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c 0 2 双级压缩制冷循环及 闪蒸式中冷器的研究 r e s e a r c ho n c o z t w o s t a g e c o m p r e s s e dr e g r i g e r a t i o n c y c l ea n df l a s hi n t e r c o o l e r 学科专业：工程热物理 研究生：乔琳琳 指导教师：马一太教授 天津大学机械工程学院 二零零八年五月 摘要 本文以自然工质c 0 2 为研究对象，对其双级压缩制冷循环及闪蒸式中冷器进 行了理论分析、计算机模拟和实验研究。 对c 0 2 带闪蒸式中冷器的双级压缩及单级压缩制冷循环进行了对比分析，分 析了蒸发温度、气体冷却器出口温度及压缩机效率对系统性能影响的不同，指出 单、双级压缩都存在最优高压压力。相同压缩机效率时，双级压缩制冷循环的系 统性能高于单级的系统性能。 文章还对c 0 2 双级压缩制冷循环的两种不同形式带中间气体冷却器和 带闪蒸式中冷器的进行了对比分析，分析了蒸发温度及气体冷却器出口温度对系 统性能的影响，指出这两种循环都存在最优高压压力和最优中间压力。 建立了闪蒸式中冷器的模型，并进行了模拟计算，分析了各个参数对管内 c 0 2 出口温度的影响。 建立了c 0 2 双级压缩带闪蒸式中冷器的实验台，介绍了系统的基本构成，对 闪蒸式中冷器管内c 0 2 出口温度的实验值和模拟值进行了对比分析，发现变化 趋势吻合得很好，说明模拟程序是正确的，有参考价值的。并根据实验数据拟合 出一个相对简单的c 0 2 管外池沸腾换热关联式，为以后的计算提供了依据。 关键词：c 0 2 双级压缩制冷循环，闪蒸式中冷器，中间气体冷却器， 管外池沸腾 a b s t r a c t i nt h i st h e s i s ，t h et h e o r e t i c a la n a l y s i s ，c o m p u t e rs i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a ls t u d y h a v eb e e nc o m p l e t e da b o u tn a t u r a lr e f r i g e r a n tc 0 2a sw o r kf l u i di nt w o s t a g e c o m p r e s s i o nr e f r i g e r a t i o ns y s t e ma n di nf l a s hi n t e r c o o l e r c o m p a r i s o n sa r et a k e nb e t w e e nc 0 2t w o - s t a g ec o m p r e s s i o nc y c l ew i t h f l a s h i n t e r c o o l e ra n ds i n g l e - s t a g ec o m p r e s s i o nc y c l e t h ed i f f e r e n te f f e c t sa r ea n a l y z e dt h a t t e m p e r a t u r eo fe v a p o r a t i n g ，t e m p e r a t u r eo fg a sc o o l e ro u t l e ta n de f f i c i e n c yo f c o m p r e s s o rb r i n gt ot h ec o e f f i c i e n to fs y s t e mp e r f o r m a n c e i ti sc o n c l u d e dt h a tt h e b e s th i g hp r e s s u r e se x i s ti ne i t h e rt w o - s t a g eo rs i n g l e - s t a g ec o m p r e s s i o ns y s t e m s o n t h es a m ec o n d i t i o n , t h ec o e f f i c i e n to ft w o s t a g ei sl a r g e rt h a ns i n g l e s t a g e s t h i st h e s i sa l s oc o n t a i n sc o m p a r i s o n sb e t w e e nc 0 2t w o s t a g ec o m p r e s s i o nc y c l e w i t hf l a s hi n t e r c o o l e ra n dw i t hm e d i a lg a sc o o l e r t h ed i f f e r e n te f f e c t sa r ea n a l y z e d t h a tt e m p e r a t u r eo fe v a p o r a t i n ga n dt e m p e r a t u r eo fg a sc o o l e ro u t l e tb r i n gt ot h e c o e f f i c i e n to fs y s t e mp e r f o r m a n c e i ti sc o n c l u d e dt h a tt h eb e s th i g hp r e s s u r ea n db e s t i n t e r m e d i a t ep r e s s u r ee x i s ti ne i t h e rt w o s t a g ec o m p r e s s i o ns y s t e m s t h em o d e lo ff l a s hi n t e r c o o l e ri sf o u n d e da n ds i m u l a t i v ec a l c u l a t i o ni sc o m p l e t e d b a s e do ns i m u l a t i o n s ，t h ee f f e c t so fp a r a m e t e r st ot h ec 0 2o u t l e tt e m p e r a t u r ei np i p e a r ea n a l y z e d t h ec 0 2t w o s t a g ec o m p r e s s i o nr e f r i g e r a t i o ns y s t e mi sb u i l ti nt h el a b o r a t o r y t h e c o m p o n e n t so fs y s t e ma r ee x p l a i n e di nt h i sp a p e r t h r o u g ht h ec o m p a r i s o n sb e t w e e n s i m u l a t e dv a l u e sa n de x p e r i m e n tv a l u e so fc 0 2o u t l e tt e m p e r a t u r ei np i p e ，i ti sf o u n d t h a tt h et e n d e n c i e sa r ev e r ys i m i l a r , a n dt h i sa p p r o v e ss i m u l a t i o ni sc o r r e c t u s i n gt h e e x p e r i m e n tv a l u e s ，ah e a te x c h a n g ee q u a t i o na b o u tc 0 2p o o lb o i l i n go u tp i p ei s f o u n d e d t h er e s u l t sw i l lg i v eh e l p sf o rs t u d ya n dd e s i g no fc 0 2f l a s hi n t e r c o o l e r k e yw o r d s ：c 0 2t w o s t a g ec o m p r e s s e dc y c l e ，f l a s hi n t e r c o o l e r , m e d i a lg a s c o o l e r , p o o lb o i l i n go u tp i p e i l 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，也不包含为获得鑫鲞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：裔诎、辣 签字日期：2 口矿吾年6 月6 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丕姿态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：雨俅琳 导师签名： 留荪 、 签字同期： 2 螂年6 月 6 日 签字同期：z 零年莎月6 同 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 近几十年来，由于能源危机和矿物能燃烧过程对生态环境的污染，使得人们 对生产、生活中节能和环保问题十分关注。节能和环保成为2 l 世纪科学技术发 展的两大议题。人们广泛应用的制冷空调和热泵系统，因为系统耗能和传统制冷 剂对环境的影响，使系统的节能和制冷剂的替代成为了前沿问题。在系统节能方 面，研究人员不断改进各种设备，改变循环方式，力求最大限度地提高能效比。 在环保方面，臭氧层破坏和全球气候变暖，成为当前世界所面临的主要环境问题 之一。由于制冷行业目前广泛采用的c f c s 与h c f c s 类物质对臭氧层有破坏作 用以及产生温室效应，从而使全球的制冷行业面临着严峻挑战，对c f c s 与 h c f c s 的替代已成定局。因此寻找高效、绿色环保制冷工质成为当前国际社会 共同关注的问题，世界各国的科学家正在紧张研究其替代工作。 1 1 1 臭氧层保护 氧氟类化合物( c f c s ) 自从2 0 世纪3 0 年代问世以来，由于其化学稳定、低毒、 无腐蚀、不燃性等优良性能，被广泛应用作空调、冰箱、冷冻机等设备的制冷剂， 生产泡沫的发泡剂，气雾剂制品中的推进剂，精密金属零件的清洗剂及烟丝的膨 胀剂等。 1 9 8 5 年，英国南极观测站的科学家法曼等 人发现，从1 9 7 7 1 9 8 4 年，南极哈雷湾上空春季 的大气臭氧含量大约减少了4 0 ，高空的臭氧 层极其稀薄，与周围相比形成一个洞，“臭氧空 洞”由此而得名。从那以后，臭氧浓度下降的 速度增快，臭氧空洞的面积不断增大。尽管人 们采取各种措施保护臭氧层，但南极上空的臭 氧空洞依然很大，臭氧层修复的速度远远没有 预期的那么快。图1 i 为2 0 0 6 年1 0 月2 0 目由 美国宇航局提供的南极臭氧层卫星圈片”】。 图】一12 0 0 6 年南丰j 臭扭层照片 臭氧层是地球的“天然保护牵”瞄亮氧层出现严重损耗，导致地球上的生 第一章绪论 态系统将遭到严重破坏。科学家认为，臭氧的损耗是由消耗臭氧的化合物( o d s ) 所造成，而这其中就包括常规制冷剂c f c s 与h c f c s 。并证实氯和溴在平流层通 过催化化学过程破坏臭氧是造成南极臭氧空洞的根本原因。 臭氧层的破坏引起了世界各国的关注。1 9 8 5 年，即m o n l i n a 和r o w l a n d 提出 氯原子臭氧损耗机制后1 1 年，国际社会在联合国环境规划署的号召和组织下进 行了有关保护臭氧层的国际公约谈判。通过了保护臭氧层的维也纳公约。首 次在全球建立了共同控制臭氧层破坏的一系列方针。呼吁各国采取行动，保护臭 氧层。1 9 8 7 年9 月1 6 日，4 6 个国家在加拿大的蒙特利尔会议上，通过了关于 消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书，该议定书规定了保护臭氧层的受控物质种 类和淘汰时间表。1 9 9 0 年、1 9 9 2 年和1 9 9 7 年分别通过了议定书的伦敦修正案 和蒙特利尔修改案，对议定书内容进行实质性的补充。1 9 9 8 年通过开罗宣 言、1 9 9 9 年通过蒙特利尔议定书、2 0 0 0 年通过的瓦加杜古宣言分别对 o d s 的控制做出了明确的规定；加强了对h c f c s 的控制，受控物质扩大为七类 9 5 种；并呼吁各方加强技术领域的国际合作。2 0 0 5 年1 2 月在达喀尔举行了关于 消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书缔约方第十七次会议。1 9 9 5 年1 月2 3 日联合 国大会决定，每年的9 月1 6 日为国际保护臭氧层日，旨在唤起人们保护臭氧层 的意识，并采取具体行动以保护地球环境和人类健康。 中国政府已于1 9 8 9 年加入保护臭氧层维也纳公约：1 9 9 1 年正式宣布加入 蒙特利尔议定书伦敦修正案，1 9 9 2 年8 月1 0 日该修正案对我国生效。2 0 0 3 年4 月，中国政府正式签署蒙特利尔议定书哥本哈根修正案。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 s 的使用，其他的消费行业，如哈龙、 烟草、清洗、制冷和家电行业按计划都在2 0 0 6 年底停止c f c s 和哈龙的消费使 用。对泡沫行业，在2 0 0 6 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1 日不再生产o d s 类产品， 对于原来使用的o d s ( 如c f c s 类) 可以进行回收再利用，不计算在生产之内。 据文献【3 j 报告，自从签署关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书之后， c f c s 的使用得到明显的抑制，臭氧层得以缓慢的恢复。按目前c f c s 消减速度， 使用的改进型化学气候模拟试验可估算出臭氧层恢复日期，在中纬度和北极 上空的臭氧层预计在2 0 4 9 年左右可得以恢复；在南极洲上空的臭氧层预计在 2 0 6 5 年左右可得以恢复。 1 1 2 温室气体减排 温室效应是指透射阳光的密闭空间由于与外界缺乏热交换而形成的保温效 应，就是太阳短波辐射可以透过大气射入地面，而地面增暖后放出的长波辐射却 2 第一章绪论 被大气中的二氧化碳等物质所吸收，从而产生大气变暖的效应。大气中的二氧化 碳就像一层厚厚的玻璃，使地球变成了一个大暖房。据估计，如果没有大气，地 表平均温度就会下降到2 3 c ，而实际地表平均温度为1 5 c ，这就是说温室效应 使地表温度提高3 8 c 。自工业革命以来，人类向大气中排入的二氧化碳等吸热 性强的温室气体逐年增加，大气的温室效应也随之增强，已引起全球气候变暖等 一系列严重问题，引起了世界各国的关注。 除二氧化碳以外，对产生温室效应有重要作用的气体还有甲烷、臭氧、氯氟 烃以及水气等。随着人口的急剧增加，工业的迅速发展，排入大气中的二氧化碳 相应增多；又由于森林被大量砍伐，大气中应被森林吸收的二氧化碳没有被吸收， 由于二氧化碳逐渐增加，温室效应也不断增强。据分析，在过去二百年中，二氧 化碳浓度增加2 5 ，地球平均气温上升0 5 。估计到下个世纪中叶，地球表面 平均温度将上升1 5 - - 4 5 c ，而在中高纬度地区温度上升更多。 如果二氧化碳含量比现在增加一倍，全球气温将升高3 5 ，两极地区可 能升高1 0 ，气候将明显变暖。气温升高，将导致某些地区雨量增加，某些地 区出现干旱，飓风力量增强，出现频率也将提高，自然灾害加剧。更令人担忧的 是，由于气温升高，将使两极地区冰川融化，海平面升高，许多沿海城市、岛屿 或低洼地区将面临海水上涨的威胁，甚至被海水吞没。2 0 世纪6 0 年代末，非洲 撒哈拉牧区曾发生持续6 年的干旱。由于缺少粮食和牧草，牲畜被宰杀，饥饿致 死者超过1 5 0 万人。 这是温室效应给人类带来灾害的典型事例。目前，温室效应已成为制约可持 续发展的一个关键问题。它所造成的危害是无法估量的。为了使2 1 世纪的地球 免受气候变暖的威胁，1 9 9 7 年1 2 月，1 4 9 个国家和地区的代表在日本京都召开 联合国气候变化框架公约缔约方第三次会议，会议通过了旨在限制发达国家 温室气体排放量以抑制全球变暖的京都议定书。由于俄罗斯的批准，京都议 定书已于2 0 0 5 年2 月1 6 日生效。作为发展中国家的中国在京都议定书中 不承担减排义务。但是随着“后京都时代 的临近，中国将再一次不可避免地参 与这场事关中国发展的全球利益博弈之中。可以预料，在今后的谈判中，发达国 家将会对发展中国家提出相应的减排义务要求，而中国必然成为其关注的重点。 只是由于其温室气体排放量随着经济的加速发展而急剧升高，我国在2 0 0 0 年能 源消耗的二氧化碳排放中以1 3 位居第二，紧跟在美国( 2 4 ) 之后【6 】。无论从 制冷剂替代还是从能源结构调整方面，中国需要的发展是可持续的、兼顾人类全 体利益的发展。 由于c f c s 等制冷剂在很大程度上加剧了温室效应，对有害于环境的人工合 成制冷剂的生产和使用应加大控制力度。2 0 0 6 年，欧盟决定从2 0 11 年起禁止所 第一章绪论 有的新批准型号使用g w p 1 5 0 的制冷剂，从2 0 1 7 年起禁止所有新出厂的车辆 使用g w p 1 5 0 的制冷剂。而现在制冷剂r - 1 3 4 a 的g w p 为1 4 3 0 。2 0 0 6 年7 月 4 日，欧盟含氟气体新法规8 4 2 2 0 0 6 开始正式成为法律条例；2 0 0 7 年7 月4 日 开始正式生效。欧盟新法规对制冷剂提出了更为严格的要求。由此可见，各种人 工合成制冷剂及其替代物的寿命越来越短。 清洁发展机制是京都议定书规定建立的发达国家与发展中国家之间的一 种国际履约机制。通过这一机制的实施，发达国家缔约方通过提供资金和技术的 方式与发展中国家进行合作，实施具有温室气体减排效果的项目，用比较低廉的 成本获得温室气体减排量，以抵消其部分减排义务。同时，发展中国家通过这种 合作可获得资金和技术，是一种国际合作的“双赢”机制。科技部全球环境办公室 副主任、联合国清洁发展机制理事会委员吕学都介绍，目前中国每个月都有1 0 0 0 多个清洁减排项目达成合作，中国已经成为世界上签定清洁发展机制项目最多、 减排量最多的国家【7 j 。 1 2 制冷剂的替代、环保工质c 0 2 的发展 1 2 1 制冷剂的替代 近年来，环境变暖引起的气候变化，臭氧层空洞等已成为全球性的环境问题， 如果任其发展下去将对人类的生存和发展构成严峻的挑战。因此在制冷剂的替代 研究过程中应该加强对生态环境的保护意识，不能只看到眼前的利益，而同时要 注重生态环境与人类协调的、可持续的发展。可持续发展的核心是经济发展与保 h fc i h f 图1 - 2 氯和氟元素对o d p 和g w p 的影响吲 护资源、保护生态环境的协调一致，是为了让子孙后代能够享有充分的资源和良 好的自然环境8 1 。于是，人们开始对制冷剂替代进行了研究，提出了以人工合成 制冷剂h f c s 以及c 0 2 等自然工质来替代c f c s 、h c f c s 。由图1 - 2 可知，在制 4 第一章绪论 冷剂中，氯元素含量越大，制冷剂的臭氧层破坏势o d p 也就越高；氟元素含量 越大，制冷剂的温室效应势g w p 也就越高。所以，制冷剂朝着无氯无氟的方向 发展。 目前，替代c f c s 制冷剂，有两种路线。一是合成的替代物，有h f c s 、 h c f c s h f c s 混合制冷剂以及不同h f c s 组成的混合制冷剂，其中h f c s 可作为 长期过渡的环保型制冷剂。二是天然替代物，有n h 3 、c 0 2 、h 2 0 和碳氢化合物。 图1 3 示出了部分替代工质的o d p 和g w p 。由于某些h f c s 物质有较高的g w p 所以其使用受到控制p j 。 h 图1 - 3 几种制冷剂的o d p 和g w p l 9 】 多年来，绿色和平组织一直在倡导这样一个观点：完全不使用对臭氧层造 成破坏的自然工质亦能满足人们对工质的需求。研究表明，可以用作制冷剂的自 然工质中，n h 3 、c 0 2 和碳氢化合物在常规制冷范围内具有较高的实用价值。 1 2 2 自然工质c 0 2 的发展 c 0 2 作为制冷剂的历史可以追溯到1 0 0 多年前。早在1 8 6 6 年，美国的 t h a d d e u ss c l o w e 首先利用了c 0 2 制取商业用冰。1 8 9 0 年，第一个c 0 2 制冷机 开始在海运轮船上应用。之后，c 0 2 制冷剂便在船用制冷机方面得到显著发展。 到1 9 3 0 年，在全世界范围内已有3 0 的船舶采用了c 0 2 制冷机。但后来，由于 氟利昂类制冷工质的出现，c 0 2 迅速被替代。 但是，随着人类对环境问题的关注，人工合成制冷剂表现出了很多弊病。蜜 然工质c 0 2 作为一釉对环境无害的制冷工质重新受到重视。在几种常用的自然 制冷剂中，c 0 2 是最理想的。也正是由于c 0 2 最为制冷剂的一些独有优点，已故 第一章绪论 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 出跨临界制冷循环理论，指出二氧化碳跨临界循环可望在汽车空调和热泵等领域 发挥重要作用【1 1 1 。 c o z 作为制冷工质具有独特的优势：o d p = 0 ，g w p = i ；来源广泛，成本低廉； 安全无毒，不可燃，适应各种润滑油常用机械零部件材料，即便在高温下也不分 解产生有害气体；c 0 2 的蒸发潜热较大，单位容积制冷量相当高( 0 时单位容积 制冷量是r 2 2 的5 1 2 倍和r 1 2 的8 2 5 倍) ，故压缩机及部件尺寸较小；运动粘 度低，0 。c 时c 0 2 饱和液体的运动粘度只有n h 3 的5 2 ，是r 1 2 的2 3 8 ；绝 热指数较高k = i 3 0 ，压缩机压比约为2 5 - - 3 0 ，比其它制冷系统低，容积效率相 对较大，接近于最佳经济水平；表面张力小，有利于气泡的生成，能够提高沸腾 区的蒸发换热系数；这些优良的流动和传热特性，可显著减小制冷系统的尺寸， 使整个系统非常紧凑。表1 1 列出了0 。c 饱和状态下，r 2 2 、r 1 3 4 a 和c 0 2 三种 制冷剂的一些物性参数。 表1 1 0 c 饱和状态下制冷剂的物性参数对比 工质物性 i 也2r 1 3 4 a c 0 2 o d p0 0 5 oo g w p1 5 0 01 2 0 0 l 临界温度( ) 9 61 0 1 13 1 1 临界压力( m p a ) 4 9 94 0 77 3 2 气化潜热( k j k g ) 2 0 5 41 9 7 22 3 1 6 单位容积制冷量( k d m3 ) 4 3 4 42 8 6 02 2 6 0 0 液体密度( k g m3 ) 1 2 8 51 2 9 59 2 7 4 蒸气密度( k g m3 ) 2 1 2 11 2 5 39 7 6 5 液体粘度( k g m s ) 1 9 0 2 x 1 0 - 63 3 0 6 x 1 0 - 61 0 4 5 x1 0 - 6 蒸气粘度( k g m s ) 1 2 0 7 x 1 0 - 61 0 9 5 x1 0 61 4 7 4 x 1 0 - 6 液体导热系数( w m k ) o 1 0 0 10 0 9 9 4 2o 1 1 1 5 蒸气导热系数( w m k ) 0 0 0 9 8 9 5o 0 1 2 1 10 0 19 6 6 液体比热( k j k g k ) 1 1 61 3 0 82 5 3 9 蒸气比热( k j k g k ) 0 7 2 2 90 9 0 3 41 8 2 5 表面张力( n m )1 1 7 4 1 0 - 311 5 7 x 1 0 - - 34 3 4 4 x 1 0 3 6 第一章绪论 1 3c 0 2 应用研究 近十年来，国内外对c 0 2 跨临界循环系统的研究与日俱增。许多研究者开展 了c 0 2 在汽车空调、热泵热水器、复叠式低温制冷以及水水热泵等方面的应用。 此外，还有很多研究者对c 0 2 跨临界循环进行了理论分析。k a u f t l 3 】用作图法和 模拟法计算出最佳高压压力，来得到最大c o p 。l i a o 等人f 1 4 】通过对不同的影响 参数进行研究，给出了一个计算最佳高压压力的关联式。b r o w n 等人【1 5 1 和 h w a n g 1 6 j 分析了c 0 2 跨i 临界循环系统的性能，研究结果表明，由于较大的节流 损失，c 0 2 跨临界制冷系统效率低下，影响了c 0 2 跨临界循环技术的应用推广。 1 3 1 应用于汽车空调 汽车空调系统中氟利昂制冷剂的泄漏占了全球制冷剂泄漏的一半以上，所以 首先用以自然工质为制冷剂的汽车空调系统替代现有的空调系统显得比较迫切 f l n 。欧盟计划至2 0 1 0 年车辆的制冷剂损耗量不得超过4 0 9 。2 0 0 9 年出厂的机动 车排放的有害气体必须比c 0 2 低1 5 0 倍，而现在使用的r 1 3 4 a 的有害程度是c 0 2 的1 3 0 0 倍，所以r 1 3 4 a 将被禁止使用。 1 9 9 3 年，挪威技术大学的l o r e n t z e n 教授，首先提出了采用跨临界c 0 2 作为 制冷剂的汽车空调系统，并制造了样机，申请获得了国际专利 1 8 - 1 9 】。德国k a s s e l 大学的j k o h l e r 等人【2 0 】也开展了c 0 2 工质汽车空调和热泵的应用研究，1 9 9 6 年 8 月，第一台公共汽车空调样机在车上通过现场测试。丹麦的j h o s t 等人【2 1 在 丹佛斯建立了c 0 2 跨临界汽车空调实验台，对系统的调节部件进行分析研究。 m a r y l a n d 大学的m a r c u s p r e i s s n e r 等人【2 2 - 2 3 对c 0 2 汽车空调和r 13 4 a 系统在行驶 条件下进行了比较，c 0 2 系统制冷量从低于r 1 3 4 a 系统1 3 ，到高于r 1 3 4 a 系 统2 0 ，而c 0 2 系统的c o p 则从低于r 1 3 4 a 系统2 3 ，到高于r 1 3 4 a 系统1 1 。 从1 9 9 4 年到1 9 9 7 年，欧洲5 家汽车制造商和4 家汽车供应商参加了名为 r a c e ( r e f r i g e r a t i o na n da u t o m o t i v ec l i m a t es y s t e m su n d e re n v i r o n m e n t a la s p e c t s ) 的以c 0 2 为制冷剂的汽车空调系统可行性研究的联合项目【2 引。1 9 9 9 年3 月，i e a 联合日本、挪威、瑞典、英国和美国启动“s e l e c t e di s s u eo nc 0 2a sw o r k i n gf l u i d i nc o m p r e s s i o ns y s t e m s ”的三年计划项目，各个国家分别分配了不同的研究方向 和目标【2 引。2 0 0 3 年1 月d e n s o 与t o y o t o 汽车公司开发出世界上第一台使用自然 工质的汽车空调。在我国，上海交通大学的陈芝久、丁国良教授进行了c 0 2 汽 车空调的仿真研究 2 6 - 2 7 】，根据美国空调制冷中心关于c 0 2 汽车空调制冷装置样 机及其实验数据建立起了稳态集总参数模型，并对c 0 2 汽车空调系统强度进行 了分析。 第一章绪论 1 3 2 应用于热泵热水器 在世界大多数家庭的能量需求中，约有1 4 - 1 3 来源于对热水的需求。日本 在过去3 0 年中，家庭对热水的需求量逐年上升，到1 9 9 9 年家用热水耗能己占家 庭总耗能的3 4 。因为在日最高温度低于0 c 的寒冷地区，传统空气源热泵的制 热量和效率随环境温度的降低下降很快，热泵的使用受到限制，主要应用燃油和 电热热水器。由于c 0 2 热泵热水器的低温性能良好，因此开发c 0 2 热泵热水器 市场前景广阔，意义重大。 在日本，二氧化碳热泵热水器以其良好的节能生态性能赢得了“e c o c u t e ( 生 态精灵) ”的称号。从2 0 0 1 年投放市场以来，销售量稳步上升。由于它价格较贵 ( 超过5 0 0 0 美元) ，从2 0 0 2 年1 0 月开始采用政府补贴的办法促进销售。2 0 0 3 年日本二氧化碳热泵热水器的产销量为7 万套，预计到2 0 1 0 年将达到近5 0 万套， 市场发展十分迅速，如图1 4 所示【2 8 】。 绷 5 0 ， 拄。 翻 i 4 0 i 3 3 ) l ! b 弱 嘲i 冀 豳i冒 警 攀 f l 豳 墓 i o 0 0 3 。_ 。曩。圈。豳禽 锚磁锡锚锑甾l 转 筝j 图1 - 4 日本c o ，热泵热水器市场预测 日本电力工业中央研究院( c m e p i ) 与东京电力公司( t e p c o ) 及d e n s o 公司的m s a i k a w a ，k h a s h i m o t o ，k k u s a k a r i 等人【2 9 j 合作于1 9 9 8 年9 月开始 进行c 0 2 热泵热水器的基础理论研究，通过对其进行的性能计算及相应的循环 特性理论分析，得出c 0 2 热泵热水器的性能高于传统工质的结论。1 9 9 9 年，他 们建起了c 0 2 热泵热水器原型机实验台。2 0 0 0 年，他们又对原型机进行了改进， 并在d e n s o 人工环境实验室按照冬季工况进行了测试。他们还在t e p c o ( 东 京电力公司) 对改进型c 0 2 热泵热水器的全年平均性能系数进行了测算，结果 表明包括风扇和水泵耗功在内的全年系统平均c o p 值仍可高达3 0 ，而且改进型 系统在外界空气热源为零下2 0 时，系统仍可提供高达9 0 。c 的热水。2 0 0 1 年1 月再次进行了改进，并且己于2 0 0 2 年推向市场，其外形如图1 5 所示。日本三 洋电器公司研发总部生态能源系统研究中心的h i r o s h im u k a i y a m a 等人研制了一 台供热功率为4 k w 的家用c 0 2 热泵热水器。2 0 0 2 年，日本大金公司【3 0 】推出了采 第一章绪论 用单级摆动转予式压缩机的c o z 热泵热水器。同期，松下也推出了自己的水箱 容量为3 7 0 升的c 0 2 热泵热水器。 刚 目1 - 5c 0 2 热泵热水器 在挪威，自1 9 9 7 年以来，p e t t e r n e k s a 等相继发表了其在c 0 2 热泵热水器方 面的理论和实验研究结果。他们在n t n u s i n t e f 热能实验室建立了原型机。 2 0 0 0 年，挪威科技大学的gr e z az a k e r i ，p e t t e rn e k s a 等人在挪威拉维克的一家 生产半成品食品的工厂建立了第一台示范性工业用c 0 2 热泵热水器叫。2 0 0 2 年， 挪威科技大学制冷空调系得j o ms t e n e ”1 设计了三段逆流式气体冷却器以更好的 与其温度滑移相匹配。气体冷却嚣低温段用于水的预热，中温段用于低温空间供 热，高温段用于将水加热到6 0 7 0 。他们建立的一套65 k w 的c 0 2 热泵系统 己于2 0 0 2 年8 月开始运行。 c 0 2 热泵热水器与传统燃气热水器相比具有低能耗，对环境友好的优点；与 传统热泵热水器相比具有供热水温度范围大，能提供高温热水的优点。将c 0 2 热泵与储水箱组合可以利用夜间低谷电，提高系统经济性。若将c o z 热泵热水 器与蓄热系统组合，可使储水箱体积减小，则整个系统更为小巧轻便。相信随着 科技的发展，c 0 2 热泵热水器将得到很大的发展和广泛应用。 1 3 3 应用干复叠式制冷 传统的复叠式制狰循环通常采用m a ( 高温级) 和r 1 2 ( 低温级) 做制冷剂，但由 于c f 凸及h ( 黜类物质对臭氧层的破坏及严重的温室效应，已被列入禁用化 学品之列，因此采用替代工质是必然趋势。近年来，人们开始研究用n h 3 作为 高压级制冷剂，用c 0 2 作为低压级制冷剂。jp 懒瓤和aj a k o i m e m 3 w 的研究 表明，与n h ，两级系统相比，低温级采用c 如，其压缩机体积减小到原亲的1 1 0 ， c o , 环路可达到4 5 - 5 0 的低温。丽豆通过干冰糟束作用可降 匝到9 0 o 。蓦 第一章绪论 前，欧洲在超市中已经建立了这种用c 0 2 作低压级制冷剂的复叠式制冷系统。 如1 9 9 5 年，瑞典l u n d 超市中n h 3 c 0 2 复叠式制冷系统可提供5 和3 0 。c 的冷 藏。德国g r a s s o 公司【3 4 j 推出c 0 2 n h 3 整装型复叠式制冷压缩机，蒸发温度为4 5 时制冷量在3 0 0 k w - 2 7 0 k w 。美国u i u c 大学a c r c 研究中心的j a n g 和 h r n j a k 3 5 】对复叠式系统中c 0 2 在低压级的冷凝情况进行了研究，认为传热受到管 壁液膜情况的影响。 天津大学在复叠式制冷循环方面做了很多理论和实验研究。制冷最低温度可 达到4 5 c 。 1 4c 0 2 双级压缩系统研究开发概况 c 0 2 作为一种安全可靠的天然制冷工质，近几年已引起广泛关注。针对c 0 2 与其他制冷工质的性质比较以及改善和提高c 0 2 制冷循环的性能，国内外学者 已做了大量研究。作为制冷剂，c 0 2 的优点是其具有的环境优势( o d p = 0 ，g w p = i ) ， 但由于其临界温度较低，因此能效低，且系统压力较现有制冷剂高很多。所以， 完善系统循环方式，优化系统设备，提高系统的循环效率，是推广和应用c 0 2 制冷的关键。 尽管c 0 2 有很多优点，但由于其单级循环c o p 较低，限制了其应用。国内 外很多学者针对这种情况展开了研究。 为提高c 0 2 系统循环的循环系数，l o r e n t z e n 在对c 0 2 循环的研究中提出双 级压缩循环【3 6 1 。美国m a r y l a n d 大学c e e e 的r e d e r r n a c h e r 也对c 0 2 双级压缩循 环的布置提出了几种新的方梨3 7 j ，以提高能效比。德国d e r e n s t e n 大学n i c k l 等 研究了将膨胀机和压缩机连接为一体及在结构设计上的可行性，利用膨胀机驱动 压缩机，并作为双级压缩系统的高压级压缩机，以回收膨胀功来提高整体效率【3 8 】。 德国e s s e n 大学的研究人员进行了双级压缩的冷冻工况的实验。天津大学热能研 究所、西安交通大学的顾兆林等也对c 0 2 双级压缩系统在低蒸发温度下进行了 分析 3 9 】。 1 5 本文主要内容 通过对国内外c 0 2 跨临界循环理论研究和应用现状的分析，本文工作主要集 中在以下几个方面： ( 1 ) c 0 2 跨临界单级压缩和双级压缩循环对比分析 对c 0 2 双级压缩制冷循环与单级压缩循环进行对比，并对两种不同形式的双 1 0 第一章绪论 级压缩循环进行对比分析。 ( 2 ) 对超临界c o ，双级压缩带中间气体冷却器和带闪蒸式中冷器中间冷却的循 环工况进行优化 模拟c 0 2 两种不同形式的双级压缩制冷循环，分析各外界参数对系统性能的 影响，得出双级压缩制冷循环的最佳运行工况。 ( 3 ) 对闪蒸式中冷器进行模拟和实验，分析并得出管外池沸腾的经验公式 对c 0 2 双级压缩系统中的闪蒸式中冷器进行模拟计算，并对c 0 2 双级压缩 系统进行实验研究，模拟结果与实验结果进行对比分析，总结出管外池沸腾的经 验公式。 第二章c 0 2 单级压缩与双级压缩制冷循环对比分析 第二章c 0 2 单级压缩与双级压缩制冷循环对比分析 本章通过对c 0 2 单级压缩制冷循环和双级压缩制冷循环的热力学分析，在一 定的蒸发温度和冷凝温度下，c 0 2 单级压缩制冷循环的c o p 比c 0 2 双级压缩制 冷循环的c o p 低，压差大，部件的应力较大，且造成压缩机内部泄漏较大。因 此，研究c 0 2 制冷循环系统采用双级压缩制冷循环。 2 1c 0 2 单级与双级压缩制冷循环原理 图2 - 1 为c 0 2 跨临界单级压缩制冷循环流程图，图2 2 是其温熵图。其中 1 2 为压缩过程，2 3 为定压放热过程，3 4 为绝热膨胀过程，4 1 为定压蒸发吸 热过程。 与传统的亚临界循环不同，由于c 0 2 的临界温度较低( 3 1 1 ) ，导致其放 热过程不是在两相区，而是在超临界区域内放热。此放热过程为一变温过程，有 较大的温度滑移( 如图2 2 所示) ，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，当它用于热泵循环时，有较高的放热系数。图2 3 为 c 0 2 跨临界双级压缩、两级节流、中间完全冷却的制冷循环原理图，图2 4 为其 温熵图。由气体冷却器来的制冷剂分成两部分：一部分经闪蒸式中冷器后继续 节流到蒸发压力，另一部分与低压压缩机的排气混合后进入高压压缩机。由于 c 0 2 的临界温度较低，绝热指数较高为1 3 ，所以低压压缩机的排气在闪蒸式中 冷器中完全冷却成饱和蒸汽，这样可以降低高压级的排气温度。 t s t 图2 - 2c 0 2 单级压缩制冷循环t - s 图 图2 4c 0 2 双级压缩制冷循环t - s 图 s 第二章c 0 2 单级压缩与双级压缩制冷循环对比分析 气 体 冷 却 器 图2 - 1c 0 2 单级压缩制冷循环流程 2 2 热力计算与分析 2 2 1 计算参数 气 体 冷 却 器 高压压缩机低压压缩机 节流阀2 图2 3c 0 2 双级压缩制冷循环流程 蒸 发 器 取夏季空调典型工况的室外空气温度为3 5 ，所以对c 0 2 制冷循环气体冷 却器出口温度设定为4 0 5 0 。 蒸发温度变化范围为2 0 1 0 。 为确定压缩机实际过程的出口状态，确定压缩机效率很关键，引入绝热效率。 日本d e n s o 公司和j u r g e ne ta l 的实验研究都表明【删1 1 ，c 0 2 压缩机的绝热效率 可超过7 0 。本章在理论计算中一般仍取1 0 0 。 为分析简单起见，不考虑设备与环境之间的热损失。 2 2 2 热力计算 ( 1 ) c 0 2 单级压缩制冷循环的热力计算 在制冷量为q o 时流经压缩机的质量流量为： 磊：善4 ( k g s ) ( 2 - ! ) ，z l 一，2 压缩机的功率消耗为： 第二章c 0 2 单级压缩与双级压缩制冷循环对比分析 w = m ( h 2 - h ) ( k v o c 0 2 单级压缩制冷循环的性能系数为： c o p ：盟 矽 ( 2 ) c 0 2 双级压缩制冷循环的热力计算 在制冷量为q o 时流经低压级的质量流量为： 茹。= 鲁( k g s ) 低压压缩机的功率消耗为： w l - m i ( 矗2 - h 1 ) ( k w ) 对于绝热的闪蒸式中冷器建立焓平衡方程式： m 2h 3 一胁lh 2 4 - ( m 2 - m 1 ) 磊5 】_ m l ( j i | 5 - h 7 ) 得出流经高压压缩机的质量流量为： 茹：= 磊。毽( 妙) 高压压缩机的功率消耗为： = m 2 ( h 4 一h 3 ) ( k m c 0 2 双级压缩制冷循环的性能系数为： c o p ：旦 彬+ 2 2 3 对系统性能的影响结果分析 2 2 3 1 蒸发温度影响的对比 ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 - 9 ) 图2 5 示出单级压缩制冷循环和双级压缩制冷循环的c o p 随蒸发温度的变化 情况。其中高压压力取i o m p a ，双级压缩中间压力取5 4 m p a ，气体冷却器出口 温度取4 0 。 从图2 5 中可以看出c 0 2 单级压缩和双机压缩制冷循环的c o p 都随蒸发温 度的升高而增大，而且曲线斜率有逐渐增加的趋势，即上升的速率逐渐增加。例 如，单级压缩制冷循环，当蒸发温度从一5 升高到5 ，循环的c o p 由2 4 3 上 升到3 2 2 ，平均上升幅度约为0 0 8 。c 。这是因为当高压压力不变时，蒸发温度 升高，使得压比减小而造成的。 从图2 5 中还可看出双级压缩制冷循环的c o p 比单级压缩制冷循环的c o p 大，在蒸发温度为2 0 c 时，双级压缩的c o p 比单级的提高2 7 。但随着蒸发温 度升高，两个的差值越来越小。这也是由于随着蒸发温度升高，压比减小造成的。 1 4 第二章c 0 2 单级压缩与双级压缩制冷循环对比分析 正 o u 图2 - 5c 0 2 单、双级压