跨临界二氧化碳制冷技术现状研究

1、2006年6月制第25卷第2期(总95期)冷25文章编号:ISSN1005-9180(2006)02-0025-05跨临界二氧化碳制冷技术现状研究简弃非,林华和,潘伟东(华南理工大学汽车工程学院,广东510640)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。本文介绍了二氧化碳跨临界制冷循环系统及其关键设备制冷压缩机、气体冷却器、蒸发器、膨胀机的研究设计进展情况,并详细介绍了压缩机、气体冷却器和膨胀机的性能影响因素。关键词二氧化碳,跨临界,现状,压缩机膨胀机一体型,气体冷却器TB61;TB66文献标识码B中图分类号StudyonthestateofArtsofT

2、Technology,PANWeidong(Collegeof,SChinaUniversityofTechnology,Guangdong510640)Abstract:callednaturalrefrigerantcanradicallysolvetheCFCsreplacementproblemintheair-conditioningpapermainlyintroducesthedevelopmentandoptimizationcarbondioxidetrans-criticalrefrigera2tionsystemanditskeyequipments-compressor

3、,gascooler,evaporator,expander,andintroducestheinfluencingfac2torsonthecompressor,gascoolerandexpanderscapabilityindetail1Keywords:Carbondioxide,Trans-critical,Stateofarts,Combinationofcompressorandexpander,Gascooler1引言因为地球温室化环境原因,在制冷空调循环中使用的冷媒,从原来的氟利昂转向自然工质。目前汽车空调中大量使用的HFC134a制冷剂及CFC已被纳入“京都协议”限制生产和

4、使用的制冷剂范畴。在此背景下,采用跨临界循环的CO2系统以其优良的环保特性,良好的传热性质,较低的流动阻力及相当大的单位容积制冷量,重新在制冷领域得到青睐。为了进一步提高其循环性能,扩大应用范围,正在开展各种各样的研究开发。目前CO2被认为最有可能适用于蒸发温度为-4010的各种常规制冷系统中,特别适合于高2CO2跨临界循环CO2作为制冷剂的重新出现是由于CO2跨临界制冷循环(Trans-criticalCycle)的应用。目前正在研究的CO2制冷系统中,基本上都是采用跨临界制冷循环方式。其循环过程如图1中的12341所示。此时压缩机的吸气压力低于临界压力,蒸发温度也低于临界温度,蒸发过程仍在

5、亚临界条件下进行,换热过程主要是依靠潜热来完成。压缩机的排气压力高于临界压力,在超临界区域,没有相变,压力和温度是各自独立的参数,与图1中的12341亚临界循环相比,克服了亚临界循环受环境影响的限制。所以,CO2跨临界循环具有在一定范围内可连续调节冷量的优点,受环境影响不大,适用于汽车空调系统。居住密度区,如汽车空调、船舱空调,以及高温热泵热水、干燥系统。收稿日期:2006-2-13作者简介:简弃非(1963-),男,工学博士,副教授,主要研究领域为传热传质与节能,新能源等。E-mail:linhuahe-renREFRIGERATION26No.2,2006,JuneVol.25(Total

6、No.95)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效率主要与气阀和气腔的压力损失、汽缸泄露、气体与汽缸传热等因素有关。CO2压缩机压缩比小,气缸余隙容积的再膨胀行程较短,阀打开较早,所以压缩机的容积效率较大。压缩机吸气侧的压力损失对指示效率的影响比排气侧的大2,这是因为:吸气压力降低所引起的压缩指示功的增加比排气压力增加引起的指示功的图1CO2的循环方式3CO2跨临界制冷循环系统CO2跨临界制冷系统流程如图1所示,系统由增加要大;吸气压力降低使得吸气比容增加,容积效率降低,。实验结果3说明:。因此,压损对于2,即使不采取特殊措施,压缩机,气体冷却器,中间热交

7、换器(膨胀机,CO2。但由于CO2的临界温度11,低于环境温度(35),因此CO2在气体冷却器中的冷却过程中,。研究结果表明,CO2压缩机内部的换热对压缩机的效率影响很小。因此,对于CO2压缩机工作室的设计没有规定必须考虑汽缸内的热传递现象。泄露损失对指示效率影响最大2,主要包括进出口气阀泄露和活塞与汽缸间隙泄露,其中活塞间隙泄露是影响压缩过程的最重要因素。因此必须减小泄露间隙的长度,用活塞环密封,并设计成大冲程/缸径比。设计中困难之处在于阀的流通面积较大而可占空间较小。容积系数是随活塞间隙泄露的减少和冲程孔径比的增加而增加,该过程效率的最大值处于冲程孔径比为113之处3。这可以通过阀门损失与

8、泄露的共同作用来解释。阀门处的能量损耗随着冲程孔径比的增加而增加,泄露影响减少。由于CO2的热物理性质使得工作压力较高,因而要求系统部件需特殊设计。另一方面,用CO2作制冷剂可给制冷过程性能带来诸多优点。尤其对于压缩机来说,一旦其泄露能减少到合理数量,CO2的流体特性使其能量和容积系数都是合适的。由于跨临界CO2系统发展较晚,同时工作压力始终在临界点以上,不会出现普通制冷循环中的冷凝液化过程。这也是CO2跨临界循环与普通制冷循环的一大区别。图2CO2跨临界制冷循环系统图4制冷系统设备设计进展411制冷压缩机很高,压缩机设计中存在一定的难度。尽管各国已经开发出一些样机或产品,但成果的关键技术都处

9、于保密阶段。国外有意大利OFFICINEMARIODORIN公司开发的半封闭式活塞压缩机已开始批量生产,包括双缸单级和两级活塞压缩机,由于CO2输气量小且壳体厚,高转速下仍具有很好的噪声特制冷压缩机对整个系统的效率和可靠性影响最2006年6月制第25卷第2期(总95期)冷27具有较大的潜力。研究结果6表明:要得到气体冷却器更强的换热能力,提高制冷剂侧的压力是有益的。但是对于整个系统来说,提高制冷剂侧的压力势必要耗费压缩机更多的功,因此存在一个最优的系统压力值,使此时的系统COP值最大。即当压力大于这个值时,制冷量的增加不足以补偿压缩功的增加而使COP值减小。气体冷却器中微通道管的内径对换热器的

10、性能也有非常重要的影响6。管径的减小使制冷剂流速加快,增强了对流换热,。,流速的加快,015mm时,所以管径不宜取得过小;同时,管径过大会恶化对流换热,且需增加换热器的壁厚,增大了换热器的容积和质量。同时,微通道换热器换热性能也与热流密度、循环蒸发温度、蒸汽干度等有关。另外,通道尺寸越小表面张力对传热和压降的影响越大。综上所述,在微通道换热器的设计中,换热性能与制冷剂运行压力、热流密度、制冷剂流速、蒸发温度等系统运行参数有关,即不同工况下,微通道换热器通道直径存在不同最优值。另外,如何保证平行流微通道换热器内各通道流量的分布均匀是微通道换热器设计的一大关键。到目前为止人们对于微通道沸腾换热的传

11、热机理、机械加工等的认识还相当有限,许多有关的研究尚处于起步阶段。因此,为节省物力和人力,缩短研发周期,运用CFD技术软件简化建立CO2制冷系统中气体冷却器物理模型,对其微通道内CO2和空气侧的流动和换热进行数值模拟,通过模拟不同工况下得出微通道换热器换热性能的最优化值具有非常实用的价值。41212蒸发器和中间热交换器由于物性特点,二氧化碳汽车空调系统用蒸发器的发展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。与气体冷却器类似,最初的蒸发器也是从圆管平肋片式逐步发展到铝制“平行流”式换热器,也是由积液管、平行微管和微管间的空气肋片组成,所不同的是,蒸发器性和振动特性;瑞士的苏

12、黎世大学对应用在家庭热水器上的半封闭小型无油活塞式压缩机进行了开发研究,气缸容积仅为1125cm3;日本DAIKIN设计开发了CO2摆动活塞压缩机,用于CO2冷媒热水器和汽车空调;还有日本MAYCOM公司推出的CO2单级螺杆压缩机,主要应用于冷冻、空调系统,整个机组的设计是冷热同时利用,压缩机的排气用来加热热水,机组设油水蓄热槽,低温CO2用于制冷。国内对跨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、长沙铁道学院等对CO2跨临界循环系统进行了理论分析和研究;天津大学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试验研究,

13、并建立了热泵试验台;用机器有限公司合作,了CO2CO2压缩机的研究,。412热交换器CO2汽车空调系统热交换器包括蒸发器、气体冷却器和吸气热交换器,占有整个系统质量的一半及大部分体积,具有高效、紧凑、重量轻的特点,以满足汽车空调的特殊要求。41211气体冷却器制冷循环中的散热由气体冷却器完成,其作用相当传统制冷循环中的冷凝器。在气体冷却器中,二氧化碳工作在超临界状态下,始终处于气态,并不发生一般冷凝器中的冷凝液化过程。受二氧化碳物性的制约,空气冷却器中制冷剂侧压力很高,达71412MPa左右。另外,由于二氧化碳处于超临界状态,出口温度独立于出口压力,使它可以有较大的压降。因此,制冷剂侧往往设计

14、成较大的流量密度(6001200kgm-2s-1)和较小的管径(210018mm)。微通道换热器有压降大的缺点,而CO2比大多数制冷剂有更小的液体粘性和更大的液汽密度比,使压降不成为一个设计中的难题。CO2与微通道换热器的完美结合正好满足CO2汽车空调高效、紧凑、质量轻等特殊需要。目前已经研制出“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。这种换热器管径更小,换热强度更高,结构更为紧凑,REFRIGERATION28所需的微管数较气体冷却器多。CO2系统的中间热交换器采用逆向双管系统,内管通过压缩机吸气管前面的蒸汽,外管流过气体冷却器出口气体。美国伊利诺伊大学的Bullar

15、d教授等对中间换热器的影响进行肋研究,结果表明,优化的中间换热器设计可使二氧化碳系统效率改善约10%。日本三电公司则将中间换热器与储液器做成一体,以便于汽车安装。413膨胀机在以普通的制冷、空调用途为目的的CO2制冷循环中,散热部为超临界状态,吸热部为亚临界状态的所谓的过渡临界循环。这种典型的循环状态如图312的压力焓图所示。如果关注其膨胀过程,在采用老式的膨胀阀的循环(虚线)中,相对于等焓的即垂直变化,在采用膨胀机的循环(实线)发生等熵即像减少比焓那样的变化,的2点会有提高,幅度增加(制冷能力增加)的点。特别是将膨胀机回收能量作为压缩所必需能量的一部分来加以利用的话,制冷循环的COP在双重意

16、义上得以提2高1、。No.2,2006,JuneVol.25(TotalNo.95)(1)将发电机与膨胀机的输出轴连接,灵活应用其电力。(2)将膨胀机的输出轴与压缩机的驱动轴连接,作为压缩动力的一部分。(3)将膨胀机和压缩机做成一体结构,不向外部输出膨胀压力,回收作为压缩动力的一部分加以利用。从效率这一点出发,效果最好的是不产生机械损失的外部输出轴封的压缩机膨胀机一体型。同时,由于膨胀过程跨越临界线,设计中还要考虑机内两相膨胀机理。,、叶片式、CO2膨胀机采用哪种,今后恐怕结果可以预测,像压缩机一样,发挥各自的长处,各种形式的膨胀机与相应的高效压缩机的最佳匹配的实现。国外开发有英国CITY大学

17、研制了CO2制冷循环的螺杆式压缩-膨胀一体机。系统的节流过程以膨胀机代替节流阀,膨胀机输出的功供给压缩机使用。国内西安交通大学压缩机研究所较早开始了对于CO2跨临界制冷系统的研究,并于2003年与美国的联合技术公司展开合作研究,建立了CO2跨临界制冷系统试验台,研制出自由活塞式滑片式两种膨胀机压缩机组,并正在对CO2压缩机进行研究及开发。5结语为保护臭氧层,降低温室效应,制冷系统采用自然工质是必然趋势。在自然工质中,CO2被认为是最接近实用化的工质,单位容积制冷量高,特别适合于高居住密度区,如:汽车空调、船用空调等。图3压力焓线图CO2跨临界循环制冷系统的成功开发有赖于系统中各部件的效率、紧凑

18、性、安全性等方面的提另一方面,在膨胀过程中,CO2循环中的节流损失能量与氟利昂冷媒循环中的节流损失能量相比相当大。因此,在CO2跨临界循环中,减少节流损失对提高循环性能至关重要。综合上述两方面的研究结果,将膨胀机应用于CO2制冷系统,回收膨胀功的方法12有:高,以及降低质量、运行费用等,其中包括微通道换热器的开发设计、能够良好控制系统运行状态节流控制部件的开发、以及能够胜任两相膨胀的高效压缩机膨胀机一体型的开发。因此,国内外对CO2跨临界制冷循环系统投入了大量的研究,随着系统设计日趋成熟,逐步向商业化应用发展。2006年6月制第25卷第2期(总95期)冷298郭蓓,彭学院,邢子文1二氧化碳热泵

19、热水器系统及压缩机的研发现状J1家电科技,2005(9):42-44Takeyoshiohkawa1Eijikumakura1HirofumiHigashi1etc1DEVELOPMENTOFHERMETICSWINGCOMPRESSORSFORCO2REFRIGERANT1Proceedingsofthe2002Interna2tionalRefrigerationConferenceatPurdueWestLafayetteINUSAC25-16参考文献912季建刚,黎立新,等1跨临界二氧化碳制冷系统研究进展J1机电设备,2002,(4):23-27JurgenSUB,HoratKruse

20、1EfficiencyofindicatedprocessofCO2-compressor1Int1JournalofRefrigeration,1998,21(3):194-20110JianMinYin,ClarkW1Bullard3,PredragS1HrnjakR-744gascoolermodeldevelopmentandvalidationInternationalJournalofRefrigeration24(2001)692-70111J1Sarkar,SouvikBhattacharyya3,M1RamGopalTranscriti2calCO2heatpumpexerg

21、yanalysisincludingheattransferandfluidEnergyConversionandMan2461434林刚等1CO2压缩机压缩过程的指示效率J1低温与特气,2001,19(1)1:3-17马富芹,吴建波1CO2汽车空调用微通道换热器设计的若干技术J1南阳师范学院学报,2004,3(9):32-345饶政华,廖胜明二氧化碳微通道气体冷却器的数值仿真与性能优化J1化工学报,2005,56(9):1721-1726,二氧化碳制冷循环用膨胀机J12005(9):51-54,穆景阳等1二氧化碳跨临界汽车空调系统开发J1制冷学报,2002(3):14-17P1Heyl,HQuack,Freepistonexpander-compressorforCO2DesignApplicationsandResults1http/www1tu-dresde