专题四-二氧化碳制冷系统(第7题)制冷与低温研究所课件

1、CO2 Refrigeration cycle二氧化碳制冷循环7/24/20222CO2制冷的发展与现状制冷剂的发展推动制冷技术的进步氟利昂对臭氧层的破坏和温室效应，迫切需要新的制冷工质二氧化碳作为天然工质，具有良好的热力性能和环保特征汽车空调、热泵、复叠式制冷中得到广泛应用前言CO2活塞式压缩机1.早期CO2压缩机以活塞式压缩机为主2.1989年NTNU（挪威科技大学）首次CO2试验用丹麦BABROE公司制造的双缸CO2活塞式压缩机3.意大利DORIN公司开发的半封闭式活塞CO2压缩机批量生产，包括双缸单级和两级活塞式压缩机，可用于空调和热泵4. CO2汽车空调压缩机的开发CO2滑片式压缩机

2、1.容积式压缩机的一种2.美国马里兰大学Radermacher R和日本静冈大学Fukuta M合作CO2涡旋压缩机1.日本松下（MATSUSHITA）公司在R134a涡旋压缩机的基础上开发了CO2涡旋压缩机2.日本三菱重工（MITSUBISHI）公司开发用于CO2热水器的CO2涡旋压缩机CO2螺杆式压缩机1.日本MAYCOM公司CO2单级螺杆压缩机主要用于冷冻、空调系统2.伦敦城市大学Stosic等人研制了双螺杆膨胀压缩机3.西安交大王炳明等人研发了NH3/CO2复叠制冷系统的二氧化碳螺杆式压缩机CO2滚动转子式压缩机大金daikin有限公司于2002年2月开发了用于热泵、热水器和汽车空调的

3、高性能和可靠性的滚动转子式压缩机杨军等设计了一种新型全封闭旋转式CO2压缩机7/24/20229CO2制冷剂的优缺点 艾孜尔江CO2 Refrigeration cycle二氧化碳制冷循环7/24/202210CO2制冷剂具有的主要优势1.CO2是天然物质，ODP=0，GWP=1。2.CO2安全无毒、不可燃，并具有良好的热稳定性，即使在高温下也不会分解出有害的气体。3.CO2具有与制冷循环和设备相适应的热物性。4.CO2黏度小。CO2制冷剂存在的主要缺点1.CO2临界压力较高。 虽然系统的工质压力高，但容积较小，其压力和容积的乘积与常规工质相差不大，设备内气体的爆炸能量增加的并不多。2.CO2

4、单级压缩跨临界循环的性能系数COP比相同温度条件下的R12、R22、R134a等常规制冷剂的制冷性能系数都低。 完全可以通过完善系统循环方式、优化系统设备来解决，如采用双级压缩和采用膨胀机回收一部分膨胀功的措施加以改善，来提高制冷循环效率。CO2制冷剂的安全问题1.可燃性 CO2是不可燃的，甚至可以用来做灭火器。2.毒性 虽然CO2本身没有毒性，但是在封闭的空间内CO2浓度高于5%时，会发生窒息等情况。3.高压 CO2制冷系统的工作压力比其他常用制冷系统的工作压力大。CO2制冷系统的应用成本1.制冷工质的成本 因为CO2通常是其他工业产品的副产品，所以价格是非常低廉的。2.系统零部件的制造成本

5、 CO2制冷剂的运行压力高，但是排量小。 排量小可以缩小压缩机的体积，减少材料用量。 而压力高导致要增加高压区域的材料厚度以提升耐压能力。CO2制冷剂的应用前景 有研究结果表明，CO2系统在高环境温度（45以上）时，制冷性能低于传统系统，3545间与传统系统相近，35以下时性能更优。 工业生产不会为了获得CO2制冷剂而专门进行生产，甚至从某种程度上讲，将CO2用作制冷剂是减少了CO2的排放，更加符合环保理念的要求。7/24/202215CO2制冷循环的热力分析 周汉威CO2 Refrigeration cycle二氧化碳制冷循环12/29/2015 丁国良 二氧化碳制冷技术新发展 制冷空调与电

6、力机械（2002）02-0001-06 上海交通大学16CO2 Refrigeration cycle二氧化碳制冷循环12/29/2015 季建刚 黎立新 蒋维钢 跨临界循环二氧化碳制冷系统研究进展 机电设备2002年第4期17 CO2 Refrigeration cycle二氧化碳制冷循环12/29/2015 蒋云云 新型吸收/跨临界复合制冷系统研究特性 浙江大学硕士学位论文 2014年1月18日18 循环特点：1. 放热过程为显热换热，具有较大的温度滑移。温度滑移与冷却介质的温升相匹配，可以视为一种两个热源之间的无温差热交换过程，即变温热源的洛伦兹循环。但是由于制冷剂被节流到两相区，节流损

7、失远大于常规制冷循环的节流损失，因此COP较低。这成为制约其发展的初因。CO2 Refrigeration cycle二氧化碳制冷循环12/29/2015 马一太 低GWP工质替代策略和二氧化碳制冷热泵循环关键技术 第七届中国制冷空调行业信息大 会论文集 天津大学热能研究所19CO2 Refrigeration cycle二氧化碳制冷循环12/29/2015 马一太 低GWP工质替代策略和二氧化碳制冷热泵循环关键技术 第七届中国制冷空调行业信息大 会论文集 天津大学热能研究所20CO2 Refrigeration cycle二氧化碳制冷循环12/29/2015 马一太 低GWP工质替代策略和二

8、氧化碳制冷热泵循环关键技术 第七届中国制冷空调行业信息大 会论文集 天津大学热能研究所21CO2 Refrigeration cycle二氧化碳制冷循环12/29/2015 崔晓龙 跨临界CO2循环最优高压侧压力研究 中国制冷学会2007年学术年会创新与发展22CO2 Refrigeration cycle二氧化碳制冷循环12/29/2015 马一太 低GWP工质替代策略和二氧化碳制冷热泵循环关键技术 第七届中国制冷空调行业信息大 会论文集 天津大学热能研究所23CO2 Refrigeration cycle二氧化碳制冷循环12/29/2015 马一太 低GWP工质替代策略和二氧化碳制冷热泵循

9、环关键技术 第七届中国制冷空调行业信息大 会论文集 天津大学热能研究所247/24/202225CO2制冷循环中的关键设备 付立宸7/24/202226CO2 Refrigeration cycle二氧化碳制冷循环二氧化碳的节流损失 根据热力学原理，在节流过程中系统对环境做功 -W=p2V2-p1V1（V1及V2分别为始态和终态的体积。）又 Q=0，且 U=Q-W=-(p2V2-plV1)所以 U2+p2V2=U1+p1V1即 H2=H1 所以节流的热力学实质是焓不改变，或者说它是一个等焓过程。7/24/202227CO2 Refrigeration cycle二氧化碳制冷循环跨临界二氧化碳循

10、环 亚临界循环（一般循环）（气-液-汽） （液-汽）W=p1V1-p2V2=15x10-5x10=100跨临界压差大比体积变化不大W=p1V1-p2V2=14x10-10 x13=10亚临界压差小体积变大7/24/202228CO2 Refrigeration cycle二氧化碳制冷循环TS 在T-S图中能明显看出同一种工质的跨临界循环和亚临界循环（相同制冷量）中能量的损失（熵增）的差异。 但是二氧化碳的临界温度很低，其亚临界循环中的冷凝器进口温度会过低以至于无法跟环境换热，达不到排热的效果7/24/202229CO2 Refrigeration cycle二氧化碳制冷循环 由于CO2临界点低

11、(31.1 , 7.328 MPa), CO2作为制冷剂在空调工况适宜采用跨临界循环,而CO2跨临界循环节流损失非常大,在相同当量冷凝温度情况下, CO2循环的效率比常规工质低20% 30%(见表1)。但CO2跨临界循环的容积膨胀比是2 4,回收的膨胀功约占压缩功的25% 30%。相关文献的分析也表明,单级压缩带膨胀机CO2制冷循环的COP可超过相同工作条件下R22或R134a的简单循环的COP7/24/202230汽车CO2制冷系统 向铎7/24/202231CO2 Refrigeration cycle二氧化碳制冷循环汽车二氧化碳空调系统-by 向铎7/24/202232CO2 Refri

12、geration cycle二氧化碳制冷循环汽车二氧化碳空调系统R134a：ODP=0，GWP=1300 二氧化碳：ODP=0，GWP=1R1234yf： ODP=0, GWP=4 （易燃、微毒）7/24/202233CO2 Refrigeration cycle二氧化碳制冷循环汽车二氧化碳空调系统7/24/202234CO2 Refrigeration cycle二氧化碳制冷循环汽车二氧化碳空调系统7/24/202235CO2 Refrigeration cycle二氧化碳制冷循环汽车二氧化碳空调系统7/24/202236CO2 Refrigeration cycle二氧化碳制冷循环汽车二氧

13、化碳空调系统7/24/202237CO2 Refrigeration cycle二氧化碳制冷循环汽车二氧化碳空调系统7/24/202238CO2 Refrigeration cycle二氧化碳制冷循环汽车二氧化碳空调系统7/24/202239CO2 Refrigeration cycle二氧化碳制冷循环汽车二氧化碳空调系统7/24/202240复叠式CO2制冷系统 吴寒7/24/202241CO2 Refrigeration cycle二氧化碳制冷循环1.复叠式制冷原理系统低温级以CO2为制冷工质，高温级采用NH3或R290等其他工质。为亚临界循环温度区域从下到上分为低温、中温、高温。7/24

14、/202242CO2 Refrigeration cycle二氧化碳制冷循环7/24/202243CO2 Refrigeration cycle二氧化碳制冷循环附件通天塔7/24/202244CO2 Refrigeration cycle二氧化碳制冷循环2.CO2复叠式制冷的优势1.制冷温度较低，可达到-50 以下。2. 压缩机理论输气量小，可以减小机组的尺寸。3.系统运行的稳定性提高。 CO2在蒸发温度较低有足够的蒸发压力,复叠式制冷系统保持正压，空气就难以从外界渗入。4. CO2复叠式制冷系统在-35以下的制冷中效率高，可以减少高温级循环的制冷剂充注量，是常规系统的1/10。5. 当需要两

15、个制冷温区时，是很好的解决方案。7/24/202245CO2 Refrigeration cycle二氧化碳制冷循环通天塔由图显示，在蒸发温度为-35时，采用CO2复叠式制冷系统和氨的双级制冷系统对系统的值并没有大的影响，但如果蒸发温度更低的话，釆用CO2复叠式制冷系统，可以提高系统的COP值。7/24/202246CO2 Refrigeration cycle二氧化碳制冷循环低温级冷凝温度对系统COP值的影响且系统的值随着低温循环冷凝温度的改变会出现一个最高值。当蒸发温度为-30 的时候，出现的最高的值为-8.9 当蒸发温度为-40 时，值的最高点出现在-10 左右当蒸发温度为-45 的时候，值的最高点则出现在-12.5 7/24/202247C