf

巾艾摘坚 摘要 c 0 2 跨临界循环是目前困际上自然工质替代研究j ：作的重点之一。奉文以 c 0 2 自然工质为研究对象，对c 0 2 跨临界循环在热泵热水供暖中的应用进行了理 论分析和实验研究，主要内容如下： 1 c 0 。制冷工质综合性能研究 ， f 通过简单的理论循环c o p 比较来评价某种制冷工质的优劣性是片面的。本文 从环境和安全性能、热物理特性、压缩机效率以及价格等其它各方面，对c o ： 自然工质的性能进行了综合评价。1 。 ， 2 c o 。跨临界循环热泵热水供暖理论研究 c 0 2 跨l 临界循环放热过程的变温特性，使其在热泵供暖中的应用具有独特的 优势。本文把c 0 2 跨缶界循环热泵分为高温热水热泵、低温热水热泵和中温热 水热泵三类，分别加以研究；通过计算分析指出，c 0 2 跨临界基本循环应用于热 泵供暖时存在不足，并提出了膨胀机循环和双级压缩回热循环这两种改进循环， 对改进循环在热泵供暖中的应用进行了详细的计算分析。j 3 气体冷却器换热和优化设计理论研究 f 气体冷却器的设计直接关系到热泵的c o p 和出水温度，是跨临界循环热泵系 统的关键部件。本文研究了超临界压力c o ：流体的热物性和流动传热特性；通 过对水冷却气体冷却器模型的理论计算，得出了气体冷却器c o 。局部换热系数、 压降和温度的分布规律；通过对一个具体设计问题的几种设计方案的计算分析和 比较，给出了气体冷却器优化设计的总体思路。；7 4 c o z 跨临界循环热泵供暖实验研究 本文对c 0 。跨临界循环热泵系统的高压压力调节特性以及外部热源条件对系 统循环性能的影响进行了实验研究；对地下水热源热泵供暖工况进行了实验模拟 研究。实验研究的结果为今后系统的优化、循环的改进以及实际应用打下了基础。i 一 关键词：自然工质，c 0 2 跨临界循环，热泵，气体冷却器 国家自然科学疑金5 9 8 7 6 0 2 8 资助项目，2 11t 程t d 一2 1l 一9 5 0 1 0 6 支持j 员目 英义摘蛭 a b s t r a c t c 0 2t r a n s c r i t i c a lc y c l e i s p r e s e n t l y a n i m p o r t a n ta s p e c t o fn a t u r a l r e f r i g e r a n t a l t e r n a t i v e sr e s e a r c h t h ea p p l i c a t i o no fc 0 2t r a n s c r i t i c a lc y c l ei nh e a tp u m p h e a t i n g i ss t u d i e d t h e o r e t i c a l l y a n d e x p e r i m e n t a l l y i nt h i s p a p e r i t s m a i nc o n t e n t sa r e s u m m a r i z e da sf o l l o w s ： 1 c o m p r e h e n s i v e e v a l u a t i o no f c 0 2r e f r i g e r a n t i nv i e wo ft h ef a c tt h a tt h ee v a l u a t i o no fa r e f r i g e r a n to n l yb y i t s s i m p l e t h e r m o d y n a m i c a lc y c l ea n a l y s i s i sa no n e s i d e d a p p r o a c h ，t h ec o m p r e h e n s i v e e v a l u a t i o no fc 0 2r e f r i g e r a n ti sc o n d u c t e di nt e r m so f e n v i r o n m e n t ，s a f e t y ， t h e r m o p h y s i c a lc h a r a c t e r s ，c o m p r e s s o re f f i c i e n c y ，p r i c ea n d s oo n 2 t h e o r e t i c a ls t u d yo ft r a n s c r i t i c a lc 0 2 c y c l ef o r w a t e rt ow a t e rh e a tp u m p s y s t e m t h el a r g et e m p e r a t u r eg l i d ei nh e a tr e j e c t i o np r o c e s so fc 0 2t r a n s c r i t i c a lc y c l ei s v e r ya d v a n t a g e o u sf o rh e a tp u m ps y s t e m t h ec 0 2 t r a n s c r i t i c a lc y c l eh e a tp u m pi s d i v i d e di n t ot h r e ec a t e g o r i e sw h i c ha r eh i g ht e m p e r a t u r e ，m i d d l et e m p e r a t u r e ，a n dl o w t e m p e r a t u r es y s t e mr e s p e c t i v e l y b a s i cc y c l e sc o p i sn o tg o o de n o u g ha c c o r d i n gt o c y c l ec a l c u l a t i o n s ，a n dt h em a i nr e a s o ni sc o n c l u d e d e x p a n d e rc y c l ea n dt w o s t a g e c y c l ew i t hi n t e r n a lh e a te x c h a n g e r a r ea d v o c a t e d ，a n dt h ec o r r e s p o n d i n gc o m p u t a t i o n s a n d a n a l y s e sa r ea l s od o n e 3 h e a tt r a n s f e rs t u d ya n do p t i m i z a t i o no f g a sc o o l e r g a sc o o l e rw h i c hh a sg r e a ti n f l u e n c eo nc o pa n do u t l e tw a t e rt e m p e r a t u r ei so n e o ft h ek e yc o m p o n e n t so fc 0 ，t r a n s c r i t i c a lc y c l eh e a tp u m ps y s t e mt h ec h a r a c t e r so f t h e r m o p h s i c a lp r o p e r t i e so fs u p e r c r i t i c a lc 0 2a n di t s h e a tt r a n s f e ra r er e v i e w e d a m a t h e m a t i c a 】m o d e lo fg a sc o o l e ri sb u i l da n dt h ed i s t r i b u t i o n so f 】o c a 】h e a tt r a n s f e r c o e f f i c i e n t ，p r e s s u r ed r o p ，a n dt e m p e r a t u r eo fc 0 2 a r eo b t a i n e da c c o r d i n gt ot h e c a l c u l a t i o nr e s u l t so f t h em o d e l t h eo p t i m i z a t i o no f g a sc o o l e ri sa l s od i s c u s s e d 4 e x p e r i m e n t a ls t u d y o ft r a n s - c r i t i c a lc 0 2 c y c l eh e a tp u m p 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 s a r ec o n d u c t e di no r d e rt o t e s t i f yt h eh 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 f c 0 2 t r a n s c r i t i c a lc y c l e ，t os t u d y t h ei n f l u e n c eo f “e x t e r n a lh e a ts o u r c e ”o nc o p h ，a n dt os i m u l a t et h ew o r k i n g c o n d i t i o no fl o wt e m p e r a t u r eh e a tp u m pw i t hg r o u n dw a t e ra si t sh e a ts o u r c e k e y w o r d s ：n a t u r a lr e f r i g e r a n t ，t r a n s - c r i t i c a lc 0 2 c y c l e ，h e a tp u m p ，g a s c o o l e r 天评人学坝i 学位论义 第一章绪论 卜1 课题研究背景 经过了一个半世纪多的发展，制冷、空调和热泵设备已经成为现代人h 常牛 活、生产不可缺少的设备。尽管除了蒸气压缩式以外还有很多其它的制冷方式， 例如吸收式制冷、热电制冷、吸附式制冷等等，但是蒸气压缩式制冷至今仍然是 最主要的制冷方式。蒸气压缩式制冷有各种不同的热力循环方式，例如 e v a n s p e r k i n s 循环、s t i r l i n g 循环和l o r e n z 循环等等，尽管这些制冷循环经历的 热力学过程有所不同，但是它们的共同点是都需要制冷工质刊能实现循环，因此 制冷工质是实现蒸气压缩制冷循环的前提。 白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，h tr 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 - 2 】，直到1 9 7 4 年，美国学者r o l a n d 和m o l i n a 提出著名了c f c s 臭氧层 破坏理论”i ，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。另外，科学研究发现c f c s 和h c f c s 物质对近几十年来 地球气温上升和全球气候变化也起到了推波助澜的作用。 由于c f c s 和h c f c s 具有很强的臭氧层破坏和温室效应作用，是造成目前大 气臭氧层减薄和全球气温上升的主要元凶之一，因此国际社会对此反应十分强 烈。1 9 8 7 年，2 4 个国家和欧共体联合签署了著名的关于消耗臭氧层物质的蒙 特利尔议定书，用以限制臭氧破坏物的生产，并提出要全面禁止使用c f c s ；紧 接着又有1 9 8 9 年的保护臭氧层维也纳公约，1 9 9 0 年的伦敦修f 案；1 9 9 2 年 的哥本哈根修f 案最终达成协议，对c f c s 和h c f c s 的最后使用期限分别作了明 文规定：发达国家和发展中国家对于c f c s 的使用期限分别是1 9 9 6 年1 月l 和 2 0 0 6 年1 月1 日；对于h c f c s 的使用期限分别是2 0 3 0 年1 月1f f 和2 0 4 0 年1 月1 日。尽管离h c f c s 的禁用日期还有三、四十年，但是随着人们对环境问题的 f l 益重视，种种迹象表明，这个期限必将被进一步提前。事实卜，欧洲许多国家 规定的h c f c s 的最后使用期限已经比哥本哈根修正案最终达成的协议有所提前。 随着c f c s 和h c f c s 物质禁用f i 期的同益临近，各国科学家矿加紧列c ：c s 和h c f c s 工质的替代研究工作。 ( 3 )除了较高的g w p 值外，h f c s 替代工质的大量使用会导致每年几百万吨 第常绪论 新型亭孥代工质必须同时具备无臭氧破坏势( o d p ，o z o n ed e p l e t i o t lp o t e n t i a l ) 和较低的温室效应势( g w p ，g l o b a lw a r m i n gp o t e n t i a l ) 这酣个条件。也有一些 学者认为在评价制冷剂的温室作用时应该以总等温室效应( t e w l ，t o t a l e q u i v a l e n tw a n n i n gi m p a c t ) 为标准”】。所谓t e w i 就是说在考虑制冷r 丁质的 g w p 同时，还应该考虑制冷机组的运行效率和成本( 因为它们问接影响c 0 2 的 排放量) 。到目前为止，替代工质研究工作已经卓有成效，某些替代工质的技术 已经成熟并已投入使用；另外还有一些j 下在研究和丌发当中。 h c f c s 和c f c s 的替代研究工作概括起来可以分为两个方面： 、h f c s 替代工质研究的第一个方面是应用h f c sr t 质( 包括丌发纯组分的新代制 冷工质或二元、三元共沸和非共沸混合物) 替代目前广泛使用的c f c s 和h c f c s 工质1 6 。1 “。目前已经生产出来的主要有r 1 3 4 a 、r 3 2 、r 1 4 3 a 和r 1 2 5 等纯工质及 其混合物。h f c s 不含氯原子，o d p = 0 。目前已经有相当一部分的h f c s 投入使 用，主要是用包括r 1 3 4 a 在内的几种h f c s 及其混合物来替代r 1 2 、r 2 2 、和r 5 0 2 等工质。目前国际社会普遍认为h f c s 作为c f c s 和h c f c s 的替代物足可行的， 效果也是比较理想的。但是，h f c s 仍然具有明显的缺点，主要有： ( 1 ) g w p 值仍较高，大约在1 0 0 0 - - - 6 0 0 0 之间； ( 2 ) 除了r 1 3 4 a 外，其它h f c s 纯工质的参数与常用c f c s 和h c f c s 工质有 较大区别。另外，有些h f c s 混合物虽然已得出与原氟里昂制冷工质相近 的制冷量，但由于与传统的矿物油不相溶，必须开发新型润滑油，所以严 格说来，不应算作直接( d r o pi n ) 替代物。 ( 3 ) 除了较高的g w p 值外，h f c s 替代工质的大量使用会导致每年几百力吨 这种复合化学物质排放到大气中去，其中必然包含着对环境产生不可预见 影响的潜在风险。 二、自然工质 替代工质研究的第二个方面是彻底放弃使用化工合成物，采用和环境相容的 纯天然制冷工质，主要包括水、碳氢化合物、氨、二氧化碳和空气等等。由于国 际社会对环保问题的普遍关注，要求制冷工质对环境无影响、为环境令部接受的 呼声越来越高( 尤其是在欧洲) ，这自然就把人们的注意力引导到自然工质身上。 一1 0 ) 具有较高的使用价值。对于n h 3 、c h s 和c 0 2 等自然工质来说，如 天津火学豫1 l 学也论证 存大最的自然物质中，有l ：多物质具有成为制冷一l 质n 勺良好的物理和化学性质， 如水、空气、氦、氮、碳氢化合物、氨和二氧化碳等等。低沸点物质，如氦、 氮和甲烷在低于一1 2 0 。c 的深冷和气体液化等应用场合中早已得到了广泛采用；水 足高温热泵的理想介质。科学研究发现，n h 3 、c h s 和c 0 2 在常规制冷范内( 一5 0 一l o ) 具有较高的使用价值。对于n h ”c h s 和c 0 2 等自然工质柬i 5 ，如 何合理设计制冷系统、提高循环效率，如何保证系统的稳定、安全运行是其首先 需要解决的问题。 氨( r 7 17 ) 白一百多年前，n h 3 被当作制冷工质使用后，它的使用就一直没有停止过。 以前它的主要应用场合是在工业，然而最近1 5 年内它的应用范围得到进一步的 扩大，在食品处理、冷藏和冷水机组中都得到了应用o 】。随着n h 3 高压新型冷 凝器、蒸发器以及n h 3 半封闭式压缩机的出现，它的应用范围将向小型冷藏冷 冻室和组装式空冷机组拓展。但是由于氨具有可燃性和很浓的刺激性气味，这必 然会大大限制它的应用场合。 碳氢化合物( c h s ) 碳氢化合物其溶油特性和热力学特性都比较好。丙烷作为工作介质用于大型 的制冷装置( 主要是在石化工业中) 已经有多年的历史。在不久的将来丙烷、异 丁烷等碳氢化合物的另一个重要的应用领域就是在小型制冷系统中用作卤代烃 的替代物。在德国等一些欧洲国家，已经有相当一部分冷藏和冷冻箱采用c h s ”l 。 但是由于其可燃性，有些国家( 尤其是在美国和f i 本) 对于它的安全性仍持怀疑 态度，因此它的应用也受到了极大的限制。 1 3 0 。( r 7 4 4 ) 在1 9 3 0 年以前的半个世纪里，c 0 2 是一种常见的制冷工质。由于它的临界 温度只有3 1 左右，当环境温度稍高时，它的循环效率和制冷能力就急剧下降。 当r 1 2 等氟里昂制冷工质出现以后，c 0 2 很快被其取代。现在提出来的c 0 2 循 环一般指的是跨临界循环。如果对可燃性和毒性有严格限制的场合，在三种自然 工质中，c 0 2 是最理想的。c 0 2 具有无毒、不燃、价格便宜，与目前常用的材料 相容、热物性成熟、比热容大、分子量小、粘度小、单位容积制冷量大等诸多优 点，它应具有较好的前景而再次呈现出活力。 第一帝绪论 虽然制冷工质替代的两个方向各有优缺点，然而从长远考虑，任何化i ：合成 物都对环境有定的副作片j ，4 i 管是已经发现的或潜在的，从这个角度来说，虽 然h f c s 丁质在现阶段对于h c f c s 和c f c s 的替代有重要意义，但是最多也j 1 是 一个过渡性的方案，只有发展天然制冷工质j 是解决制冷工质环境问题的根本途 径。当然，制冷工质替代并不完全是个技术问题，各种有效的政策和法规以及允 许技术发展的时间跨度等都会影响制冷工质的替代。 卜2c 0 。制冷工质的历史回顾 c 0 2 制冷工质的使用具有很长的一段历史t s - t 9 l 。 用c 0 2 实现蒸气压缩式制冷循环的观点晟早由美国康乃狄克卅1 新港的 a l e x a n d e rc a t l i nt w i n i n g 于1 8 5 0 年提出。但是第一次成功地把c 0 2 应用于商业 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 i c a r l i n c o u r tl o w e ( 尽管有更早些的专利提出使用c 0 2 作为工质) 。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，还在船上装置了c 0 2 制冰机用以在墨西哥湾运输冷冻肉类。1 8 6 7 年， 他获得了c o ：制冰机英国国家专利。 1 8 8 2 年，德国人k a r ly o nl i n d e 为埃森的f k r u p p 公司设计制冷机时曾用 c 0 2 作为工质进行实验。1 8 8 4 年，德国人w i l h e l m r a y d t o h a n o v e r 获得一个c 0 2 制冰机英国国家专利。同年，澳大利亚的j a m e sh a r r i s o n 对c 0 2 制冷机在制冷和 空调中的应用进行了改进，他因此获得了英国国家专利。 尽管在此之前c 0 2 得到了一定程度的应用，但是直到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 制冷工质爿得 到了显著的发展。1 8 8 7 年，英国j & e h 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 dc h i e f 号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 制冷机丌始了 在海运轮船上的应用。据统计，1 9 0 0 年全世界共有3 5 6 艘轮船，其中3 7 用空 气压缩循环制冷机，3 7 用氨吸收式制冷机，2 5 用c 0 2 蒸气压缩式制冷机。发 展到1 9 3 0 年，全世界8 0 轮船采用c 0 2 制冷机，其余的2 0 则用氨制冷机。后 来，山于c f c s 的兴起，c o ：制冷机的生产开始缩减，最后一艘c o z 制冷船只在 天津人学坝i 。学位论文 1 9 5 0 年左右停i i ：服役。 美国在18 9 0 年一1 8 9 7 年期间试图引进c 0 2 制冷机，们l 都以失败而告终。直 剑18 9 7 年，在f r e dw h i t t e n m i e r 的督促下，美国j 从德囡引进了一台由 s x h a r r e r & g r o s s 公司制造的c 0 2 制冷机用于酒窖制冷。它的制冷量为2 冷吨。 1 8 9 7 年7 月，k r o e s c h e l lb r o s i c em a c h i n e 公司在芝加哥正式组建，公司使 用奥地利人j u l i u s 的专利制造小型c 0 2 制冷压缩机，山f r e dw h i t t e n m i e r 出任经 理。1 9 1 8 年f r e d 离开k r o e s c h e l lb r o si c em a c h i n e 公司，并在芝加哥成立了 w h i t t e n m i e r 公司。该公司成功地安装了许多c 0 2 制冷和空调系统。 c 0 2 制冷压缩机在舒适空调中的广泛应用大约在1 9 1 9 年前后，比制冷机晚 了3 0 年左右。例如，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，在教堂的空调系统中开始应用；1 9 2 5 年，在空气调节中丌始应 用；1 9 2 7 年，在办公室空调系统中丌始应用；1 9 3 0 年，在住宅空调系统中丌始 应用。后来，c 0 2 空调机又被用于各种商业建筑和公共设施的空调制冷系统中。 由于用途广泛，早期的制冷书籍中都将c 0 2 作为主要制冷工质加以介绍， 配有其热力性质图表和压缩机等的结构图【”1 。但在当时的技术水平下，c 0 2 较低 的临界温度( 3 1 1 ) 和较高的临界压力( 7 3 7 m p a ) ，造成c 0 2 系统的制冷效率 较低，其冷凝器的冷却介质多采用温度较低的地下水或海水，基本属于亚临界循 环。当水温较高时( 如热带海洋上行驶的轮船水温可接近3 0 。c ) ，其制冷效率会 更加下降。 1 9 3 1 年，以r 1 2 为代表的c f c s 制冷工质一经开发，便以无毒、不可燃、 不爆炸、无刺激性、适中的压力和较高的制冷效率等优势，很快取代了c 0 2 在 制冷工质领域的地位。c 0 2 逐渐销声匿迹，r 1 2 逐步开始大规模生产和应用。尽 管c 0 2 不再作为制冷压缩机的工质，干冰却仍被大量使用。从1 9 3 0 年至今，干 冰在食品工业和食品、药物保存等低温技术中得到广泛的应用。 卜3c o ：制冷工质的再次提出和研究现状 2 0 世纪8 0 年代以后，随着人类对c f c s 和h c f c s 的臭氧破外和温室效应 等环境问题的同益重视，c f c s 和h c f c s 工质替代研究迅速发展起来。因为h f c s 的g w p 仍然比较大，而且它并不能完全排除潜在的环境危机，所以从九十年代 弛一争绪论 起，欧洲率先发起“自然工质”运动。已故陶际制冷学会主席，g l o r e n t z e n 牛 阿大力捉侣使用自然_ = 质眇2 “。他认为c 0 2 足“无可取代的制冷t = 质”，c 0 2 跨 临界循环可望在汽车空调和热泵等领域发挥重要作用。他的主张得到了众多学者 的大力支持。从此在全球范围内掀起了一股c 0 2 再开发与研究的高湖。目前， c 0 2 跨临界循环的理论和实验研究主要集巾在以下两个方面： 一、汽车空调 汽车空调的工作环境恶劣：空间狭小，放热环境温度高，换热器表而容易积 灰等等，因此常规工质循环中的冷凝器放热比较困难，从而导致冷凝温度高、循 环效率低。c 0 2 跨临界循环由于放热温度高、气体冷却器的换热性能好，因此比 较适合汽车空调这种恶劣的工作环境。 汽车空调领域的研究由挪威s 1 n t e f 研究所的g l o r e n t z e n ，j p e t t e r s o n 等人 率先发起 2 3 - 2 5 1 。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， 随后建立了样机进行实验研究，取得了的实验结果也比较令人满意。 德国k a s s e l 大学的j k o e h l e r 等人开展了c 0 2 汽车空调和热泵的应用研究 1 2 6 - 2 8 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，他们认为c 0 2 跨临界循环系统将是二十一世纪汽车 空调中唯一可选的可靠系统。 美国伊利诺大学( u i u c ) 空调和制冷中心( a c r c ) 的c wb u l l a r d 等人， 在美国各大制冷空调制冷企业的支持下，建立了相应的汽车空调实验台，对系统 中回热器的特性及布置特点等进行了研究，并与其它替代工质如r 1 3 4 a 、r 4 1 0 a 等进行了比较，得到了较好的结果 2 9 - 3 1 i 。他们还对c 0 2 工质在家用空调、超市 冷柜方面的应用展开了广泛的理论和实验研究。 此外，普渡大学的d m r o b i n s o n 以及y u n h oh w a n g 等人对带膨胀机的跨临 界循环系统进行了理论分析 3 2 - 3 3 】；丹麦的j h o l s t ”1 对系统的调节部件进行了分 析研究。 目前汽车空调领域的研究已经取得了重大突破，据报道，已经有相关产品投 入市场。 二、热泵 c 0 2 跨i 临界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 天滓人学坝i 学化论史 它工质、i 刚f j 界循环等温冷凝过程无法比拟的优势。根据 】途，c 0 2 跨临界热杂j 以分为十燥热泵，热泵热水器，供暖热泵。 热泵领域的研究也是由挪威s i n t e f 研究所p n e k s a ，j p e t t e r s o n 等人率先发 起【3 ”。他们对热泵热水器的特性、循环系统设计进行了理论分析与实验研究，结 果表明：c o ：热泵热水器不仅具有较高的供热系数，而且系统结构紧凑，q i 产的 热水温度高。 德国d r e s d e n 大学的p h e y l 等人对c 0 2 跨临界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1 3 6 l ；k a s s e l 大学的j k o e h l e r l 2 ”、同本 c r i e p i 的m i c h i y u k is a i k a w a 等人 ”l 也进行着类似的研究工作。 此外，德国e s s e n 大学的f s 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 面应用的可行性进行了分析与讨论【3 8 】；德国f k w 制冷热泵研究中，1 5 , 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c 0 2 跨i 临界循环热泵在供 热系统中的应用前景进行了分析与探讨。 卜4 本文的主要研究内容 在各种能量消耗的最终物理形态中，以热消耗最大，且以小于1 0 0 。c 的热消 耗为主。热力学分析研究表明，在小于1 0 0 。c 的热消耗领域内，热泵节能技术有 着很好的应用前景。热泵节能的实质是发挥高质能源质量上的优势，使低温环境 热源或无用的低温热资源提高温度，使它适合人们利用，并在数量上成倍的增大， 从而节约矿物燃料，减少c 0 2 的排放。热泵技术的发展有利于合理利用自然资 源，有利于提高人民生活水平，有利于环境污染的治理，它可把社会效益、经济 效益和环境效益很好地结合起来，将是一种新型的节能技术。 民用采暖是热消耗温度小于1 0 0 。c 的耗能大户。目前，我国城市采暖广泛使 用的燃煤锅炉大多为中小型锅炉，其热效率低，平均为5 5 一6 0 ，同时燃煤产 生大量的烟灰和污染性气体严重损害了大气环境。另一方面，工业余热、地热水、 土壤热等低温热源未受到充分利用。因此，热泵作为一种清洁、节能的设备，代 替锅炉供热，是我国未来城市供热发展的一个主要方向。中国许多地区的气候适 合于热泵供热，加上国家的能源政策和环境保护政策的鼓励和支持，预期热泵采 船一章绪论 暖技术一定会得到迅速发展。 根据统计，1 9 9 6 年，在我固的全部热泵空调机组中，电驰动热泵容量。! i9 0 ， 吸收式热泵只占了1 0 。因此电驱动热泵仍然是热泵的主要形式。目i 拊，电驱动 热泵中c f c s 和h c f c s 工质的替4 2 s - 质首选的为h f c s 替代物。然而，正如本章 对制冷热泵工质替代研究的论述中提到的，h f c s 工质也存在潜在的环境危机， 只是过渡性的替代物，最终的替代物必然是与环境完全相容的自然工质。 作为国家自然科学基金资助项目5 9 8 7 6 0 2 8 的部分内容，本文以c o ：制冷工 质以及c 0 2 跨l 临界循环热泵在供暖中的应用为主要研究内容。论文由以下儿部 分构成： ( 1 ) 从环境、安全、效率、价格等方面对c 0 2 制冷工质作综合性能评价； ( 2 ) 研究c o z 跨临界循环热泵供暖的特点，提出提高热泵c o p h 的方法和途径： ( 3 ) 研究超临界压力c o ：的流动传热特性，探讨气体冷却器的优化设计问题； ( 4 ) 实验研究c 0 2 跨临界循环热泵的运行特性和循环性能。 天津人学坝卜学位论文 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：i 每界温度较高、饱和i i 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【4 3 】。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的优 点和缺点的综合评价的基础上，确定这种制冷工质的综合性能是否优越。本章将 从环境和安全性能、热物理特性、压缩机效率以及价格等其它方面因素对c 0 2 自然工质作一个比较综合的评价。 2 1 环境和安全性能 2 11g w p 和0 d p 众所周知，c f c s 和h c f c s 被禁用的原因就在于它的g w p 和o d p 太大。根 据表2 1 的数据，c 0 2 的o d p = 0 ，g w p = i ，而r 1 2 和1 1 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g w p 和o d 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 仍然相当大，r 1 3 4 a 的g w p 以1 0 0 年和2 0 年为标准 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 外，其它三种工质的分解产物对环境都有危害2 “，例如r 1 3 4 a 在大气层内在 太阳光的照射下会分解出有毒的酸性物质 4 4 - 4 5 l 。综上所述，在环境性能方面c 0 2 与c f c s 和h f c s 相比具有绝对的优势。 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显得越 来越重要，制冷工质的需求量也正逐年上升，今后每年将达到数十力吨的消耗量， 而这些物质最终都将排放到大气中，所以在选择替代工质的时候，完全有理山把 更多的注意力投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 环境的同益重视，有关政策法规也必然会更向环境性能优越的制冷工质倾斜。 21 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c 0 2 跨临 界循环系统的运行压力很高，有人担心j系统管子破裂丽t j l 起的安全问题。世1 是实际上，t h 】二c 0 2 的单位容积制冷量比一般制冷工质大得多( 见表2 1 ) ，凶 此对于相i 刊制冷量的系统，系统的容积相对较小，p 和v 的乘积与传统工质差小 多是相等的，而这个乘积决定了爆破能，所以c 0 2 的爆破危害性在技术上是不 难克服的。 表2 1 儿种制冷l 质士耍性能j 标比较 制冷r 质名称 r 7 4 4r 1 3 4 ar 1 2 r 2 2 分子式 c 0 2c h 2 f c f 3c c l 2 f 2 c h c l f ， 分子量m ( k g k m o l l 4 4 0 11 0 2 o1 2 09 38 64 8 气体常数r ( j ，k g k ) 1 8 898 156 879 6 1 维执指数1 3 011 4l2 0 o d poo 1 0 0 5 5 2 0 年13 1 0 07 1 0 0 4 2 0 0 g w p 1 0 0 正11 2 0 07 1 0 01 6 0 0 临界温度( )3 1 11 0 1 71 1 209 60 点压力( m p a )7 3 7 24 0 5 541 1 349 7 4 凝同点( ) 5 65 51 5 8 1 6 0 标准沸点( )一7 8 4 一2 6 22 984 08 是否可燃否否否否 相对价格 o 13 511 分解产物是否有害否是是是 单位容积制冷量。( k j m 3 ) 2 2 6 0 02 8 6 02 7 4 04 3 4 4 常压升华点：o 时的蒸发焓除以饱和蒸气比容 2 - 2 热力学性质与传输性质 22 1 热力学性质与循环性能的关系 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 。接近i 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t s 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1 4 ”。图2 一l 和图2 - 2 分别表示亚临界基本循环和跨临界基本循环的热力循环t s 图。本文的 基本循环所指的是没有过冷器、内部热交换器( 回热器) 和膨胀功回收装置的热 力循环。图中斜线阴影部分的面积对整个循环是非常关键的，因为单位制冷量和 c o p 都和它有密切关系。很明显，冷凝濡度越接近于临界点温度，图中所示的 天津人学坝f 学位论义 制冷筻和蒸发潜热的比值就越小。这也就是说冷凝温度越接近于临界点对系统运 行越1 、币0 。 山于c 0 2 的临界温度很低( 3 1 1 ) ，nj - lc 0 2 循环必然在接近或超过临界 点的区域运行。此时，c 0 2 的饱和液体比热很大，从而具节流损失也大，闪此造 成其基本理论循环c o p 比较低。 综上所述，存热力学性能上，作为蒸气压缩制冷循坏的1 质，c 0 2 具有一定 t 辐 制冷量 i s s 图2 - 1 亚临界循环制冷量和潜热的关系 图2 - 2 跨临界循叫、制冷量和潜热的关系 的缺陷。但是，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 以后，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 力学循环分析比较般都是建立在相同的蒸发温度和冷凝温度、并且只考虑了工 质的节流和过热损失的基础之上的，而在实际的制冷系统中，制冷循环的损失还 包括蒸发器、冷凝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 失等等不可逆损失。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，例如a t w o o d 和h u g h e s 就强烈反对这种简 单的理论循环计算比较，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 。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 c o p 。更何况，对于c 0 2 跨临界循环，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。应该指出的是，多年以来人们总是根据已经 存在的系统和基本循环理论循环c o p 的高低来选择制冷工质，而很少考虑循环 系统应该如何改进来满足某种制冷工质达到高c o p 的条件。事实上，基本理论 循环c o p 越低的工质，循环改进的余地也越大。c 0 2 和各种工质循环c o p 的差 距完全可以通过循环的改进( 如过冷，回热，使用膨胀机代替节流机构等等) 来 筇章 c 0 2 制冷 ：赝的综合计价 缩小【4 6 , 4 9 。 当然，my - c 0 2 的临界温度低、| | f i 界j ! 力商，造成c o ：制冷系统的运行压力 将远高于传统工质的制冷空调系统，这必然会给系统及部件的设计带来一些新的 要求。 22 2 传输性质与循环- 陛能的关系 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的c o p 能够接近理论循环c o p 的程度。在超临界压力下， c o z 具有比热大、导热系数高、动力粘度小的特点，这对流动和传热都是十分有 利的。研究表明c 0 2 的超临界换热比一般制冷工质的冷凝换热的换热系数还要 大好几倍【5 2 】。从表2 - 2 可以发现，在相同蒸发温度下，c 0 2 与r 1 3 4 a 、r 1 2 和r 2 2 相比，比热大、粘度小而导热系数高，同时c 0 2 饱和蒸气与饱和液体的密度相 差倍数比其它三种工质也小得多。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 5 0 - 5 2 i 。c 0 2 的这些特点对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也是十分有利的。 表2 2 几种制冷：f ：质的热物理性质比较 制冷工质名称 r 7 4 4r 1 3 4 ar 1 2r 2 2 饱和状态参数 0 1 0 0 】o 0 】o 0 1 0 压力( m p a ) 3 4 94 5 00 2 9 3o 4 1 5 0 3 0 90 4 2 30 5 0o6 8 液体密度( k g m 3 ) 9 2 8 18 6 1 51 2 9 5 21 2 6 1 51 3 9 6 91 3 6 381 2 8 151 2 4 67 蒸气密度( k g m 3 ) 9 7 71 3 5 11 4 5 3 22 0 3 8 11 8 0 52 4 4 42 1 22 8 8 液体比热( k j k g ，l ( ) 2 5 43 0 013 0 61 3 4 409 1 709 3 011 7l2 0 蒸气比热( k l k g k ) 18 72 5 60 9 0 309 5 50 6 4 806 7 70 7 407 9 液体粘度( up a s ) 1 0 4 58 6 43 3 05 32 9 42 12 4 7 9 72 3 l1 62 1 7 81 9 5 5 蒸气粘度( u p a s ) 1 4 81 6 ol o 9 51 l4 21 17 01 21 81 141 1 9 液体导热系数 01 1 1 30 0 9 9 30 0 9 9 40 0 9 4 7 7 0 0 7 8 300 7 4 6 40 1 0 0 000 9 4 7 ( w m k ) 蒸气导热系数 0 0 2 0 80 0 2 5 500 1 2 100 1 3 0 90 0 8 5 8o0 9 1 70 0 9 500 1 0 1 ( w m k ) 22 3 压降与饱和温度降的关系 在实际制冷系统中，蒸发器不可避免地存在着压力损失，这个压力损失将使 系统的平均蒸发温度降低，从而降低系统的c o p 。实际上，在蒸发器的设计中， 质量通量和换热管直径的优化选择经常都是以最大可容忍压降作为基准。般规 定，制冷工质通过蒸发器的压力损失不应该超过与蒸发温度变动1 。c 所对应的压 天冲人学坝1 j 学他论文 力变化。山于不同t 质的饱和温度i u i 线的斜率是不同的，因此对于小同的工质， 蒸发器允许的压降是有所不同的。图2