（工程热物理专业论文）超临界COlt2gt流体特性及跨临界循环系统的研究.pdf

中文摘要 随着国际上对自然工质c 0 2 跨临界循环研究的深入，扩展c 0 2 跨临界制冷 循环系统的应用领域，提高系统的循环效率，加快其向实用化迈进是当前研究 的关键问题。本文通过理论分析，计算机模拟和实验研究相结合，重点对超临 界c 0 2 特性以及跨临界循环系统开展了研究。 论文结合当量温度法，针对空调系统的运行工况，分析了采用内部热交换 器、提高压缩机效率、利用膨胀机代替节流阀、双级压缩以及优化循环方式等 措施对系统效率的提高幅度。通过对c 0 2 跨临界双级压缩循环的性能分析， 得出了c 0 2 跨临界双级压缩循环的最佳高压压力和最佳中间压力计算关联式， 为系统的设计运行提供理论支持。 论文从分子间力和分子热运动的角度分析了液体表面张力的成因，分析了 c 0 2 亚稳态的特性以及气泡成核机理，分析了超临界流体相变机理，计算了亚 稳相变中气泡形成所消耗的表面功，得到了该不可逆损失占理论膨胀功的比 例。论文还针对c 0 2 跨临界循环系统采用的润滑油，分析了合成润滑油的相 关性能，对比分析得到p o e 和p a g 最适合应用于c 0 2 跨临界循环系统。 在压缩机和膨胀机中，泄漏损失是影响效率的主要原因之一。论文总结了 各种型式的泄漏模型，重点分析了c 0 2 超临界流体在平板模型中的泄漏，在 相同入口压力下，得到了c 0 2 的密度变化最大点的温度与泄漏量达到最大的 温度的一致性，分析了润滑油和泄漏通道间隙对泄漏量的影响，得到了润滑油 的含量对泄漏的影响较小，而泄漏通道的间隙对泄漏的影响最大。根据分析建 立了超i 临界c 0 2 泄漏实验系统，验证了对泄漏模型的理论分析。根据实验结 果，得出了超临界c 0 2 理论泄漏模型，对于设计c 0 2 跨临界循环压缩机和膨 胀机具有一定的指导意义。 论文针对家用空调使用的管翅式换热器，建立了c 0 2 气体冷却器和蒸发器 模型，模拟了c 0 2 气体冷却器和蒸发器管内换热及压降性能随各参数的变化 情况。建立了c 0 2 跨临界空气一空气循环系统实验台，并对该系统进行了性 能测试。不同工况下的实验研究表明，所采用的换热器的换热性能良好，系统 匹配性达到设计要求，在现有的实验条件下，系统c o p 达到3 0 ，为c 0 2 跨临 界空调系统的实用化提供了实验数据。 关键词：c 0 2 跨l 临界循环超临界流体相变延迟气体冷却器 a b s t r a c t a sm o r ea n dm o r ei n t e r n a t i o n a lr e s e a r c hh a sb e e nd o i n go nn a t u r a lw o r k i n g f l u i d c 0 2t r a n s c r i t i c a lc y c l e ，s c o p ee n l a r g e m e n t o ft h ec 0 2t r a n s c r i t i c a l r e f r i g e r a t i o nc y c l e sa p p l i c a t i o n ，i m p r o v e m e n to fc y c l ep e r f o r m a n c ea n dt h e p r o m o t i o no fi t sp r a c t i c a l i t ya l lb e c o m et h ek e yp r o b l e m so fc u r r e n tc o n c e r n i n g r e s e a r c h t h r o u g ht h e o r e t i c a la n a l y s i si nt h et h e s i s ，c o m b i n e dw i t hc o m p u t e r s i m u l a t i o na n d e x p e r i m e n t a lr e s e a r c h ，r e s e a r c h h a sb e e n d o n ew i t hf o c u so n c h a r a c t e r i s t i co fs u p e r c r i t i c a lc 0 2a n dt r a n s c r i t i c a lc y c l es y s t e m t h ee q u i v a l e n tt e m p e r a t u r em e t h o di sg i v e ni nt h i sp a p e ra n dr e f e r r i n gt ot h e w o r k i n gc o n d i t i o no fa i rc o n d i t i o n i n gs y s t e m ，i m p r o v e m e n to ns y s t e me f f i c i e n c y b ye m p l o y i n g h e a t r e g e n e r a t o r ，i m p r o v i n gc o m p r e s s o re f f i c i e n c y ，r e p l a c i n g t h r o t t l i n gv a l v ew i t he x p a n d e r ，t w os t a g ec o m p r e s s i o na n do p t i m i z i n gc y c l et y p e s a r ea n a l y z e di nt h ep a p e r f r o mt h ep e r f o r m a n c ea n a l y s i so nc 0 2t r a n s c r i t i c a lt w o s t a g ec o m p r e s s i o nc y c l e ，t h eo p t i m u mh i g hp r e s s u r ea n dt h eo p t i m u mm e d i a p r e s s u r e c a nb e o b t a i n e db yc a l c u l a t i n gc o r r e l a t i o n sf o rp r o v i d i n gt h e o r e t i c a l s u p p o r tf o rd e s i g n e do p e r a t i o no ft h es y s t e m f r o mt h er e s p e c to fm o l e c u l a rf o r c e sa n dm o l e c u l a rh e a tm o t i o n ，t h ec a u s eo f f o r m a t i o no fl i q u i ds u r f a c et e n s i o n ，c 0 2m e t a s t a b l ec h a r a c t e r i s t i c s ，t h eb u b b l e n u c l e a t i o nm e c h a n i s ma n dp h a s ec h a n g em e c h a n i s mo fs u p e r c r i t i c a lf l u i da r e a n a l y z e dr e s p e c t i v e l y ，t h ep o w e rf o rm e t a s t a b l ep h a s ec h a n g e ra n dt h ep e r c e n t a g e o ft h i sp o w e ri nt h e o r e t i c a le x p a n s i o np o w e ra r ec a l c u l a t e di nt h ep a p e r b y a n a l y z i n gc o n c e r n i n gp r o p e r t i e so fs y n t h e t i c l u b r i c a t i o no 订e m p l o y e di nc 0 2 t r a n s c r i t i c a lc y c l es y s t e m i ti sc o n c l u d e dt h a tp o ea n dp a ga r et h eb e s to n e sf o r c 0 2t r a n s c r i t i c a lc y c l es y s t e m i nc o m p r e s s o ra n de x p a n d e r ，l e a k a g el o s si st h em a i nf a c t o ro fi n f l u e n c i n g t h e i re f f i c i e n c i e s i nt h i sp a p e r ，v a r i o u st y p e so fl e a k a g em o d e la r eg e n e r a l i z e d w i t hf o c u so nl e a k a g eo fc 0 2s u p e r c r i t i c a lf l u i di np l a t em o d e l a tt h es a m ei n l e t p r e s s u r e ，t h et e m p e r a t u r ec o r r e s p o n d i n gt o t h e g r e a t e s tc h a n g ep o i n to fc 0 2 d e n s i t ya c c o r d sw i t ht h et e m p e r a t u r ea tw h i c hl e a k a g em a s sc o m e st ot h eg r e a t e s t v a l u e a n db ya n a l y z i n gt h ei n f l u e n c eo fl u b r i c a t i o no i la n dl e a k a g ec l e a r a n c eo n i i l e a k a g e ，i ti so b t a i n e dt h a tt h ec o n t e n to fl u b r i c a t i o no i lh a sl i t t l ei n f l u e n c eo n l e a k a g e ，w h i l et h el e a k a g ec l e a r a n c ee x e r tt h eg r e a t e s ti n f l u e n c eo nl e a k a g e b y b u i l d i n gu pt h el e a k a g e t e s t r i go fs u p e r c r i t i c a lc 0 2 ，t h e o r e t i c a la n a l y s i so f l e a k a g em o d e li sv e r i f i e d ，a c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ，i ti sg a i n e dt h a tt h e c u r r e n tt h e o r e t i c a lm o d e l s o fs u p e r c r i t i c a lf l u i da n ds u p e r c r i t i c a lg a s ，w h i c hh a s c e r t a i ng u i d a n c ef o rd e s i g n i n gh i g he f f i c i e n c yc o m p r e s s o ra n de x p a n d e ri nc 0 2 t r a n s c r i t i c a lc y c l e b a s e do nt h et u b ef i n et y p eh e a te x c h a n g e r si nh o u s e h o l da i rc o n d i t i o n e r s ， m o d e l so fb o t hg a sc o o l e ra n de v a p o r a t o ra r ee s t a b l i s h e d ，a n di ti ss i m u l a t e dt h a t t h eh e a tt r a n s f e ra n dp r e s s u r e d r o pi n b o t h h e a te x c h a n g e r su n d e rv a r i o u s p a r a m e t e r s t h ee x p e r i m e n t a lr i go fc 0 2t r a n s c r i t i c a la i rt oa i rc y c l es y s t e mh a s b e e ns e tu pf o rp e r f o r m a n c et e s t i n go fa i rc o n d i t i o n i n gs y s t e m e x p e r i m e n t a l r e s e a r c hu n d e rv a r i o u sw o r k i n gc o n d i t i o n si l l u s t r a t et h a tt h eh e a te x c h a n g e r s e m p l o y e di nt h es y s t e mh a v eg o o dp e r f o r m a n c ea n ds y s t e mm a t c h i n gm e e t st h e n e e do fd e s i g nr e q u i r e m e n t u n d e rc u r r e n te x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n ，c o po ft h e s y s t e mc a nr e a c h3 0 ，w h i c ho f f e r se x p e r i m e n t a ld a t af o rt h ea p p l i c a t i o no fc 0 2 t r a n s c r i t i c a la i rc o n d i t i o n i n gs y s t e m k e y w o r d s ：c 0 2t r a n s c r i t i c a lc y c l e ；s u p e r c r i t i c a lf l u i d ；p h a s ec h a n g ed e l a y ； g a sc 0 0 1 e r ； 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，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，也不包含为获得鑫凄盘堂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：勒高乡祭签字日期：2 砂彩年f 月夕日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨壅盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫凄盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名 勘貅 导师签名：、三多一太 签字日期：2 力b 占年 月f ? 日 签字日期：仂憎2 年，月另移目 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 1 1 1 回归自然与可持续发展 随着科学技术的发展，人类在创造巨大财富的同时，也制造了日益严重的环 境污染，使地球环境不断偏离其原来的状态。回归自然，是环境治理的最终目标。 自然工质c 0 2 的重新启用，代表着人类回归自然的重大举措，本文即对c 0 2 跨 临界循环的相关课题进行研究。 在世界范围内，一些数据足以说明，人类正以过量消耗资源来换取文明的进 步。为了满足人类对食物、淡水、木材、燃料的需要，在过去的6 0 年中，被人 类开垦为农田的土地比1 8 世纪和1 9 世纪的总和还要多。地球陆地表面2 4 的面 积已经被人类开垦为耕地。过度采伐森林可能导致疟疾和霍乱肆虐危险的增加， 并有可能引发不知名的疾病。过去4 0 年中，人类从河湖中汲取的水量比过去翻 了番。人类现今消耗的地表水约占所有可利用淡水总和的4 0 到5 0 。至少 1 4 的渔业储备己被人类过度捕杀。一些地区的捕鱼量已经不到大规模工业捕鱼 开始前的百分之一。1 9 8 0 年以来，全世界3 5 的红树林、2 0 的珊瑚礁已经不 复存在。另有2 0 的珊瑚礁遭到严重破坏。从工业化到今天，人类已耗尽三分之 二世界资源。 老子中有一句话：“天地不仁，以万物为刍狗；圣人不仁，以百姓为刍 狗。”我们曾经无视甚至批判过这种思想，高呼“人定胜天”、“精神第一，物质 第二”的e l 号。也许，老予的思想多少含点宿命论的味道，但现在回过头来看， 老祖宗的思想决不是不合理的。在科学文明日益发达，人们日渐狂妄的今日，重 温这一段话，反倒会生出一种深刻的亲切之感【lj 。 恩格斯在自然辩证法中所说的：“我们不要过分陶醉于我们对自然界的 胜利。对于每一次这样的胜利，自然界都报复了我们。”人类在享受生产力巨大 发展所带来的丰厚回报的同时，也遭到自然界的无情报复。直到2 0 世纪6 0 年代， 全球才开始对人与自然关系的探讨。1 9 6 2 年，r a c h e lc a r s o n 的寂静的春天， 犹如旷野中的一声呐喊，用它深切的感受、全面的研究和雄辩的论点改变了历史 的进程，揭开了全世界对人与自然共同生存问题的大思考；1 9 7 2 年3 月1 2 同， 天津大学博士学位论文 d l m e a d a c s c a n d a l 执笔为“罗马俱乐部”发表了其第一份研究报告一一增长 的极限，为了人类社会美好的未来，我们再也不能为所欲为地向自然界贪婪地 索取，恣意地掠夺。因为，“我们不只是继承了父辈的地球，而是借用了儿孙的 地球l 这句话寓意深刻，联合国环境方案曾用这句话来告诫世人。1 9 7 2 年6 月5 日在瑞典斯德哥尔摩召开的联合国人类环境会议( u n i t e dn a t i o n $ c o n f e r e n c eo nt h eh u m a ne n v i r o n m e n t ) ，是世界环境保护运动史上一个重要的里 程碑。它是国际社会就环境问题召开的第一次世界性会议，标志着全人类对环境 问题的觉醒。1 9 8 1 年，当代科学家、思想家莱斯特布朗在他的影响深远的著作 建设一个可持续发展的社会的扉页上呼吁人类社会采取有效措施，努力稳定 全球人口规模，保护自然资源，开发和利用可再生资源，自觉地改变价值观念， 努力探索一条人与自然协调发展的新路，建设一个可持续发展的社会。1 9 8 7 年， 挪威首相布伦特兰夫人向联合国环境发展大会( w c e d ) 提交的报告一一我们 共同的未来开始对可持续发展有了明确定义。 1 1 2 臭氧层破坏和全球变暖问题 随工业革命的发展，大气中的c 0 2 与其它几种温室气体的浓度正在逐年上 升，根据科学家测定冰川中空气的c 0 2 在工业革命以前，大气中的c 0 2 含量只有 2 7 0 2 9 0 p p m v 。从1 8 8 0 年到1 9 9 0 年大气中的c 0 2 含量增加到3 5 5 p p m v ，比工 业革命前增加2 5 ，在今后的5 0 年可能增加5 0 ，6 0 年代前大气中的c 0 2 增 加速率为0 1 o 3p p m v 年，6 0 年代后为1 0p p m v l z ，近年来1 5p p m v 年。目 前c 0 2 对气侯变暖的贡献率为5 5 ，c f c s 与h c f c s 物质为2 4 ，甲烷与n o x 为2 1 ，有关专家认为，在今后半个世纪内，大气中的c f c s 与h c f c s 等其它 温室气体增加后所升高的温度将与c 0 2 浓度增加所升高的温度相等。即等于 c 0 2 的温室效应增加l 倍。温室效应使地球表面的温度上升，引起全球性气候 反常。全球表面温度自1 9 世纪后半叶上升了0 6 ，而i p c c 在1 9 9 5 年底的报 告中认为上升了o 4 5 左右，也就是说，最近5 6 年的高温导致了大约0 1 5 的进一步升温。这是一个很大的幅度。在过去的1 0 0 0 年中，2 0 世纪是温度上升 幅度最大的一个世纪。在9 0 年代初，科学家发现8 0 年代是2 0 世纪最热的1 0 年， 而现在科学家又发现，9 0 年代是2 0 世纪最热的1 0 年。 英国的研究学者在近期发表的文章中，如果新的气候变化计算机模型得出的 数据准确的话，未来的全球气温可能比科学家预想的高得多。政府间气候变化问 题研究小组曾预言，到二十世纪末，二氧化碳数量的翻番可能使全球气温升高 1 5 4 5 。但根据德国马克斯普朗克化学研究所的迈因拉特安德列埃教授 及其研究小组计算，升幅最高可能达6 c 之多。安德列埃在自然周刊上写到： 第一章绪论 “这样的气候变化完全在经验和科学认知的范围之外，我们根本不能有把握地预 言地球系统将面临的后果”【2 】。 关于气候变暖对社会政治稳定的影响很难估测。十九世纪3 0 年代的长期干 旱和尘暴，迫使几百万美国中西部人向西迁到加利福尼亚州。但是到6 0 和7 0 年 代，由于较好的天气和就业又有数百万人从北部迁到南部。由此可见气候的变 化对社会政治有巨大影响。 os1 0 1 5 2 53 0 真囊量( 匿力m f i ) 图i - i 臭氧损耗对气候变化的一次效应 臭氧浓度与气候变化之间的相互作用是涉及到辐射、吸收、发射、大气迁移 和各种各样化学反应的大量动态过程的结果【3 】。这种过程既发生在对流层中，也 发生在同温层中。在较低的同温层中臭氧的损耗导致照射到对流层的可见光与紫 外线辐射量的增加，这就增加了全球气候变暖的影响。但是，较低的同温层中的 臭氧还吸收从地球所发射的红外辐射，有效地收集红外辐射并阻止它进入大气外 层，在这一点上，较低的同温层中的臭氧又起了增加全球变暖的作用，如图1 - 1 所示。所以较低的同温层中的臭氧耗损会降低全球变暖。全球气候除了受到通过 直接改变大气中的辐射、吸收与发射的平衡关系的影响之外，同温层中臭氧的变 化，通过对对流层中其他一些重要的辐射要素产生的作用也能施加影响。同温层 臭氧通过控制抵达对流层的紫外线辐射量影响对流层。这种紫外线( u v ) 辐射，借 助于对流层中臭氧的光分解( p h o t o l y s i s ) 产生了氢氧根( o h ) ，o h 是对流层中一种 具有高度活性作用的重要核素( s p e c i e s ) 。抵达对流层的u v 辐射量的增加提高了 o h 浓度，而这又降低了对流层中甲烷寿命。这种寿命降低连同臭氧耗损的一次 效应导致全球变暖降低了3 0 5 0 。对流层中o h 浓度增加的另一个作用是 能够产生更多的云层冷凝核( c q 田，提高了云层的反射率，从而降低了全球变 暖。 衢 笱 佰 伸0 0 _jql-鼍 天津大学博士学位论文 在温室气体与臭氧损耗的关系中，主要讨论c 0 2 、甲烷、一氧化二氮和氯氟 烃、氢氯氟烃、氢氟烃的影响。在同温层中二氧化碳是红外辐射的主要的成分， 二氧化碳浓度的增加将导致同温层的冷却。这种冷却会有两种相反的效应。一方 面，降低了的温度将使反应速度减慢，于是使臭氧放慢了气相化学过程中的催化 循环( c a t a l y t i cc y c l e s ) ；另一方面，还会使南北极同温层出现云层的几率增加，于 是通过南北极大气层中一些非均质过程强化了氯的活性造成臭氧的破坏，同时通 过加快同温层悬浮微粒中的水解反应( h y d r o l y s i sr e a c t i o n s ) ，使中纬度地区的臭氧 也有了较少程度的破坏。同温层中二氧化碳浓度增加的净效应将增加臭氧的耗 损。因此，如按京都议定书所计划那样限制二氧化碳浓度的增加，对于防止臭氧 层耗损将具有积极的长期效应。 甲烷是同温层中氢氧根( 0 h ) 的一种来源。它们能通过在较高同温层和散逸层 中的催化循环，诱导臭氧破坏。然而，这些区域中的臭氧浓度非常低，因而这种 作用按总的臭氧数量来衡量是非常有限的。在一些较低纬度外，甲烷的增加通过 与氯原子的反应将诱导增加h c i 的产生。这样就在惰性的h c l 蓄积中有效地分 离出活性的氯，转而导致减少了臭氧的催化( c a t a l y t i c ) 氯破坏和降低了臭氧的耗 损。在同温层中甲烷的氧化作用还导致水蒸汽的生成。因为这种过程发生在较低 的同温层中，增加甲烷浓度可能诱导南北极同温层中云层形成频率的增加，和中 纬度悬浮微粒的增加，因而激发氯与溴的活性和加强了臭氧的耗损。目前，人们 认为上述两种过程的净效应是减少了臭氧的耗损。如按京都议定书所计划的那样 去做，限制甲烷排放的增加，对臭氧层的耗损可能会产生负面的长期效应，虽然 这种效应的数值有多大还确定不了。 一氧化二氮的氧化是同温层中n o x 根的主要来源。这种根在同温层臭氧中 的作用随高度变化而显著地不同。在3 0k m 上空，由于一氧化二氮浓度的增加， 使一些气相臭氧破坏循环占支配地位，导致增加了臭氧的耗损。在较低的高度， 氮的卤化化学反应在均质( h o m o g e n e o u s ) 与非均质( h e t e r o g e n e o u s ) 的两种过程中 都是相当复杂的。这种相互作用的一种重要结果是形成了如硝酸氯( c h l o r i n e n i t r a t e ) 这样的氯蓄积，从而使氯暂时保持一种惰性状态。然而，其对臭氧层耗 损的净效应是否取决于一些环境参数，它还是一个争论的问题。 c f c s 与哈龙既是臭氧耗损物质，又是温室气体。h c f c s 也属于这种情况， 虽然由于它们在对流层中寿命很短而使其影响要小得多。禁止c f c s 与哈龙的排 放，以及进一步还要禁止h c f c s 的排放，将对臭氧耗损与气候变化肯定有有益 的影响。主要问题是在于氢氟烃c h f c s ) ，因为它们既不含氯，又不含溴，及时地 将它们引入市场将进一步减少臭氧的耗损。然而，这种化合物又是一些温室气体， 由于它们的辐射特性在红外波长范围内具有高全球变暖潜能值，因此被包括在京 第一章绪论 都议定书的限制排放范围内。 经过分析可见，臭氧损耗与气候变化是相互联系的，各种温室气体排放量的 增加与臭氧损耗也是相互联系的，同时也是证明了蒙特利尔议定书与京都议定书 之间存在着如表1 1 所示的相互联系。 表1 - 1 蒙特利尔议定书与京都议定书之间的相互联系 联合国为解决因发展所引起的诸如气候变化、臭氧层破坏及其它重大全球环 境问题，近十几年召开了一系列会议，保护地球环境，保护臭氧层，减少温室气 体排放，全球都在行动。见表l - 2 ，1 - 3 1 4 , 5 。 表1 2 国际上保护环境成立的相关机构 机构名称 内容 0 z o n es e c r e t a r i a t m u l t i l a t e r a lf u n d u n i t e dn a t i o n se n v i r o n m e n t p r o g r a m m e ( u n e p ) t 1 1 es e c r e t a r i a t f o r t h ev i e n n a c o n v e n t i o na n dt h em o n t r e a lp r o t o c o l m u l t i l a t e r a lf u n df o rt h ei m p l e m e n t a t i o n o f t h em o n n e a lp r o t o c o l u n e pd i v i s i o no f t e c h n o l o g y ，i n d u s t r y a n d e c o n o m i c s u n i t e dn a t i o n sd e v e l o p m e n t p r o g r a m m e ( u n d p ) u n i t e dn a t i o n si n d u s t r i a l s e c t o r a l s u p p o r t a n de n v i r o n m e n t a l d e v e l o p m e r i to r g a n i z a t i o n s u s t a i n a b l ed i v i s i o mu n i d o ( u n i d 0 ) w 0 r l db a n k g l o b a le n v i r o n m e n tf a c i l i t y ( g e f ) w o r l dm e t e o r o l o g i c a lo r g a n i z a t i o n ( w m o ) s c i e n t i f i ca s s e s s m e n tp a n e lc o h a i r s e n v i r o n m e n t a le f i e c t s a s s e s s m e n tp a n e lc o c h a i r s 天津大学博士学位论文 t e c h n o l o g ya n de c o n o m i c a s s e s s m e n tp a n e lc o c h a i r s 表1 - 3 从1 9 世纪到2 1 世纪世界环保行动的有关主要内容 日期主要行动 1 9 6 2 1 9 7 0 1 9 7 2 1 9 7 7 1 9 8 1 1 9 8 3 1 9 8 4 1 9 8 5 1 9 8 7 1 9 9 2 1 9 9 7 1 9 9 8 1 9 9 9 2 0 0 1 2 0 0 2 2 0 0 4 2 0 0 5 寂静的春天出版，警告化学杀虫剂对环境造成的污染 经济合作与发展组织o e c d 环境委员会成立 罗马俱乐部增长的极限出版，提出地球资源的有限性 联合国人类环境会议在斯德哥尔摩举行，通过了人类环境宣言及 行动计划，成立了联合国环境规划署u n e p 联合国环境规划署开始调查氯氟烃问题 联合国召开“新能源及可再生能源会议”，通过了增加新能源及可 再生能源利用的行动计划 o e c d 设置“环境影响评价与开发援助特别团体” 联合国成立“世界环境与发展委员会w c e d ”，世界银行制定环境 政策与实施程序 保护臭氧层维也纳公约 关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书 在里约热内卢召开“联合国环境与发展大会”，签署联合国气候 变化框架公约( u 师c c c ) 。中国制定了中国消耗臭氧层物质逐步 淘汰国家方案 在京都召开c o p 3 ，签署京都议定书 中国签署 京都议定书 北京c o p l l 蒙特利尔议定书北京修正案。 美国退出京都议定书 中国交京都议定书核准书 俄罗斯总统普京签署了关于批准京都议定书的联邦法。 2 月1 6 日，议定书的正式生效，标志着人类社会应对全球气候变化的 努力进入新阶段。 中国汽车空调行业2 0 0 2 年1 月1 日起已经停止了c f c 的使用，其他的消费 行业，如哈龙( 1 2 1 1 ) 、烟草、清洗、制冷和家电行业按计划都将在2 0 0 6 年年底停 止c f c 和哈龙的消费使用。对泡沫行业，在2 0 0 6 年年底完成9 5 的淘汰任务， 到2 0 0 7 年7 月1 日之前彻底淘汰。而对于o d s 生产行业来说，在2 0 0 7 年7 月 第一章绪论 1 同不再生产o d s 类产品，对于原来使用的o d s ( 如c f c 类) 可以进行回收再 利用，不计算在生产之内。因此，现阶段为了近一步减少o d s 对环境产生的破 坏作用，采取的主要措施续研究开发对环境无破坏或破坏很小而且节能的长期替 代工质，对还在使用c f c s 与h c f c s 的系统减少充灌量并加强系统的密封性， 从而减少制冷剂的泄漏量，对废弃的c f c s 与h c f c s 进行回收。 1 1 3 制冷剂的替代 目| j ，对c f c s 与h c f c s 工质替代，国际上有两条不同的技术路线： 1 ) 仍以元素周期表中的“f ”元素为中心，在剔除了c l 和b r 元素后，开发 了以f ，h ，c 元素组成的化合物，即h f c s 制冷剂，如h f c 1 3 4 a 、h f c - 3 2 、 h f c 1 5 2 a 、h f c 1 4 3 a 、h f c 1 2 5 等及其混合物r 4 0 7 c 和r 4 1 0 a 等。但除 h f c 1 5 2 a 、h f c 3 2 外，其他h f c s 制冷剂的g w p 值都在1 0 0 0 以上，而被京 都协议书( 1 9 9 7 ) 列为“温室气体”，需控制它们的排放量。大力提倡使用这类 工质的代表国家是美国、日本等。 2 ) 以元素周期表中的c 、h 、n 、o 等元素组成的天然工质为对象，重新四i 到了早期制冷剂中的碳氢化合物h c s 、c 0 2 、和n h 3 等制冷剂。以德国以及北欧 一些国家为代表，主张采用天然制冷工质作为替代物。表1 4 给出了现行制冷剂 的应用现状。 表1 - 4 现行制冷剂的应用现状 天津大学博士学位论文 1 2c 0 2 作为制冷剂的复兴 c 0 2 曾为1 9 世纪后期主要应用的制冷剂之一，1 9 3 0 年后随着人工合成制冷 剂的出现，c 0 2 逐渐淡出。但是随着人类对环境问题的关注，以及人工合成制冷 剂的诸多弊病，c 0 2 的研究又重新受到重视，由于c 0 2 作为制冷工质的一些独特 的优势，前国际制冷学会主席g l o r e n t z e n 认为二氧化碳是无可取代的制冷工质， 并提出跨临界循环理论，指出其可望在热泵领域发挥重要作用1 6 】。 由于c 0 2 的临界温度很低( 3 1 ，l ) ，因此c 0 2 的放热过程不是在两相区冷 凝，而是在接近或超过临界点的区域的气体冷却器中放热。在c 0 2 跨临界制冷 循环中，其放热过程为变温过程，有较大的温度滑移。这种温度滑移正好与所需 的变温热源相匹配，是一种特殊的劳伦兹循环，当用于热泵循环时，有较高的放 热系数。挪威的p e t t e rn e k s a 首先在其博士论文中提出将跨临界的蒸气压缩循环 用于热泵热水器。 从1 9 9 4 年开始，旨在研究自然工质的i r - g u s t a vl o r e n t z e nc o n f e r e n c eo n n a t u r a l w o r k i n g f l u i d s 会议每两年一次，目前为止，已经召开了六届，见表1 5 。 2 0 0 6 年5 月2 8 日31 日将在挪威t r o n d h e i m 举行第七届i r - g u s t a vl o r e n t z e n c o n f e r e n c eo nn a t u r a lw o r k i n gf i u i d s 国际会议。 表1 - 5 已经召开的i r g u s t a vl o r e n t z e nc o n f e r e n c eo nn a t u r a lw o r k i n gf l u i d s 1 3c o ：制冷循环部件研究进展 随着各国学者和企业的关注，c 0 2 跨临界制冷系统的研究工作取得了很大的 进展。 1 3 1 压缩机 1 ) 活塞式压缩机 由于活塞式压缩机耐高压、利用密封环可有效减小泄漏，因此在早期的c 0 2 研究中，基本是以活塞式压缩机为主的。1 9 8 9 年，挪威科技大学( n t n u ) 的f a g e d i e ra l 【7 1 进行的首次c 0 2 跨临界循环实验，就是应用丹麦s a b r o e 公司制造的双缸c 0 2 第一章绪论 活塞式压缩机。德国b o o k 公司开发的汽车空调开启式往复压缩机是在原有压缩机 的基础上改进设计，减小了活塞直径，将冲程缸径比增大。而丹麦d a n f o s s 公司 制造的是斜盘式压缩机。s e n d e n 和l u k 合作开发的二氧化碳斜盘式汽车空调压缩 机，如图1 2 所示 图1 - 2s e n d e n l u k 合作生产的二氧化碳斜盘式压缩机 d o r i n 【8 】开发的半封闭式压缩机，如图1 3 所示，已开始批量生产，包括双缸 单级和两级活塞压缩机，额定转速为2 9 0 0 r m i n ( 5 0 h z ) 。日本静冈大学与日本d e n s o 公司【9 1 合作开发的往复式压缩机( p s p d = 3 5 1 0 1 ) ，余隙容积率6 5 ，实验结果 容积效率为7 0 ，低于理论的9 1 7 ，绝热效率在8 0 左右。此压缩机的容积效 率随转速升高而增大，说明容积效率受泄漏损 失的影响很大。余隙容积从6 5 上升到8 1 ， 则容积效率下降2 1 ，因此c 0 2 压缩机的设 计应有相对小的冲程。当润滑油的混合比在5 和3 ，容积效率和绝热效率上升，而如果 超过这个值，过多的润滑油在高温下对吸气流 量起到消极的影响。 2 ) 滚动活塞压缩机 日本s a n y o 设计的滚动活塞压缩机应用于 图1 - 3d o r i n 公司开发的半封闭式 家用热水器f lo 1 1 1 ，如图1 4 所示。针对c 0 2 跨临 c 0 2 压缩机 界的特点，设计上采取了四个措施。1 ) 为减小压差变形和泄漏，采用双级压缩 以减小压缩过程的进出口压差，而且压差不宜超过3 m p a 。两个压缩单元利用单 驱动轴保持1 8 0 0 相差，由主轴上部的电动机驱动。2 ) 使机壳内腔的压力为中间 压力，减小壳体的压力强度要求，从而减小尺寸。3 ) 由于两个偏心轮之内的轴 是应力集中的部位，对轴形状进行了改进，而且滑片也进行了改进设计，使变形 明显减小。4 ) 一级排气分为两路，一路进入第二级压缩腔，另一路迸入壳体内 天津大学博士学位论文 保证壳体的压力为低压，然后再进入二级压缩腔。 图1 - 4 双级滚动活塞式压缩机的机理图和实物 美国p u r d u e 大学的b h u b a c h e r l l 2 1 也开发了制冷量为2 8 k w 的全封闭双级转 子式压缩机，测试结果：压比为1 5 5 时，压缩机的容积效率为o 9 - - , 0 7 8 ，等熵 效率为o 7 ；润滑油和工质的流量比为1 2 ，吸气过热对压缩机效率有轻微影响。 3 ) 摆动活塞压缩机 日本d a i n k i n 设计开发了c 0 2 摆动活塞压缩机【1 3 】，用于c 0 2 冷媒热水器和汽车 空调。设计考虑和比较了摆动活塞压缩机与滚动活塞压缩机及涡旋压缩机的优缺 点，认为在c 0 2 高工作压力下，滑板会产生较大变形导致泄漏损失很大，而涡旋 压缩机的动涡圈与静涡圈之间会因压差大而增大泄漏。采用摆动活塞压缩机，由 于滚环和摆杆成为一体，使二者之间不存在密封与润滑，而且减少了这两部分的 摩擦损失，同时摆杆可承受较大压差，而且导轨能够转动，减小了摆杆的侧向力， 减少摩擦。日本d a i k i n 公司通过研究认为c 0 2 摆动活塞压缩机具有很好的开发前 景，而且设计强度要求与r 4 1 0 a 压缩机相当。 4 ) 涡旋压缩机 日本d e n s o 1 4 】公司研制了涡旋压缩机用于c 0 2 热水器中，如图l - 5 。日本松下 ( m a t s u s h i t a ) 公司在r 4 1 0 a 涡旋压缩机 的基础上，开发了c 0 2 涡旋压缩机， 如图1 - 6 所示，排气容积为7 2 3 e r a 3 可使 系统的制冷量达到2 5 5 0 k w 。由于排 气容积小，可将涡圈的高度降低，同时 改变涡圈的绕数以满足容积比的要求， 壳体和排气阀进行了重新设计。日本三 菱重工( m i t s u b i s h i ) 公司开发了c 0 2 涡 旋压缩机【l6 】用于c 0 2 热水器。如图1 7 所 示，在设计中考虑到涡旋压缩机的泄漏 图1 5 日本d 。1 1 s 。公司开发的c 0 2 涡旋式压 是比较突出的问题，因此在动涡圈和静 缩机 第一章绪论 涡圈的设计上采用了特殊的设计。另外压缩机的轴向推力很大，而轴向背力过大 也会导致摩擦损失增加，设计没有采用止推轴承，而是将油压管分两路进入涡盘 底部，利用油压产生轴向背力，起到止推作用。压缩机的绝热效率可达到7 6 。 图1 - 6m a t s u s h i t ah e a v y 工业公司研 制开发了全封闭涡旋c o z 压缩机 圈l - 7m a t s u s h i t ah e a v y 工业公司研制开 发了全封闭涡旋c o z 压缩机样品的效率 5 ) 滑片压缩机 美国马里