（工程热物理专业论文）co2跨临界循环膨胀机理与转子式膨胀机压缩机研究.pdf

中文摘要 环境问题的凸现，使自然工质c 0 2 作为传统工质的替代物重新回到制冷空调领 域。本文的主要研究目的就是努力提高c 0 2 跨临界循环系统的性能，使之达到与传 统工质相应的c o p ，促使c 0 2 空调热泵系统早曰走向实际有效应用，为传统工质的 替代提供最终解决方案，实现空调热泵技术的可持续发展。 本文根据对目前国内外对自然工质c 0 2 跨临界循环系统的理论和实验研究现状 的分析，以提高系统效率为目标，对c o z 热泵系统的性能提升潜力进行了理论分析， 并且以c 0 2 跨临界循环性能提高最具价值的膨胀机压缩机技术研究为核心，为c 0 2 空调热泵技术走向实际有效应用提供理论依据和技术支持。 c o ：跨临界循环的特点为系统压力较高、简单循环运行效率较低。本文针对其 高压特点，分析了系统的安全性及其摄优压力对系统性能的影响。为提高c 0 2 跨临 界循环系统的性能，对简单蒸气压缩制冷循环进行的主要技术改进方案可分为两类： 减小节流损失；减小放热过程不可逆损失，使放热过程向等温放热过程逼近。通过 引入回热器、喷射器、经济器、膨胀机等辅助制冷部件来缩小实际循环与卡诺循环 的差别。在熟力学理论的指导下，对于各种新型循环方式的系统性能提高潜力进行 评价。 本文根据热力学理论，对超临界c 0 2 降压、闪蒸过程膨胀做功与能量输出特性 方面进行理论上的探讨。对气液相变中的亚稳平衡特性进行研究，分析影响相变延 迟的因素。建立膨胀机膨胀过程中c 0 2 过热液的成核长大热力学模型，计算c 0 2 气 化核心的临界半径和临界势垒。通过c 0 2 过热液中能量涨落值与其幅界势垒值的对 比，分析非平赞相变发生的条件。探讨通过干扰降低膨胀过程生成气化核心的能量 势垒，促进相变发生的机理与可行性。 采用膨胀机对于提高c o ：跨临界循环系统性能具有特殊重要的意义。为减小能 量转换和储存损失，尽量提高系统效率，膨胀机所产生的机械功应该被赢接利用， 可使膨胀机和压缩机同轴联接。研制c 0 2 膨胀机一压缩机是推动c 0 2 走向有效应用的 重要途径。以摆动转子式膨胀机一压缩机为开发对象，采用新型的轴向进气控制方案 并根据系统容量计算出设计参数。运用摩擦学系统分析影响c 0 2 膨胀机一压缩机润滑 性能的因素。耐用于c 0 2 跨l 临界循环系统的四类合成润滑油p o e 、p a g 、p a o 、 a n a b 的主要性能如混合性、流动性、可溶性、粘温特性、稳定性和润滑性进行分 析比较。 以膨胀机压缩机的工作过程( 吸气、压缩、排气；迸气、膨胀、排气) 为研究 对象，综合考虑各种因素，建立起工作过程的数学模型并进行数值求解。求出膨胀 机一压缩机中工质的主要热力参数( 如压力、温度、比容) ，以及其它特性( 如泄漏 损失、摩擦损失等) 随主轴转角的变化特性，进而计算出膨胀机压缩机的主要性能； 通过对计算结果综合分析揭示膨胀机，压缩机的内部工作规律和性能提高的途径。 本文建立用于测试膨胀机压缩机性能的c 0 2 跨临界循环水水热泵系统实验台， 研究膨胀机一压缩机的运行规律。为膨胀机压缩机效率的进步提高和系统的优化 及控制提供有价值的参考依据。实验结果表明，膨胀机对c 0 2 跨临界循环系统性能 具有明显的提高作用，在一般工况下大约可以提高2 0 4 0 ，说明膨胀机技术是 c 0 2 系统性能提高的重要技术措施。但是膨胀机要走向实际应用还需要进步优化 设计参数、提高加工精度来提高其性能。本文还进行了微量不凝性气体n c 1 干扰 促进膨胀机内c 0 2 流体相变发生的实验，初步实验结果显示干扰可使c 0 2 膨账机的 效率有所提高。 关键谒：c 0 2 跨临界循环；膨胀机理；膨胀机一压缩机； 仿真模型 本课题得到高等学校博士学科点专项科研基金( n o d 0 2 0 0 1 0 5 ) 和国家自然科 学基金( n o 5 9 8 7 6 0 2 8 ，n o 5 0 4 7 6 0 6 0 3 的资助。 a b s t r a c t c 0 2i su n d e rs e r i o u sc o n s i d e r a t i o nw o r l d w i d ea sar e p l a c e m e n tf o rc o n v e n t i o n a l r e f r i g e r a n t sb e c a u s et h es e v e r ee n v i r o n m e n t a lp r o b l e m s t h eo b j e c t i v eo ft h i sd i s s e r t a t i o n i st od e v e l o pac 0 2t r a n s c r i t i c a lc y c l et h a th a sc o m p a r a b l eo rb e t t e rp e r f o r m a n c ew h e n c o m p a r e dt oac y c l ew i t hc o n v e n t i o n a lr e f r i g e r a n t s t h e r e f o r et h i sr e s e a r c hw i l lt r yt o p u s ht h ec 0 2t r a n s c r i t i c a lc y c l ei n t op r a c t i c ea p p l i c a t i o nt h a tm a yb eb e n e f i tt ot h e s u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n ti nt h er e f r i g e r a t i o na n da i r - c o n d i t i o n i n gf i e l d b a s e do i lt h ee x i s t i n gt h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho nc 0 2t r a n s c r i t i c a l c y c l eo fo t h e rt a l e n tr e s e a r c h e r sw o r l d w i d e ，t h i sd i s s e r t a t i o nt a k e st h ep e r f o r m a n c e i m p r o v e m e n to fc 0 2t r a n s c r i t i c a lc y c l ea st h em a i nt a r g e ta n df o c u s e so nt h ed e v e l o p m e n t o f r o t a r ye x p a n d e r - c o m p r e s s o ri nt h e o r ya n a l y s i sa n de x p e r i m e n t a t i o n t h et y p i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fc 0 2t m n s c r i t i c a l c y c l em a yb es o m e w h a th i g h e r o p e r a t i n gp r e s s u r ea n dl o w e rp e r f o r m a n c ei nb a s e l i n es y s t e mw h e nc o m p a r e dw i t ha s y s t e mu s i n gc o n v e n t i o n a lr e f r i g e r a n t s t h es a f e t yp r o b l e ma n dt h ee f f e c t so ft h e o p t i m i s mh i g hp r e s s u r et oi t sp e r f o r m a n c ea r ea n a l y z e dt o w a r di t sh i g ho p e r m i n gp r e s s u r e i np r i n c i p l e ，al a r g en u m b e ro fm o d i f i c a t i o n st ot h eb a s i cc 0 2t r a n s c r i t i c a lc y l ea r e p o s s i b l e t h o s ep o t e n t i a li m p r o v e m e n t so fc o m p o n e n t sa n da d v a n c ec y c l e sw i t h a d d i t i o n a lc o m p o n e n t ss u c ha si h x ，e j e c t o r ，e c o n o m i z e ra n de x p a n d e re t c a r ea n a l y z e d t h e o r e t i c a l l y t h et e c h n o l o g ym o d i f i c a t i o nc a l lb ea p p r o x i m a t e l yd i v i d e di n t ot w oc l a s s e s ： r e d u c i n gt h ep r e s s u r e 出o pp o w e rl o s sa n dr e d u c i n gt h ei r r e v e r s i b l el o s so fh e mr e j e c t i o n p r o c e s s i ti si n v e s t i g a t e do nt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h es u p e r c r i t i c a lc 0 2 e x p a n s i o np o w e ri n t h ep r o c e s so f d e c o m p r e s s i o na n d f l a s h i n gp r o c e s st h e o r e t i c a l l ya d o p t i n gt h e r m o d y n a m i c s g a s - l i q u i dp h a s ec h a n g eh y r s t e r e s i si nt h er e c t a - s t a b l es t a t ei si n v e s t i g a t e da n dt h e a f f e c t i n gf a c t o r sa r ep r o p o s e d t h ei r r e v e r s i b l et h e r m o d y n a m i cm o d e la b o u tt h eb u b b l e n u c l e a t i o ni nt h ec 0 2s u p e r h e a t e dl i q u i di nt h ee x p a n s i o np r o c e s so fe x p a n d e ri sf o u n d e d t h ec r i t i c a lr a d i u sa n dt h ec r i t i c a lp o t e n t i a lb a r r i e ro fc 0 2n u c l e a t i o na r ec a l c u l a t e d t h e c 0 2e n e r g yf l u c t u a t i o no fm e t a - s t a b l ec 0 2l i q u i di sc a l c u l a t e dw i t ht h es t a t i s t i c t h e r m o d ) 7 n a n f i cm e t h o d t h e r e f o r et h et h e o r i e sa b o u ta d o p t i n gd i s t u r b a n c ef a c t o r ss u c ha s f o r e i g ns u b s t a n c ea n du l t r a s o n i ct oa c c e l e r a t et h en u c l e a t i o na n dt h eb u b b l eg r o w t ha r e p r o p o s e d e m p l o y i n g a i le x p a n d e ri sp a r a m o u n ti m p o r t a n tt oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo ft h e i i i c 0 2t r a n s c r i t i c a lc y c l e i n t e g r a t i n ga ne x p a n d e ra n dac o m p r e s s o rt o g e t h e rw i l lb eg o o dt o u t i l i z et h er e c o v e r e dp o w e rd i r e c t l ys i n c et h et r a n s m i s s i o nl o s si se x p e c t e dt ob es m a l l t h ed e s i g np a r a m e t e r so ft h es w i n g p i s t o nt y p er o t a r ye x p a n d e r - c o m p r e s s o ra d o p t i n gt h e n e w l yd e s i g n e di n l e tc o n t r o lm e t h o da r ec a l c u l a t e da c c o r d i n gt ot h eh e a tp u m ps y s t e m c a p a c i t y t h el u b r i c a t i o no ft h ep r o t o t y p ei sa n a l y z e dw i t ht r i b o l o g y t h o s ef o u rk i n do f s y n t h e t i cl u b r i c a n t s ：p o e ，p a g , p a oa n da n a ba r ec o m p a r e da n dv a l u e do nt h e i rm a i n c h a r a c t e r i s t i c ss u c ha s m i s c i b i l i t y , f l u i d i t y , s o l u b i l i t y , v i s c o s i t y - t e m p e r a t u r ec h a r a c t e r , l o n g t e r ms t a b i l i t ya n dl u b r i c i t y t h em o d e lo nt h es w i n gp i s t o nt y p er o t a r ye x p a n d e r - c o m p r e s s o ri sf o u n d e dt o s i m u l a t et h eo p e r a t i n gp r o c e s se g s u c t i o n ，c o m p r e s s i o na n dd i s c h a r g ef o rc o m p r e s s o r a n di n l e t ，e x p a n s i o na n dd i s c h a r g ef o re x p a n d e r t h em a i nt h e r m o d y n a m i cp a r a m e t e r s s u c ha sp r e s s u r e ，t e m p e r a t u r ea n dd e n s i t yo ft h er e f r i g e r a n ti n t h eu n i ta n do t h e r c h a r a c t e r i s t i c ss u c ha si n t e m a ll e a k a g el o s s ，f r i c t i o nl o s sa n de t c a r en u m e r i e a lt a l c l l l a t e d t h ee x p a n d e r - c o m p r e s s o rp o t e n t i a lc a nb ew e l le s t i m a t e da n do p t i m i z a t i o ng e o m e t r i c p a r a m e t e r sc a nb eg o t t e nt h r o u g ht h ec o m p r e h e n s i v ea n a l y s i so nt h es i m u l a t i o nr e s u l t s t h ec 0 2t r a n s c r i t i c a lc y c l ew a t e r - w a t e rh e a tp u m pt e s tr i gw a sf o u n d e dt ot e s tt h e p e r f o r m a n c eo ft h ee x p a n d e r - c o m p r e s s o ru n i t t h ee x p e r i m e n t si n d i c a t e dt h a tt h e e x p a n d e rh a do b v i o u si m p r o v e m e n te f f e c t so nt h eh e a tp u m pp e r f o r m a n c e ，c o po ft h e s y s t e mc a nb ei n c r e a s e da b o u t2 0 4 0 w h i c ha r ef a v o r a b l er e s u l t s h o w e v e r , t h e i n t e r n a ll e a kr a t e sw e r es t i l lt o oh i l g ha n db o t ha no p t i m i z e d d e s i g na n di m p r o v e d m a c h i n i n ga c c u r a c ya r er e q u i r e dt of a b r i c a t ea n do p e r a t eac 0 2e x p a n d e ra ta c c e p t a b l e p e r f o r m a n c el e v e l s t h ed i s t u r b a n c ea c t i o no fm i n o rn o n c o n d e n s a t i o ng a sn c 1t o t r i g g e rt h ep h a s ec h a n g ei ne x p a n d e ri st e s t e d ，t h er e s u l ts h o w st h ed i s t u r b a n c ei s f a v o r a b l et oi m p r o v et h ee f f i c i e n c yo fe x p a n d e nb u tf l l l f f h e rr e s e a r c hi ne x p e r i m e n ta n d t h e o r yi ss t i l ln e e d e dt oi n v e s t i g a t et h em e c h a n i s mo fd i s t u r b a n c et oe x p a n s i o np r o c e s s k e yw o r d s ：c 0 2t r a n s c r i t i c a lc y c l e ；e x p a n s i o nm e c h a n i s m ； e x p a n d e r - c o m p r e s s o r ；s i m u l a t i o nm o d e l v 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，也不包含为获得盘凄盘茔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己在 论文中作了明确的说明并表示了谢意。 姚缎储始锰海清签字吼诃年胁日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解叁壅盘壁有关保留、使用学位论文的规定。 特授权盘连叁坚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：菅海清 签字日期： 坷年 苦月j 土日 导师签名 签字日期：弘坤岁年 久 多月夕日 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 1 1 1 可持续发展观的确立 由于人类对自然环境的价值认识不足，盲目发展，不合理开发利用资源，造 成了环境质量恶化、资源浪费甚至枯竭，从而导致了全球性的环境问题，已经给 人类的生存和发展带来巨大的危害。面对日益加剧的危机，人类不得不重新审视 人与自然的关系及人类在环境中的地位，并希望通过全球的共同行动来改变这种 危机。这就要求我们必须坚持人类与自然协调发展，在全球实施可持续发展战略 的正确道路。所谓协调发展是指在以人类为核心和主体的全球生态经济系统中， 人类通过不断理性化的行为和规范，以协调人类社会经济活动与自然生态的关 系，协调经济发展与环境的统一，协调人类的生存、福利与资源分配的关系，从 而实现全人类寻求的总体目标的最优化。可持续发展，就是指既满足当代人需要， 又不对后代人满足其需要的能力构成危害的发展。在追求经济发展和提高当代人 生活质量的同时，应该考虑资源的合理利用、生态环境的保护和社会的均衡发展。 具体讲主要有三点：( 1 ) 经济持续，鼓励持续经济增长；( 2 ) 生态持续，发展要 以保护自然为基础；( 3 ) 社会持续，发展要以改善和提高人类的生活质量为目的。 生态持续是基础，经济持续是重要保证，社会持续是发展的目的。l l , 2 j 正如恩格颊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。虽然朴素的可持 续发展的思想在我国传统的生产实践中可找到它的萌芽，例如吕氏春秋义赏 中就提到“竭泽而渔，岂不得鱼，而明年无鱼；焚茹而猎，岂不得获，而明年无 兽”。但是直到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，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 日，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，被西方报纸称为“7 0 年代爆炸性杰作”。1 9 7 2 年由巴巴拉沃德和雷纳r 丰土博斯两位执笔，为1 9 7 2 年人类环境会议提供的背景材 料一只有一个地球一书为可持续发展奠定了理论基础；1 9 8 1 年，美国学 者布朗在建设一个可持续发展的社会的著作中首次使用并阐述了“可持续发 展”的新观点。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。 天津大学博士论文 1 9 7 0 年4 月2 2 日，在“地球日之父”丹尼斯悔斯的热情倡导下，开展了“地 球日”活动，这是有史以来第次规模宏大的群众自发性环境保护运动，目前全 世界参加纪念活动的人数多达数亿。1 9 7 2 年6 月5 日，第一次国际环保大会一一 联合国人类环境会议在瑞典斯德哥尔摩举行，世界上1 3 3 个国家的1 3 0 0 多名代 表出席了这次会议。这是世界各国政府共同探讨当代环境问题，探讨保护全球环 境战略的第一次国际会议，会议通过了联合国人类环境会议宣言和行动计 划，宣告了人类对环境的传统观念的终结，达成了“只有一个地球”，“人类与 环境是不可分割的共同体”的共识。1 9 7 2 年召开的联合国第2 7 届大会把每年的 6 月5 日定为“世界环境日”。1 9 9 5 年1 月2 3 日的联合国大会决定每年的9 月 1 6 日为“国际保护臭氧层日”。2 0 0 4 年1 1 月1 9f 1 中国国家主席胡锦涛在智利首 都圣地亚哥举行的2 0 0 4 年a p e c 会议上发表演讲。他指出，人类发展的共同目 标只能是实现可持续发展，构建资源节约型的经济发展模式，努力发展循环经济， 发展绝不能以浪费资源、破坏环境为代价。显然，人类开始共同向旧有工业文明 “无限制增长”的传统观念发起挑战，可持续发展观作为为一种新的思想体系已 经逐步建立起来。 1 1 2 保护地球大气层的国际努力 为保护地球大气层一一地球的“外衣”，也 保护人类自己，国际社会进行了一系列持续的 努力。1 9 7 2 年1 2 月1 5 日成立的联合国环境规 划署( u n i t e dn a t i o i l se n v i r o n m e n tp r o g r a m m e ， 简称u n e p ，如图1 i ) 负责统筹全世界环保工 作，其下设两个技术专家机构，即技术与经济 评估委员会( t e c h n o l o g ya n d e c o n o m i c a s s e s s m e n tp a n e l 简称t e a p ) 与气候变化国际 u n e p 图1 1 联合国环境规划署标志 委员会( i n t e r g o v e r n m e n t a lp a n e lo nc l i m a t ec h a n g e 简称i p c c ) ，主要负责地球大 气层的保护，在世界各国政府的支持下，进行了艰难却又卓有成效的工作，如表 1 1 ，表1 - 2 所示。 3 - g 表1 - 1 关于臭氧层破坏物质的国际努力( 共有1 1 次缔约国会议c o p l - - c o p l l ) 日期 ，- 行动主要内容 1 9 7 7 正 联合国环境规划署开始调 查氯氟烃问题 1 9 8 5 年 保护臭氧层维也纳公约 1 9 8 7 年9 月 关于消耗臭氧层物质的 1 9 8 9 年i 月1 日生效。对r i l 、r 1 2 、r 1 1 3 、 蒙特利尔议定饽r l 】4 等c f c s 物质的生产进行限制。 2 第一章绪论 1 9 8 9 年5 月5 日赫尔辛基宣言( c o p i ) 要求最迟2 0 0 0 年前停止使用氯氟烃；耍 为实施议定书提供资金的决议草案。 1 9 9 0 年6 月2 7 - 2 9伦敦修正案( c o p 2 ) 对c f c s 、c c l 4 、c 2 h 3 c t 3 的生产进行限制。 建立基金机制。 1 9 9 1 年5 月1 日中国加入伦敦修正寨中国成为第5 条第1 款的缔约国，井于 1 9 9 2 年8 月1 0 日正式生效。 1 9 9 1 年6 月 在肯尼弧内罗毕召开c o p 3对蒙特利尔议定书进行修订。1 9 9 2 年8 月修正的蒙特剥尔议定书生教。 1 9 9 2 缸制定中国消耗臭氧层物质1 9 9 9 年1 1 月2 5 日实施。 逐步淘汰国家方案 1 9 9 2 年1 1 月哥本哈根召开c o p 4加速受控物质的淘汰过程。发达国家于 通过哥本哈根修正案1 9 9 6 年1 月1 日，发展中国家于2 0 0 6 年 1 月1 日停止使用c f c s 。发达国家于2 0 3 0 年，发展中国家于2 0 4 0 年停止使用 h c f c s 。 1 9 9 3 年1 0 月1 7 1 9曼谷c o p 51 9 9 4 1 9 9 6 年多边基金增资5 1 亿美元。 1 9 9 4 年l o 月6 7内罗毕c o p 6确定中国为1 9 9 5 年多边基金执委会委员。 1 9 9 5 年1 2 月维也纳c o p 7通过维也纳修正案，肯定已有成绩。 1 9 9 6 年1 1 月哥斯达黎加首都圣何塞扩大了受控物质的范围，但发展中国家使 c o p 8用c f c s 可延至2 0 1 0 年；1 9 9 7 1 9 9 9 年多 边基金增资金额5 , 4 亿美元。 1 9 9 7 年9 月1 5 1 7蒙特利尔c o p 9 蒙特利尔修正案于1 9 9 8 年6 月4 日生效。 确定发达国家和发展中国家淘汰甲基演 的时间表并就缔约方实施o d s 进出口控 制作了规定。 1 9 9 8 年1 1 月1 7 2 7开罗c o p l 0开罗宣言对用作加工助剂的o d s 控 制做出明确规定，并对违约处理程序进行 了调整。 1 9 9 9 年1 1 月2 9 日 托京c o p l l加强对h c f c s 的控制，受控物质扩为七 1 2 月3 日蒙特利尔议定书北京修类( 氯氟化碳、哈龙、四氯化碳、甲基氯 正案。仿、h c f c 、h b f c 和甲基溴) 9 5 种物质。 2 0 0 0 妊布基纳法索首都瓦加杜古，呼吁各方加强技术转让领域的国际合作， 通过瓦加杜古宾言。加强打击o d s 的非法贸易，实现o d s 管 理网络化。 2 0 0 3 年4 月2 2 日中国加入议定书哥本哈我常驻联合国代表已于向联合国交存了 根修正案加入书当年7 月2 2 号生效。 表1 2 关于温室效应气体的国际努力( 共有1 0 次缔约国会议c o p i - - c o p l 0 ) 日期1行动 一- 5 。 主要内容 。： 1 9 9 2 年6 月在里约热内卢召开“联合国环签署联合国气候变化框架公约 境与发展大会” ( u n f c c c ) 。其最终目标是“把大气中 的温室气体浓度稳定在对气候系统不进 行危险的人为干涉的水平上”。 天津大学博士论文 1 9 9 5 年3 月柏林c o p i柏林宣言( b o l i nm a n d a t e ) 1 9 9 6 年7 8 一1 9 日内瓦c o p 2日内瓦宣言 1 9 9 7 年1 2 1 l在京都召开c o p 3 ，签署京将h f c s 列入受限的6 类温室气体：二氧 都议定书( t h ek y o t o化碳、甲烷、氧化弧氯、氢氟碳化物、全 p r o t o c o lt ot h eu n i t e dn a t i o n s氟化碳、六氟化硫。京都议定书生效 f r a m e w o r k c o n v e n t i o no n的条件是：至少有5 5 个缔约方，包括其 c l i m a t ec h a n g e )合计的二氧化碳排放量至少占附件1 所列 缔约方1 9 9 0 年= 氧化碳排放总量的5 5 的附件1 所列缔约方批准。 1 9 9 8 年5 其中国签署 京都议定书 1 9 9 8 年1 2 月1 4布宜诺斯艾利斯行动计划为京都议定书的操作细则及履行制定 日 c o p 4 了工作程序。 1 9 9 9 住 波恩c o p 5 波恩宣言 1 0 2 5 1 1 5 2 0 0 0 年1 1 月海牙c o p 6无结果 1 3 2 4 2 0 0 1 年3 月美国退出京都议定书美国排放二氧化碳却占2 5 以上。布什政 府以“减少温室气体排放将会影响美国经 济发展”和“发展中国家也应该承担减排 和限排温室气体的义务”为借口退出。 2 0 0 1 年7 月波恩协议c o p 6 复会技术性谈判，达成b o n na g r e e m e n t s ) ) 2 0 0 1 年 摩洛哥拉马喀什c o p 7 正式通过布宜诺斯艾利斯行动计划的 1 0 2 9 1 1 9所有决定，达成( m a r r a k e c h a c c o r d s ) 。 2 0 0 2 年8 月中国交京都议定书核准书 2 0 0 2 年8 月约翰内斯堡召开第二届“地球京都议定书正式生效。 首脑会议” 2 0 0 2 年1 0 月新德里c o p 8 通过新德里宣言。 2 0 0 3 年1 2 月1 米兰c o p 9 2 0 0 8 年2 0 1 2 年的“第一承诺期”温室 1 2气体的年排放水平要比1 9 9 0 年平均低5 2 。为降低减排成本，确立了3 个机制： 联合履约、排放贸易和清洁发展机制。 2 0 0 4 年1 1 6俄罗斯总统普京签署了关于 俄罗期1 9 9 0 年温室气体排放量占世界排 批准京都议定书的联邦法。 放总耋 1 7 。 2 0 0 4 年1 2 月 布宜诺斯艾利斯c o p l 0 京都议定书生效前最后缔约方大会。 6 1 7 2 0 0 5 年2 1 6 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。 存在问题：( 1 ) 占发达国家1 9 9 0 年温室气体排放总量近4 0 的美国和澳大刹瓶尚未批准议 定书，议定书的实施效果会受到影响；( 2 ) 部分发达国家在减少温室气体排放方面迄今未取 得明显进展，减排目标能否如期实现难以预料：( 3 ) 发达国家2 0 1 2 年以后的温室气体减排 指标尚未确定，前景不明朗；( 4 ) 目前中国二氧化碳排放量己居世界第二，减排压力巨大。 4 第一章绪论 图1 - 2c f c s 的消耗量变化情况( u n e p ) ( 注：a r t i c l e5 ( 1 ) a r t i c l e5 ，p a r a g r a p hli n t h e m o n t r e a l p r o t o c o l d e f i n e s “d e v e l o p i n gc o u n t i e s ” w h o s ec o n s u m p t i o no f c o n t r o l l e ds u b s t a n c e si sn o ta l l o w e dt oe x c e e d0 3k gp e r c a p i t a ) 表l - 3 受两个议定书影响的制冷工质产量变化( 单位：吨) o ，：_ ， j 旷鼍j - 。i 2 蝣? 1 9 9 9 。；：i j2 0 0 0 ：； c f c s i 0 3 2 ，0 0 02 6 5 0 0 0 1 4 6 ，0 0 0 13 8 ，0 0 0 h c f c s 2 5 7 8 9 l 3 3 8 。2 3 0 4 4 9 、2 3 64 5 i ，0 6 6 h f c l3 4 a 7 3 8 0 0 13 3 7 0 0 1 3 2 ，0 0 0 1 1 3 工质替代的历程与c 0 2 制冷剂的复兴 一般用两个指标来评价制冷剂对地球大气层的影响，即对臭氧层的破坏势 ( t h eo z o n ed e p l e t i o np o t e n t i a l 简称o d p ，以c f c 一1 l 的o d p 值为基准) 和 温室效应( t h eg l o b a lw a r m i n gp o t e n t i a l 简称g w p ，以c 0 2 的值为基准) 。c f c s 因氯元素含量大导致o d p 值较高，而被迅速淘汰，其产量和消耗量都迅速下降， 如图1 2 、表1 3 所示1 9 j 。人们又转向h c f c s 和h f c s 。由于h c f c s 仍然具有一 定o d p 值，因而也已经列入受控物质：h f c s 虽然o d p 值为零，但是由于其较 高的o w p 值，在1 9 9 7 年1 2 月的京都议定书中已被列为受限的6 类温室气 体之一。到2 0 0 0 年，世界每年由于汽车空调和单元式空调器导致的氯氟烃排放 量为l o 力吨，其相应的g w p 值与1 5 0 0 0 万吨c 0 2 的排放量相当“。由于人工 合成类制冷工质的绝大部分最终都会排放到大气中去，对地球生态环境的长期影 响难以预料，对每种“性能优良”的新型人工合成工质的陶醉过后，便是无情的 打击。痛定思痛，人们开始重新将目光转向那些在大气中存在了千百万年、对地 球生态系统无害的水、氨、二氧化碳、空气、碳烃化合物等自然制冷工质。在众 多的自然工质中，c 0 2 以其独特的性能赢得了越来越多的关注。从1 9 9 4 年开始， 天津大学博士论文 旨在研究自然工质的i i r g u s t a v l o r e n t z e nc o n f e r e n c eo nn a t u r a l w o r k i n gf l u i d s 会议每两年一次，目前 为止已经开了六届( h a n n o v e r ( 1 9 9 4 ) a r h u s ( 1 9 9 6 ) ，o s l o ( 1 9 9 8 ) ，p u r d u e ( 2 0 0 0 ) ， g u a n g z h o u ( 2 0 0 2 ) ，l o n d o n ( 2 0 0 4 ) ) ，关 于c 0 2 作为制冷工质的论文无论数量， 还是质量都逐年上升，如图1 - 4 所示。 18 5 0 年a l e x a n d e rt w i n i n g 首先申请了 ! s 0 2 作为工零竺萎宁专利”，但是 图l _ 4 历届i i r g u s 协vl o r e m z e n 会议关 直到1 8 6 9 年g 由美国人t ，s c l o w eq 雕j 享c 0 2 幂为工质的论文统计 造出第一台c 0 2 制冷设备1 1 2 1 。从1 9 2 0 年到1 9 3 0 年，c 0 2 作为制冷工质的使用达到了鼎盛时期。图1 5 表示c 0 2 作为 制冷工质的使用量的变化趋势【1 3 l 。随着化工行业的发展，自1 9 2 9 年美国通用公 司合成c f c l 2 以后，氟利昂系列氯代烃化合物以其适合制冷空调的优良热物性， 迅速得到广泛应用。由于c 0 2 制冷系统的运行压力较高( 6 - 8 倍于合成工质) ， 而且当环境温度较高时，其制冷量和效率下降明显，所以从1 9 6 0 年到1 9 8 0 年期 间，c 0 2 在制冷空调领域已经基 本销声匿迹，在第一轮的工质替 代( 人工合成工质替代自然工质) 中迅速败下阵来。由于环境问题 和可持续发展的需要，从1 9 8 0 年 开始，人们开始思考第二轮的工圈1 - 5c o ：作为制冷工质的用量变化趋势 质替代问题，各种替代方案纷纷 出笼。一些有远见的学者开始重新把目光投向自然工质，如图1 - 6 。 已故的前国际制冷学会主席g u s t a vl o r e n z e n 教授认为c 0 2 将会在新世纪的 制冷空调业重新发挥其重要作用，1 9 8 9 年他申请了一项通过节流阀控制高压压 力的c 0 2 跨临界循环的国际专利，期望可用于汽车空调 1 ”。1 9 9 2 年，l o r e n z e n 保护臭氧层 减小温室气体效应 蒙特利尔协议 京都议定书 图1 ，6 工质替代的历程 第一章绪论 和p e t t e r s e n 发表了其关于c 0 2 汽车空调实验系统的论文【1 5 】，指出c 0 2 系统的效 率虽然比目前技术上已经非常成熟的r 1 2 系统的效率低一些，但是c 0 2 系统具 有很大的提高潜力，未来可望达到与r 1 2 相当的效率水平。从此，对于c 0 2 作 为工质的研究再度兴起。 c o ：之所以再次引起研究者的兴趣并非偶然，而是因为它所具有的独特的性 质，如表1 4 所示l j “。c 0 2 制冷剂是一种安全无毒、不可燃的自然工质，不破坏 臭氧层( o d p 一0 ) ，温室效应指数极低( 0 w p = 1 ) ，价格低廉( - - 6 倍管子外径 1 0 66 。 4 倍管子外径 1 1 46 。 5 倍管子外径 1 0 86 。3 倍管子外径1 2 55 。 无论直管还是弯管，其最小厚度都与管路的设计压力、管道的外径( 或内径) 、 管材在设计温度下的许用应力等参数有关。目前的成型铜管，当管路内径6 o 6 i i l i n 时，其管壁厚度都在0 54 - 0 0 5 t u r n 以上h 0 8 1 。至少有五种现有铜管 第二章c 0 2 跨临界循环的理论分析 ( c 1 2 2 0 0 h 8