跨临界循环二氧化碳制冷系统研究进展

1、跨临界循环二氧化碳制冷系统研究进展Development on the Study of CO2 Transcritical CycleRefrigeration System中船重工集团公司第七O四研究所季建刚黎立新蒋维钢摘要二氧化碳作为一种自然制冷剂,可以根本上解决制冷系统的CFCs工质替代问题。文章介绍了二氧化碳跨临界循环制冷系统及其关键设备制冷压缩机、气体冷却器、蒸发器的研究进展情况。关键词二氧化碳跨临界制冷研究进展Abstract As a refrigerant, CO2 can basically solve the problem of CFCs replacement pro

2、blem in refrigeration systems. The paper introduces CO2 transcritical cycle refrigeration system and the development on the study of its key equipment, such as refrigeration compressor, gas cooler and evaporator.Keywords CO2, transcritical, refrigeration, study development1 前言目前,制冷空调的能源与环境问题已成为世界性的研

3、究课题。大量使用的氯氟烃工质对于臭氧层的破坏作用很大,而且多数氯氟烃工质是温室气体,温室气体引起的气候变化是目前科技界乃至全人类极为关注的环境问题之一13。自从蒙特利尔议定书签订以来,各国开展了寻求CFCs和HCFCs替代物的广泛研究,主要提出了包括R134a、R404a、R407c 等在内的若干HFC及其混合物来代替R12、R22和R502等,但是人们发现新工质并没有达到“长期”替代物的要求,大部分新工质都仍具有较高的温室效应指数(GWP或者其它缺陷。因此,在制冷系统中采用地球生物圈中原来就有的“自然工质”的研究引起了人们的广泛重视45。自然工质主要有R717(NH3、R744(CO2、R2

4、90(C3H8等,表1列出了几种工质的性质比较。由表1可以看到,在自然工质中,CO2在环保、安全性及容积制冷量等方面具有明显的优势。表1 几种工质的性质比较工质R502R22R507R404aR717R290R744是否自然工质否否否否是是是ODP(10.2830.055000 0 0 GWP(2 3.74 0.36 0.960.940可忽略可忽略临界温度(82.296.270.272.1132.496.831.1临界压力(MPa 4.075 4.99 3.67 3.2311.27 4.257.38易燃爆否否否否是是否有毒/刺激性否否否否是否否相对容积制冷量(3 1.1 1.0 1.2 1.2

5、 1.00.94 5.22注:(1、(2以R11为基准;(3按0汽化潜热计算。2 跨临界CO2制冷系统研究概况CO2作为最早的制冷剂之一,在19世纪末到20世纪30年代得到了普遍的应用,但随着CFCs 的出现,CO2逐渐退出制冷剂领域,其原因是当时采用亚临界循环,由于临界温度较低,当环境温度稍高时,CO2的制冷能力急剧下降,功耗增大,经济性受到严重影响。当制冷剂环保问题日益突出,并随着跨临界制冷循环的提出,CO2作为理想的制冷剂开始重新获得新生。CO2跨临界制冷循环的研究是由挪威SINTEF 研究所的G.Lorentzen、J.Petterson等人56率先发起的,他们首先对CO2用于汽车空调

6、和热泵等领域进行了广泛的理论研究和分析,建立了专门的实验台进行实验研究78。德国Kassel大学的J.Kohler等也开展了CO2工质汽车空调和热泵的应用研究910,1996年8月,第一台公共汽车空调样机在车上通过现场实验,运行良好。美国伊利诺伊大学(UIUC空调和制冷中心的C.W.Bullard等人1112在美国各大制冷空调企业的支持下,建立了相应的汽车空调实验台,同时,他们还对CO2工质在家用空调、超市冷柜等方面的应用进行了广泛的理论和实验研究。国内对跨临界CO2超临界循环技术的研究也已经开始,但起步相对较晚,且大多数以理论分析为主。西安交通大学的林高平13、长沙铁道学院的沈裕浩、廖胜明等

7、14对CO2跨临界循环系统进行了理论分析和研究;天津大学的马一太教授15在国家自然科学重点基金的资助下,对CO2跨临界循环系统在热泵中的应用进行了理论和实验研究,并建立了热泵实验台;南京理工大学引进意大利Dorin公司的压缩机建立了CO2空调系统试验台,为装甲车空调作预研;上海交通大学车用空调工程中心与上海易初通用机器有限公司合作,在上汽集团的支持下,开展了CO2跨临界循环应用于汽车空调的研制。3 跨临界CO2制冷循环系统构成及研究进展3.1 系统流程图1为典型的跨临界CO2制冷系统流程图,图2为相对应的制冷循环压焓图。由图2可以看到,该循环系统的最大特点就是工质的吸、放热过程分别在亚临界区和

8、超临界区进行。气体工质在压缩机中压缩后压力升至超临界压力,在ph图上为过程fa;然后进入气体冷却器,被冷却介质冷却(ab 过程;为提高COP,从气体冷却器出来的气体在内部回热器中进一步被压缩机回汽冷却(bc和e f过程;再经过节流降压(cd过程,部分气体液化,湿蒸汽进入蒸发器汽化(de过程,吸收周围介质热量而制冷。储液器起汽液分离(蒸发器出口不过热、补充制冷剂等作用。 图1 跨临界CO2制冷系统流程图 图2 跨临界CO2制冷循环压焓图3.2 系统关键设备研究进展3.2.1制冷压缩机制冷压缩机对整个系统的效率和可靠性影响最大。衡量压缩机工作性能的指标有指示效率和容积效率,压缩过程的指示效率和容积

9、效率主要与气阀和气腔的压力损失、汽缸泄漏、气体与汽缸传热等因素有关。图316列出了压力损失对指示效率的影响,从图中可以看到,吸气侧的压力损失对指示效率的影响比排气侧大,这是因为:(1吸气压力的降低比排气压力增加引起的压缩指示功增加要大;(2吸气压力降低使吸气比容增加,容积效率降低,从而指示效率降低。试验和理论研究结果表明,CO2压缩机的压力损失对指示效率的影响比普通制冷压缩机小得多。经过理论和实验研究,Jurgen SUB 和Horst Kruse 发现在压缩机压力损失、气体与汽缸传热及汽缸泄漏等几个影响压缩过程的因素中,汽缸泄漏的影响最大,其余因素与之相比可以忽略16,汽缸泄漏主要包括进出口

10、气阀泄漏和活塞与汽缸间隙泄漏,其中活塞间隙泄漏是影响压缩过程的最重要因素。因此,要降低泄漏就要减小密封长度,并采用有效的密封措施。 图3 压力损失与指示效率由于跨临界CO 2系统发展较晚,同时工作压力很高,设计中存在一定的难度,迄今为止,还没有专为CO 2系统设计生产的商用压缩机出现。在1998年IKK 博览会上,意大利Dorin 公司首次展示了其开发的半封闭CO 2压缩机17,该产品可用于空调和热泵。日本三洋公司宣布已经开发出全封闭的CO 2压缩机18;同时,德国Bock 公司、Danfoss 公司等都分别进行了这一领域的研究和开发,但成果的关键技术都处于保密阶段。图4所示为德国Bock 公

11、司为汽车空调设计的开式往复式压缩机。图5为Danfoss 公司设计制造的斜盘式压缩机示意图。3.2.2气体冷却器由于CO 2工作在超临界状态下,压力高,且出口温度独立于出口压力,因此允许有较大的压降,CO 2具有良好的传热性能,所以制冷剂侧一般设计成较大的流量密度(6001200kg/m 2s 且采用较小的管径(小管径也有助于承受高压。国外第一台气体冷却器由Lorentzen 和 Pettersen 于19901991年推出,它由外径/内径为4.9mm/3.4mm 的铝管和平直铝翅片构成,由于进口管与出口管距离较近,导致两者之间通过肋片导热;随后他们于1994年重新设计了气体冷却器,管径减小到

12、3.2mm/2mm ,并且在第二、三排管之间采用百叶窗设计,减小了进出口之间的导热,但是第二、三排管之间仍然存在导热。由于小管径翅片管涨管加工困难,成本很高。因此,在1997年提出了铜制“平行流”空气冷却器的概念。图4 Bock 公司的开式往复式压缩机图5 Danfoss 公司制造的斜盘式压缩机示意图图6 “平行流”CO 2空气冷却器结构示意图“平行流”空气冷却器由积液管、平行微管以及微管间的空气肋片组成。微管嵌入积液管的“插槽”上,其结构示意见图6。这种换热器管径更小,换热强度更高,结构更为紧凑,具有较大的潜力,成为空气冷却器的新标准。表2列出了几种空气冷却器的性能参数比较,从中也可以看出“

13、平行流”空气冷却器的优势。表2 几种空气冷却器的性能参数比较圆管(19901991年推出圆管(1994年推出平行微管(1997年推出迎风面积(m20.2430.2770.290管径(外/内径(mm 4.9/3.4 3.2/2.00.79管数/流程数72/3120/1039/4空气侧流道长度(mm342116.5芯体体积(10-3m38.3 5.8 4.8总体积(10-3m38.7 6.1 5.7总质量(kg 4.3 2.6 2.8空气侧换热面积(m制冷剂侧压降(MPa 0.32 0.47 0.10出口温差( 3.7 3.6 1.03.2.3蒸发器由于物性特点,蒸发器的发展

14、也是一个管径越来越小、流量密度越来越高、换热系数越来越大的过程。表3是几种蒸发器的性能参数比较。表3 几种蒸发器性能参数比较圆管(19901991年推出圆管(1994年推出平行微管(1997年推出HFC134a蒸发器迎风面积(m20.0660.0380.0420.041管径(外/内径(mm 4.9/3.4 3.2/2.00.79管数/流程数60/5143/1321/7空气侧流道长度(mm68879192芯体体积(10-3m3 4.5 3.3 3.8 3.8总体积(10-3m3 5.0 3.7 4.4 4.9总质量(kg 2.2 1.6 2.2 1.9空气侧换热面积(m2 6.0 5.9 3.6

15、 3.6制冷剂侧压降(MPa 1.6 4.1 1.1制冷量(kW 5.6 5.4 6.0 5.3从表3可以看出,“平行流”式蒸发器具有较高的性能,是今后的发展方向。CO2平行微管式蒸发器也是由积液管、平行微管和微管间的空气肋片组成,结构形式与空气冷却器相同,而蒸发器所需的微管数较多。图7为蒸发器及其积液管和传热微管的截面示意图。4 结论二氧化碳作为一种自然制冷剂,具有优良的环保性能,可以从根本上解决制冷系统替代工质问题。国内外对二氧化碳跨临界制冷循环系统投入了大量的研究,应用研究日趋成熟,逐步向商业化应用发展。图7 CO2蒸发器及其积液管和传热微管的截面示意图5 参考文献1 Rudy Baum

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