CO_2热泵系统及其应用前景

1、第 2 卷 第 2 期制冷与空调Vol . 2 ,No . 22 0 0 2 年 4 月R EFR I GERA T ION AND A IR - COND I T ION IN GAp ril 2002CO2 热泵系统及其应用前景范晓伟(中原工学院)摘 要 绿色环保天然工质二氧化碳以其优良的热物性成为热泵系统中合成工质最有潜力的替代物之一。近年来 ,美国、欧洲和日本等发达国家和地区对二氧化碳热泵系统进行了大量研究。本文着重介绍CO2 热泵系统的原理、它的应用前景和近几年的开发研制状况。关键词二氧化碳 热泵 CO PCO2 HEAT PUMP SYSTEM AND ITS APPL ICATI

2、O NFAN Xiaowei( Energy and Enviro nmental Engineering Research Center , Zho ngyuan Instit ute ofTechnology , Zhengzho u , 450007 China)ABSTRACT As a kind of nat ural fluid , carbo n dio xide is an at t ractive alternative to t he syn t hetic fluids in heat p ump systems due to it s enviro nmental be

3、nign and goo d t hermal p roperties. Recently t he extensive research and develop ment wo rk o n CO2 heat p ump technology has beenf ulfilled in so medeveloped such as U SA , Europe and J apan.This paper focuses o n p resentingp rincipal of COheat p ump system , it s applicatio n and t he state of a

4、rt abo ut it s develop ment .KEY WO RDS2Carbo n dio xide , Heat p ump , CO P2引言二氧化碳是地球生物圈的组成物质之一 ,它无毒、不可燃 ,消耗臭氧潜能值 OD P (Ozo ne Depletio n potential) 为零 , 全球变暖潜能值 GWP ( Glo bal Warming Potential) 为 1 。除了环境方面的友好性外 ,CO2 还具有优良的热物性质。如: CO2 的容积制冷量是 HCFC22 的5 倍 ,高的容积制冷量使设备更紧凑;高的流体密度使压缩机进一步小型化 ,连接管道变细;它的粘度

5、较低 ,在 - 40 下二氧化碳液体粘度是 5 水的粘度的八分之一 ,即便在相对较低的流速下也可以产生湍流流动 ,有很好的传热性能; 采用 CO2 后 ,循环系统具有较小的压力比 ,可以提高压缩机绝热效率;同时 ,系统的压力高 ,在管道及换热器中相对低的压降值使得压差影响变小。基于 CO2 用作工质的这些优点 ,近年来美国、欧洲和日本等发达国家和地区的研究者们不断尝试将 CO2 应用于各种可能的制冷、空调和热泵系统。本文将主要对二氧化碳热泵系统的原理、它的应用前景和目前的开发研制情况作一系统的介绍。1 CO2 热泵系统简介对 CO2 热泵系统而言 ,首要的问题是确定应该采用什么样的循环。单从热

6、物性方面讲 ,CO2 与常规工质相比有较大差异 ,它的临界温度较低 ,仅为 31 . 1 。换句话说 ,只有当冷凝温度低于 30 时 CO2 才可能采用与常规工质相似的亚临界循环。实际的热泵运行参数处于这个限定条件内的可能性比较小 ,而且冷凝器换热过程中的“收缩点( Pinch poihnt) 温度对加热过程的温度分布也有一定的限制。当热汇( heat sink) 平均温度超过 30时 ,CO2 热泵系统只能采用跨临界循环。该循环的特点是蒸发吸热过程发生在亚临界区 ,而放热过程发生在超临界区。采用跨临界循环的 CO2 热泵系统与常规工质的热泵系统相比有那些优缺点是我们最关心的问题 ,并将决定那

7、些热泵装置适合使用CO2 工质 。为便于比较 , 图1 和图2 分别表示出2制 冷 与 空 调第 2 卷图 1CO2 跨临界循环图 2 HFC134a 循环CO2 跨临界循环和 HFC134a 的循环。可以看出 CO2 跨临界循环具有以下几个明显特点: 放热过程中工质和热汇( 水或空气) 之间的温度分布曲线更加接近 ,温差不可逆损失减小 , 这有利于提高循环系统的 CO P ; 压缩机压比减小 ( HFC134a 为5 . 7 ,CO2 为2 . 6) ,有利于提高压缩机的绝热效率 ,进而提高循环的 CO P ; 系统的运行压力高 ,这对系统的材料强度、密封和管道连接等方面的要求更苛刻。CO2

8、 热泵系统的基本组成与常规工质的热泵系统没有什么大的区别 ,主要有四个部分即: 压缩机、冷凝器/ 气体冷却器、蒸发器和节流装置。此外 ,有的热泵装置还设有回热器、油分离器和汽液分离器以及其它一些辅助部分 ,如: 控制系统高压侧压力的自动控制装置和为了系统的安全增设的安全阀件等。2 研制开发的 CO2 热泵装置那些热泵装置可以采用 CO2 ,许多研究者从理论上做了大量的研究工作 ,有的研究单位还建造了一些试验样机 ,并对其有关性能进行了测试。目前看来 ,CO2 热泵热水器、热泵烘干机和除湿机有较好的开发前景。2. 1热泵热水器在发达国家和地区 ,热水供应十分普遍 ,而且 24 小时不间断。家用热

9、水器一般是将温度为 6 -14 的地下水加热到 60 左右(注: 各个国家和地区要求的温度标准不同 ,如: 欧洲为 60 ,日本为 65 ) ,而工业用热水器则要求加热到 90 左右。CO2 热泵热水器是目前公认的各方面优于常规工质的热泵热水装置 ,也是世界各国研究开发较多的装置。与常规工质的亚临界循环相比 CO2 热泵热水器无论从能效方面还是从环境保护方面均有明显优势。从热力学角度看 ,由于采用了跨临界循环 ,一方面降低了传热温差 ,另一方面可以使热水的出口温度达到常规工质难以实现的 90 高温 ,即便在冬季室外空气温度较低的环境条件下系统也可以有效运行。理论分析计算和对所开发的样机测试结果

10、均证明了这一点。奥地利的 Rieber2er 通过对整个系统的模拟计算结果表明: 将 10 的水加热到 60 时 ,CO2 热泵热水器的 CO P 值为 4 . 6 , 比 HFC134a 热水器高出 15 % 1 。挪威的Neks等人对所造的样机的性能测试结果进一步证明了 CO2 热泵热水器在 0 的蒸发温度下 ,水从 9 加热到 60 时热水器样机的 CO P 值为4 . 3 ;并且可以提供 90 的热水; 与电加热热水器和天然气加热器相比能耗降低 75 % 2 ,3 ,4 。日本的 Saikawa 等人对改进的 CO2 热泵热水器测试结果证明它的年平均 CO P 值可以达到 3 , 即使

11、在寒冷地区 - 20 的环境温度下仍可以提供 90 热水 5 。日本的另一个研究组对他们所建造的 CO2热泵热水器现场测试表明:提供 65 热水时 ,系统的年平均 CO P 值为3 . 53 ;提供 90 热水时 ,年平均 CO P 为 2 . 72 ;与热水锅炉相比 CO2 热水器可减少约 40 %的 CO2 的排放量 6 。HCFC22 是目前热泵热水器中主要使用的工质。从技术上讲 , CO2 用于热水器替代 HCFC22比较成熟。在欧洲和日本 ,新的 CO2 系统已经开始计划步入商业生产阶段。我国的热水使用与发第 2 期范晓伟 : CO2热泵系统及其应用前景3 达国家相比尚还有较大差距

12、,随着我国经济的稳步发展 ,家家户户用上热水也很快成为现实 ,热泵热水器的市场潜力较大。2. 2热泵烘干机和除湿机烘干机和除湿机是应用热泵系统的理想装置。湿空气在蒸发器中被冷却到露点温度以下 ,析出水份。然后 ,被冷却的空气再进入冷凝器中加热后排出。德国的 Schmidt 和 Klcker 等人针对洗衣店中常用的烘干机进行了系统的理论和实验研究工作 7 ,8 ,9 。他们发现热泵烘干机中使用 CO2 工质在能效和除湿能力方面均优于其它工质。理论分析表明 CO2 系统比 HFC134a 系统的 CO P 值高7 %左右。通过对所建造的试验装置的测试结果表明 ,CO2 烘干机的 CO P 值可达到

13、 6 . 5 。家用或商业用热泵烘干机与直接加热式烘干装置相比约有65 %的节能潜力。2. 3热泵空调机组(1) 水加热机组在这类装置中 ,水经过冷凝器或气体冷却器加热后直接进入供暖系统。因各个国家和地区所实行的标准不同 ,所研究开发的 CO2 热泵空调机组中供、回水温度有多个温度水平 ,如 90/ 70 ,55/45 和 35/ 30 1 ;90/ 70 ,70/ 50 ,50/ 40 和 35/ 30 10 。环境温度在 - 12 到 12 条件下 ,当供、回水温度为 90/ 70 时 ,热泵机组的最优 CO P值分别为 1 . 8 和 3 . 5 ; 供、回水温度为 55/ 45 时 C

14、O P 值则分别为 2 . 4 和 4 . 4 ,35/ 30 时 CO P 则分别为 3 . 5 和 4 . 9 。单从能效方面看 , CO2 在这类系统中并不比其它替代工质 ( 如 HC290) 有优势 1 。 Brandes 分析计算和对所建造的机组样机测试证实了采用 93/ 40 的加热曲线时系统的 CO P 值高于70/ 50 时系统的 CO P 值 ,前者的季节性能系数 SPF ( seaso nal perfo rmance facto r ) 高出后者14 % 9 。值得一提的是 ,在我国的天津大学 12 对水加热机组也进行了实验研究。(2) 空气加热机组热泵空调机组进口空气温

15、度等于房间回风的温度 ,如居室和办公室内的空气温度在 19 - 21 ,工业企业要求在 15 - 18 ,而加热器出口的空气温度分别要求达到 45 和 65 。该类机组比水加热机组的效率低。Richter 等人对家用热泵空调装置的实验研究发现当室外温度较高时 CO2 热泵的供热系数 HPF ( Heat perfo rmance facto r ) 稍低于R410A 热泵 ,而当室外温度较低时两者相当 11 。3 开发 CO2 热泵装置应注意的几个问题3. 1正确看待 CO2 工质应该明确任何一种工质都有其优缺点 ,不可能十全十美 ,CO2 也不例外。从制冷工质的使用历史看 CO2 曾有过辉煌

16、的时期。在 1900 年和 1930 年间 ,发达国家的歌剧院、饭店和医院中普遍采用CO2 空调制冷设备。1930 年世界上开发出合成工质氟里昂后 ,便开始逐步淘汰二氧化碳制冷空调设备。1955 年世界上最后一台 CO2 制冷设备停止使用。究其原因主要是 CO2 系统的能源效率低于氟里昂类工质系统。随着人们对环境问题的日益重视和有关氟里昂类物质对环境破环作用方面了解的深入 ,天然工质 CO2 再次受到了重视。CO2 在环保方面的优势是其它常规工质所无法比拟的 ,但是基于能效方面的改进仍有大量研究工作需要深入 ,这将直接影响着未来 CO2 热泵装置的市场。开发 CO2 热泵装置必须强调在其运行工

17、况条件下是否具有可接受的循环性能系数 CO P 值。不要盲目跟进 ,出现顾此失彼问题。目前看来 , CO2 热泵热水器、热泵烘干机和除湿机有较好的开发前景。3. 2关键设备和部件的开发生产和产品的价格问题是制约 CO2 热泵装置发展的主要因素。在相同的运行工况条件下 ,CO2 与常规工质的热物性有较大差异 , CO2 压缩机工作在更高的压力、更大的单位容积制冷量、更小的压比以及更大的进排气压差(增压 3 . 57 M Pa) 下 ,因此必须对压缩机进行重新设计。压缩机的类型很多 ,究竟何种型式更适合于 CO2 呢 ? 从研究报道看 ,新近开发的 CO2 的压缩机主要有: 开启式的活塞式和斜盘式

18、压缩机 ,半封闭活塞式压缩机 ,半封闭涡旋式压缩机 ,全封闭回转式压缩机 ,全封闭涡旋式压缩机等。从理论上探讨了可行性的还有滑片式压缩机。总的看来 ,影响 CO2 压缩机效率的主要因素是由高压差所造成的泄漏捐失。回转式、涡旋式和螺杆式压缩机的泄漏系数在相同的数量级上 ,它们均比活塞式压缩机高出 2 个数量级左右 ,因此 ,比较合理的压缩机设计是带有曲轴或斜盘式传动的活塞式压缩机。气缸数量要尽可能少 ,以便获得较高的容积效率。和常规的制冷压缩机相比 ,应选取合适的冲程与缸径比 ,以降低工质通过由很多活塞环连接起来的活塞和气缸之间的 CO2 泄漏量。由于在高压条件下 CO2 具有较大的密度 ,可以

19、选用4制 冷 与 空 调第 2 卷小气缸直径以减小轴承推力。压缩机的曲轴箱工作压力很高。最大静压可能达到 8 M Pa ,这种情况下 ,采用半封闭压缩机更为可取 ,可以避免轴封问题。Officine Mario Do rin 公司开发的半封闭式压缩机是最接近批量生产的产品 ,包括双缸单级和两级活塞式压缩机 , 单级压缩机的输气量在 0 . 5 10 . 7 m3/ h 范围内 , 两级压缩机则在 0 . 6 12 . 7 m3 / h范围内 , 额定转速为 2900 r/ min ( 50 Hz) 13 、17 、18 。由于 CO2 压缩机重量重 ,壳体厚 ,输气量相对较小 ,在 2900

20、和 3500 r/ min ( 50/ 60 Hz) 的转速下仍具有较好的噪声特性和震动特性 ,新开发的 CO2 压缩机均设计在高转速下工作。这意味着在相同的压缩机尺寸下 ,CO2 压缩机理论输气量是常规压缩机的两倍以上 ,从而有更高的价格与冷量比。日本 D EN SO 公司制造出了一种活塞式压缩机样机 ,并测试了它在各种不同的工况条件下的工作特性。当 CO2 压缩机工作在很高的压力时 ,用活塞环来密封效果很好 ,活塞余隙的气体泄漏量也很小 ,基本可以忽略。SAN YO 开发出一种封闭式两级滚动转子式CO2 压缩机样机(额定输出 750 W) 。这种压缩机的绝热压缩效率达 80 %以上 ( 高

21、压 9 M Pa , 低压3 M Pa ,吸入气体温度 35 的条件下) 。它可用于家用热泵热水器装置。经过 1000 小时的耐久性试验 ,每个运动部件的疲劳强度都比较令人满意。由D EN SO 公司生产的半封闭涡旋式压缩机被用于 4 . 5 kw 供热量的热泵热水器样机中。日本的 Mat sushita 电气工业有限公司也研制出一种小容量封闭涡旋压缩机 ,并分别从实验和理论上进行了分析。从实验结果看 ,压缩机容积效率和绝热效率随着转速的提高而提高。容积效率在 80 %左右 ,而压缩机效率却低于 50 %。模拟计算发现 , 止推轴承损失占压缩机损失的 40 %左右 ,该公司已经将减少止推轴承损

22、失作为下一步研究目标。理论上讲 ,由于进、排气口压差较大 ,涡旋式 CO2 压缩机应远比涡旋式 R410A 压缩机的容积效率低些 ,但事实上 , 两者之间的差别相当小。Fukuta 等人 15 讨论了 CO2 循环回路中采用滑片式压缩机的可行性。经过理论分析表明这种滑片式压缩机具有一定的可行性。另外 ,他们还测试了改进的两级滑片式压缩机和压缩机 - 膨胀阀组合下的性能。这些设备均有较好的应用潜力 ,即使在原来的余隙高度下 ,其性能达到了可以接受的程度。对压缩机的制造和测试方面还未曾有报道。换热器方面 ,由于高压条件下有更好的传热特性和更高的容积制冷量 ,这使得 CO2 热泵系统中的换热器可以设

23、计地更为紧凑、高效。对于气体冷却器/ 冷凝器 ,为了充分利用超临界过程的温度特性冷却过程应尽量采用逆流式换热方式。当加热水时 ,逆流热交换方式是很容易实现的。现有的一些 CO2 热泵样机中 ,水/ CO2 冷却器主要有套管式和壳管式两种类型的换热器。套管式换热器是一种简单、经济的逆流式气体冷却器。这种型式的气体冷却器可以方便地接入系统回路中 ,而且加工制作也比较容易。它的最大缺点是管路长 , 水侧和CO2 侧的压力损失大 ,占地面积大。加热空气时 , 由于空气和超临界 CO2 气体的热力学性质差异较大 ,交叉流或者交叉逆流混合换热方式比较可行。空气/ CO2 冷却器 ,所开发的样机中 ,一类是

24、交叉流型式的管翅式换热器 ,另一类是交叉逆流式 ,即新开发的带百叶窗翅片管带式换热器 14 ,它的截面由多个微尺度通道构成 , 每个小通道直径为0 . 8 mm ,所用的材料为铜铝合金。至于蒸发器 ,因其工作压力一般低于 5 . 1 M Pa ( 15时的饱和压力) ,将其它热泵系统中的一些蒸发器稍加改造就可以应用到新的系统当中。不同的热源对蒸发器的结构有不同的要求。空气源热泵样机的蒸发器多采用管翅式换热器和新开发的带百叶窗翅片的管带式换热器。水源热泵蒸发器可以选用套管式、管翅式、管壳式以及板式换热器等等。节流阀方面 ,由于高的工作压力 ,在材质强度方面要求比普通的节流阀更高。DAN FOSS

25、 , E GEL HO F , FL I TSCH 等公司已经研制出一些用于跨临界 CO2 系统中的膨胀阀。DAN FOSS 公司报道了在 CO2 系统中可用的膨胀阀: 电子膨胀阀 , 可以根据不同的工况条件电子调节工质的流动阻力 ;机械热力膨胀阀 ,可以把蒸发器出口过热度控制为所设定的值; 机械自动调节阀 ,控制阀出口工质的压力为设定值。由于 CO2 热泵装置在较高的压力下运行 , 系统在连接、组装和使用等环节中工质的泄漏是十分具体的问题 ,建议系统中要尽量使用焊接接头 ,但这样就对系统的维修造成一定的麻烦。CO2 热泵系统中的一些关键设备目前尚处于研制开发阶段 ,成本还比较高。解决产品介格

26、问题的唯一途径是通过批量化生产降低成本。第 2 期范晓伟 : CO2热泵系统及其应用前景5 4 结束语从现有的文献看 ,CO2 热泵系统方面的研究结果总的来说是积极的。除了环保方面的优越性外 ,CO2 热泵采暖系统能提供高达 90 的热水 ,只要系统设计合理。CO2 热泵的 CO P 值已经基本可以实现与常规工质的热泵系统相当。对已经开发的 CO2 热泵装置的测试结果也比较令人满意。由于采用跨临界循环系统 ,要考虑充分利用气体冷却器/ 冷却器中的温度分布特性。从能效角度看 ,CO2 热泵热水器和热泵烘干/ 除湿机有较好的开发前景。对于热汇为水的热泵空调机组 ,低的回水温度和高的供水温度系统将更

27、加能够体现 CO2的优越性。目前为止所开发的 CO2 热泵样机多数不曾涉及系统的优化匹配 , 对系统控制方面的研究也较少 ,这方面有待于进一步深入研究。我国已经加入了世界贸易组织 ,企业将直接参与国内外市场竞争 ,这为国内的制冷、空调和热泵企业带来了新的机遇和挑战。为此 ,开发和生产具有一定自主产权的先进热泵设备对国内相关企业的发展和占据市场具有着十分重要的意义。希望国内一些企业密切同高校和科研院所进行技术合作 ,长远规划 ,通过科技创新不断推出具有一定超前概念的产品。参考文献1Rieberer R.CO2 as working fluid for heat p ump s : Ph. D.

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