二氧化碳跨临界循环在热泵热水机组应用研究

明士去明尸本人郑重我所呈交的是我个人在导师指导下进行的研究，作取得的研究成果。尽所，除了文中特别加标注和致谢的地方外， ， 或为使用过的成果与我一同工作的同志对本做的所有贡献均己在中作了明确的说明并表示了致谢。申请与资料若有不实之处本人承担一切相关责任。关 使 的说

日期年Ob月06本人完全了解西安建筑科技大学有关保 、使用的定，雪贮 学校保留送交论文的复印件，允许被查阅和借阅学校可以公雪贮’的全部或部分内容可以采用影印、缩印或者其 保存（的在后应遵守此规 作者签

导师样日期t>6.p.注请将此页附 首页西西安二氧化碳跨临界循环在热泵热水机组的应用研

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乔丽李树林教授 CCsHCCsHCsHCCs。世界各国的初步研究表明二氧化碳跨临界循环装置适用于热泵热水系统，具有很大的发展前途。R744工质的历史及研究现状。COP的、较全面的评价。压侧压力的方法。 跨临界循 热 气体冷却StudiesonTranscriticalC02CyclesAdoptedinHeatPumpWaterBeater

Specialty:Heating,VentilationandA让Conditioning QiaoLi Prof.LiAtpresent,environmentalproblemshave eaglobalone,amongthemozonedepletionandgreenhouseeffectwhich盯ecloselyrelatedtoepeople’shealthandlifehavedrawnagreatattention.DischargeofCFCsandHCFCswidelyusedinre企igeratingequipmentsisoneof也em离jorreasonsforozonedepletionandgreenhouseeffectaswell,andwillbephasedout.AlternativerefrigerantHFCsisnotaproperone.Forlongtermconsideration,naturalrefrigerantisthemostsatisfiedsubstitutes.ηiefeasibilityinvestigationaroundtheworldshowedattranscriticalC02cyclesiswanningeffectSincetheinvestigationjustbeginsmuchworkneedstobedone.ThispaperstudiestheC02whichoneofnaturalrefrigerant, yzesitsthermalproperties,thecharacterofC02cycle,tomaketranscriticalC02cyclemoreperfect,andyzestheeconomicfactors也attranscriticalC02cycleusedinheatpw丑pwaterheater.First,thispaperyzesthesignification,thepurpose,thecircumstanceofalternativerefrigerantinglobal,theemphasisofsubstitution,thenrefertoatthenaturalre企igerantistheonlykindwaytoenvironment.ThispaperalsointroducesthehistoryofC02出re仕igerant.Inviewofthefactthattheevaluationofare企igerantonlybyitssimplethermodynamicalcycleysisisanone-sidedapproach,thecomprehensiveevaluationofC02refrigerantisconductedintermsofenvironment,safety,thermophysicalcharacters,compressorefficiency,priceandsoon.Basedonairconditioningcyclesimulations,theinfluenceofthesystemtemperatureandgascooleroutlettemperatureonthecycleCOPintranscripticalC02isyzed.Itisshown也atanoptimalheatr司ectionpressureexitsto且 COP.Then,thepaperyzeshowtoderivetheoptimalheatrejectionThefeasibility,theadvantage,theeconomicalfactorareyzedbycomparisonwithotherkindsofwaterheater,suchasnaturalgas,oil-fired,andsoon.Then,yzedtheexergyefficiencyofthesystem.:naturalrerigerant,transcriticalC02cycle,heatpump,gas西安西安 第1章绪论 . .. 制冷工质替代问题的提出. . 保护大气的国际行动. .... 《关于破坏臭氧层物质的蒙特利尔议定书》 ..《议定书》 国内外制冷工质替代的方向

·· ..二氧化碳作为制冷工质的历史及研究现状. 第2章二氧化碳工质的综合评价. 环境和安全性能 ······· 2.1. GWP和 安全...

...热物理性质和传输性能

... .

热力学性质与循环性能的关 · .. 传输性质与循环性能的关系········ 压降与饱和温度降的关系

其它因素

... 来源和价格 ····· 稳定性和相 ... 第3章二氧化碳跨临界循环分析 二氧化碳跨临界循环模拟...

二氧化碳跨临界制冷循环最优高压侧压力问 蒸发温度Te和气体冷却器出口温度T4对循环性能的影响 二氧化碳跨临界循环方式·········... 西安西安本章小结.. . 二氧化碳跨临界热泵型热水机特点.. ... 二氧化碳跨临界热泵型热水机理论分 二氧化碳跨临界热泵型热水机热力经济性指 . 曹 二氧化碳跨临界热泵热水机性能分析 几种加热方式经济性分析 ’ 本章 第5章二氧化碳跨临界系统热力学分 ... 二氧化碳跨临界循环炯分析 ... 二氧化碳跨临界循环系统火用分析结果 二氧化碳跨临界热泵热水机组各参数对系统炯效率的影 本章小结 . 6章结论与展结论..

·

. ... .谢.. 参考文献 . 附录攻读阶段.... .. v西安西安1章绪，从1834年人波尔金斯（Perkins）试制成功了第一台以乙隧为制冷剂的蒸， 为现活不可缺少的一部分尽冷方式有许多种，如吸收式制冷、吸附式制u血液”发全球每年制冷剂消耗量达数百万吨左右［30）无论制冷剂的回收工作做的多么气可以达几十年甚至几百年。制冷工质替代问题的提自2030CFCsHCFCs201974年，美国学者S•RowlandM•MolinaCFCs臭氧（03）是一种在地球大气中的气体，分布在离地面 60km高度的大气 流层这一分布区域叫做臭氧层臭氧能吸 辐射波长在300nm以下的紫外线 主要是部分 （波长段320290nm）和全部uv-c（波长小于290nm）的紫外线促使这些物质化学分子破裂释放出氯原子这些氯原子与臭氧发生化学Cl+03→Cl0+02ClO+O→Cl+02在化学反应中氯原子只起催化剂的作用本身并没有消耗 被紫外线破坏并产生氧气但这个过程和与之相反的反应 （从氧到臭氧〉在地球的整个历史中一直同时存在并处于平衡状态所以在人工合成的化学品出现前，PAGEPAGE2大气中的臭氧量一直保持相对不变尽管一定量的紫外辐射对生命来说是必要的但过量的紫外辐射却非常不利如使患皮肤癌的可能性增加，使患白内障的机会增多破体免疫系统降低农作物产量和使质量劣化等等。1985年2英国南极队队长法曼(J·Farman）首次从1977年起就发现南极洲上空的臭氧总量在每年9月下旬开始迅速减少一半左右形成臭氧空洞持续到 11 逐渐恢复这一引起了世界性的随后世界上多个国家对全球各个地面观测站保存的历史记录进行分析进步证实了大气臭氧总量正在减少并主要发生在臭氧层［）臭氧层与人们的生活关 是人类赖以生存的“保护伞”臭氧层消耗引起世界范围内学者和专家的高度重视。 此外，，科学研究发CFCs和HCFCs物质为温室气体，可以增强地球温室效。 蒸气、二氧化碳、大部分制冷工质和其他气体都为温室气体，可以产生温室效应。，对于生命来说室效应是很重温室气体过量排放会使大气成分发生变化地球表面的平均温度升高暖将造成自然灾害频发疾病横行海平面上升淡水供应紧张这些对地球来说将是性的。臭氧层破坏和全球气候变化是当前世界所的主要环境问题CFCs和HCFCs物质破坏臭氧层加温室效应使臭氧层减薄对全球气候变暖有定作用，引起了国际反响大气资源是人类共有的资源是人类生存和发展的最根本和淘汰CFCsHCFCs保护大气资源成为世界各国和地区的共同保护大气的国际行《关于破坏臭氧层物质保护臭氧层的全球合作始于1985年保护臭氧层维也纳公约的协商与缔结。在联合国环境规划署CUNEP）的倡议下，1987年9月16日24个工业国（包括欧洲经济）在蒙特利尔签署了《关于破坏臭氧层物质的蒙特利尔议定书》，限制使用对臭氧层有破坏作用的物质国际上正式规定了逐步削减CFC物质生产与消费的日程表紧接着蒙特利尔会议又在海牙、赫尔辛基、伦敦、内罗毕、和等地举行了会议多次修订了《蒙特利尔议定书》的内容缔约国大会先后通过了《伦敦》（1990年〉、《 》（1993年）《蒙特利尔》 （1999年），这些不仅逐步扩大了对消耗臭氧层PAGEPAGE5O质ODS 定了限用日程表而且还加快了淘汰的步伐。因为臭氧层的破坏总量的严重性和紧迫性变得越来越清楚了的国家，制定了逐步禁用DS的时刻表。我国已于1991年正式宣布加入经修订的《蒙特利尔议定书》，并1993年提出了《中国消耗臭氧层物质逐步淘汰国家方案》到目前为止得到大部分缔约国认可的 特利尔议定书》及其后的伦敦和详细规定了发达国家与发展中国家ODS的不同的淘汰期限：O1CFCs工发达国家己从1996年1月1日起生产和使用发展中国家将要求(1)；2年的平均水平削50%;(3)200711削减85%201011日，削减100%。)HCFCs工对发达1996年起冻结生产量，2004年开始削2020年新设备中设备中的HCFCs可使用到2030发展中2016年开始冻结生产量2040年完全停用。《蒙特利尔议定书》及其对HCFC物质的禁限要求一直在作调整。欧洲HCFCs态度比较积极。《议定书年在巴西里约热内卢签署的《气候变化框架公约》中己对全球变暖总量进行了讨论年月在东京召开的《气候变化框架公约》第次缔约国会议上签署了《议定书》（KyotoProtocol)。在该议定书中确认了温室气体对全球气候变化的影响明确了C02甲炕Cl-LJ、NiO、SF6氯氟侄类CFCs含氢氯氟侄类HCFCs 和氢氟经HFCs 等“温室气体(GreenhouseGases）”的范围并要求发达国家首先将温室气体的排放量冻结在20世纪90年代的水平，进而20082012年期间在此冻结水平基础上将温室气体排放量削减5.2%，发展中国家没有减排义务。1998年中国签署《议定书》2002年核准了议定书2005年2月16日《京都议定书》成为认可的国际法。国内外制冷工质替代的制冷空调行业为了适应CFCs和HCFCs工质的淘转轨使用HFCs，人一直认为HFCs是CFCs制冷工质的长期替代物现在《议定书》又将HFCs列入了温室气体中要对它们的排放加以控制。国内外制冷空调行业均在探索如何总结历史经验，寻求正确、科学地解决由于环保要求制冷工质替代问题，力争少走弯路、、为了应对环保要求的在寻找、开发替代制冷工质的过程中，逐渐形成了两种替代路线即以为首的国家仍主张使用HFCsP呵包括开发纯组分的新一代制冷工质或二元、三元共沸和非共沸混合物德国等欧洲国家主张、、 用自然工质包括HCs、C02、NH3等HFCs。在儿乎所有过去采用CFCs的制冷设备包括大多数的白色家电、汽车空作为它们的长期替代品[16）学者认为，R410A将会是未来的主要制冷工质。。HFCs的臭氧耗损潜能值ODPOzoneDepletionPotential）能值GWP较高（如HFC134a的GWP100高达1300）。采用HFCs还需要生产的压缩机和采用与其相容的辅助材料。空设备生产厂家中用HCHCCsHFCsHFCs对矿物泊的溶解能力极差［1］。对于HFCsGWP高系统循环效率来改进，并提出制冷空调设备应以变暖影响总当量TEWI(TotalEquivalentWanningImpact）来全面地评价制冷工质温室效应的指标（33］l一1是文献［1］给出的TEWI的计算式。TEWI=GWP×LXN+GWPXM×(1-a)+N×EX Cl-式 GWP一每千克制冷工质相当于多少千克C02(kgC02M一制冷装置中工质的充注 （kgG一制冷工质回收的比例 （%〉；L一每年制冷工质的泄漏量 （kg年）；N一制冷装置运行寿命（年）：E一制冷装置年耗能（kWh年）：自一发电排放的C02的量（kgC02/kWh）TEWI不仅包括工质本身的直接温室效应且还包括因装置耗能而排放所产生的间接温室效应［IS］［］TEWI作为评定制冷工质温室效应的标准比较全面仅反映了制冷工质泄漏到大气中去而造成的温室效应虑到制冷机使用了这些（GWP及泄漏等）的影响而且还受到一些其他因素的影响如制冷装置的设计密封程度、使用期限消耗能源的产生途径等等。空调到大气中去少泄漏量只不过是延迟了排放时而且在许多设备中制冷工质的密封仍是有待解决的问题。因此，以减少制冷剂用量、减少泄漏量和提高系统循环效率来改进HFCs制冷装置并不是减小HFCs温室效应的最终解决办法）

氨C价格便宜性能易检漏含水量余径小压力和冷凝压力适中尤其是CFCs禁用后为制冷工质的应用范围进一步扩大。但［4］）碳氢化合物CHCs目前作为制冷工质使用的碳氢化合物主要是丙皖CHC290）CHC600）CHC600a）等。所有常用的工程材料和润滑油都能兼容且容易格低廉为碳氢化合物在自然界中已不会改变自然界碳氢化合物对温室效应没有HC用于充灌量较小的制冷设备［藏和冷冻冰箱。但碳氢化合物做CFC及HCFC的替代物的致命缺点是它们均定量的空气混合会一些国家对于HCs的应用仍持怀疑态度因此其应用也受到）二氧化碳C二氧化碳作为制冷工质的历史可以追溯到100多年以前，但由于二氧化碳的界温度1.1℃）环境温度稍的循环效率和制冷能力迅速下降直至氟利昂类制冷速被其替代。作为一种已经使用过应用研究［12］。二氧化碳ODP二0,GWP=I，如果用于制二氧化碳是化工副产其实际温室效应也为零不燃与常用制冷设备材料和润滑油都相容价格PAGEPAGE7低廉优良的流动和传热特性，与制冷循环和设备相适应的热物理性质在自然工二氧化碳被认为是最有可能适用于蒸发温度为4010℃的各种［32]CCs和s才是解决环境问题唯正确的方式。前国际制冷学会tavornn提［］非自然工质已经起了意想不到严重的环境问题CC的性的影响而被禁用。用新的人工合成化合物代CCs的趋也可能会重蹈的自然制冷工质［。二氧化碳作为制冷工质的历史及研19世纪80年代至20世纪30年代，二氧化碳作为制广泛地应用于制冷当时最为常用的制冷工质之一。作为制冷工质最初是由人Twining1850年提出并获英国专利ThaddeusSCLowe第一次成功的将二氧化碳应用于商业制冷机1869年制造还设计了一种船用制冷冻肉此之前二氧化碳得到了一定程度的应用，但是直1886年德国人FranzWindhausen成功设计了二氧化碳压缩机以二氧化碳制冷工质的使用才有了显著的发他因此而获得了英国1887年英国的J&EHall公司了这项专利经过进一步改进后于1890年开始投入生在船上得到广泛的取代了原先使用的空气压缩机。20世纪40在英国的船上己广泛采用了二氧化碳压缩机37%37%冷其余的20%则用氨制冷机。，19世纪90年代开始将二氧化碳应用于制冷。1897年，KroescBros统中得到应用；1925年干冰循环用于空气调节，1927年在的空调系统中，公共设施的空调制冷系统中早期制冷技术水平比较差氧化碳较低的临界温度C31.l℃）高的临界压力C73.8b缸）较低的水或海水基本属于亚临界循环。当水温较高时（如热带海洋上行驶的轮船冷却水的温度可接近30℃），其制冷效率会更加下降1931 为代表的CFC制冷工质一经开发便以其无毒、不可燃不无刺激性、适中的压力和较高的制冷效率，很快取代了二氧化碳的位置最后一艘使用二氧化碳制冷机的轮船在1950年停止了工作。如前述由于CFCHCFC对臭氧层和全球气候变化的不利护环境实现CFCHCFC替代成为全世界共同关注的问题近年以二氧化的二氧化碳跨临界循环在汽车空调、热泵领域的应用引起了广泛关注IEASelectedWorkingFluidinCompressionSystems的三年计划项目合作研究以二氧化碳为工质在汽车空调、热泵冰箱及其它领域的应用挪威S剧TEF的Lorentzen和Petterson，对二氧化碳跨临界制冷循环用于汽车空调和热泵等领域进行了广泛的理论研究建立了专门的实验台德国的Quack等对火车空调用跨临界制冷循环系统作了理论分析Purdue大学Maryland大学Douglashe和Hwang等对有膨胀机的跨临界制冷循环系统作了理论分析德国Essen大学S idt，分析了干燥系统应用二氧化碳制冷循环的可行性。德Kruse、荷Oostendrop及Saikawa,考虑了二氧化碳跨临界制冷循环在供热系统中的应用得出了在热水供应时二氧化碳跨临界制冷循环系统性能高于传统工质朗肯循环的结论。、。、国内交通大学也都开展了二氧化碳跨临界循环的研究交通大学易初通用机器有限公司于2003年成功联合研制了国内第一套二氧化碳汽车空调系统样机与实验台欧盟己经制定相关将于2011年全面使用以二氧化碳为工质的汽车空调系统停止HFC134a为工质的汽车空调系统。、。、节能和环保是21世纪科学技术发展的两大人们广泛应用的制冷空调和热泵系统，由于本身耗能和传统制冷剂对环境的破坏的节能和制冷代成为制冷空调领域前沿课题开展工质替代的研不仅是全球环境保护的需要，同时对我国制冷和空调行业来说也是机遇和力争主动开发我国拥有自主知识的产品和设备为保护生态环境做出贡献。在各种能量消耗的最终物理形态中以热消耗最大，且以小100℃的热消耗PAGEPAGE9热力学分析研究表明在小于100℃的热消耗领域内热泵节能技术有很好的应物减少二氧化碳的排放。热泵技术的发展有利于合理利用自然资源有利于根据统计，1996机组中，电驱动热泵占90%，吸收式热泵只占了10%热泵的主要形式泵中CFCs和HCFCs工质的替代工质首选的为HFCsHFCs工质也存在潜在的环境只是过渡性的替代物最终的替代物必然是与环境完全相容的自然工质。R744特性进行分析研究进一步完善R744循环并对其应用于热泵型热水机的可行性、经济性等进行研究分析。(1）工质替代问题的提出及替代的意义研究重点。史及研究现状。(2）二氧化碳制冷工质的综合评价。从环境和安全性能和传输性、压缩机效率等方面对二氧化碳制冷工质做综合的、较全面的评价对比二氧化碳和其它几种常用工质的热工特性。(3）二氧化碳跨临界循环参数分析在空调制冷工况下模拟二氧化碳跨临界(4）对二氧化碳工质应用于热泵热水机建立模型进行研究对应用的可行性(5）二氧化碳氧化碳跨临界循环系统能源利用情况进行评价。2章毒性等等一些因素。良好的热力学物性。（101.325kPa下的饱和温度）封的要求； （蒸发温度与冷凝温度）时气化潜热要大以便使单位工质有较大的制冷能力：制冷工T→S图上的饱和蒸气、饱和液线都要化潜热的范围内：环保与安全性能良好。良好的的电气绝缘性。价格便宜，7）容易获得。环境和安全性GWP众所周知，CFCsHCFCs被禁用的原因就在于它的GWPODP太大。根据2一l碳的ODPOGWP1CFC12HCFC22的GWP和ODP都远大于二氧化碳：虽HFC134a的ODP=O但是它的GWP仍然较大，HFC134a的GWP以100年和20年为标准分别是二氧化碳的｝200倍和1200倍。C02是与环境最为友善的工质二氧化碳与CFCs和HCFCs及HFCs相比具有优势。裂时会引起安全问题。实际上由于二氧化碳的单位容积制冷量比→般制冷工质大得如表2一1所P与制冷容器和管路V能（能系统发生或破裂时制冷剂膨胀所释放的能量它代表了发生破裂时可能造成的破坏程度）所以二氧化碳的危害性在技术上是不难克服的。 个典型的二氧化灭火器释放的能量多而且制冷系统在保护系统的与保护下机械系统的视，有关政策也必然会倾向于环境性能优越的制冷工质。表2- 几种制冷工质主要性能指标比 摩尔质量（臭氧层消耗指数COOP℃MPa℃k:J/m3--是”-是--3-是31.--否 ℃时的蒸发焰除以饱和蒸热物理性质和传输性热力学性质与循环性能的关临界点和饱和液体比热容是工质热力学性质中与循环性能关系最密切的两个参数过热蒸气及节流的不可逆性要大［4］TsCOP就相对较低。图2-1示出了几种制冷工质温一精曲线图［4］该图可以定性地评价热力学性质对COP的影响。图中（如饱和液体为0，饱和气体为1）在同样的蒸发和冷凝温度下，二氧化碳运行温度偏离临界温度的程度远远低于常规制冷工实际上31.1℃COP比较低（本文的基本循环是指没有过冷器内部热交换器（回热器）和膨胀功回收装置的热力循环）。定的缺陷但是注意的是，根据热力学第二定律理论性能系数只与所实现的热力过程有关工作介质的热力性质要两个热源的温度确定以后，理想循环的COP就确因此COP并不是工质的内在属性。己故前国际制冷学会G•Lorentzen曾在文章［34］中提到一昧的寻找新的化合物来做替代制冷工质，让它迎合某一特定的循环是错误的工质的高效的循环过程。“为化学的一个分支学科

可以提高系统的性能系数 µ

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1.回2-1几种制冷工质温一(s西安西安的流动损失等等不可逆损失。显然用理论循环COP作为唯一的指标来衡量二种工质效率的高低并不全面。事实上基本理论循环COP越低的工质循环改进的余地也越大二氧化碳和各种工质循环COP的差距完全可以通过循环的改进（ 流机构等等）来缩小。-+-

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t（图2- （2-2件的设计带来一些新的要求。本文中所有制冷工质的热物理参数都是采用CoolPack中的Re仿igerationUtilities单元各制冷工质的物性参数。如果说热力学性质决定了基本理论循环COP接关系到实际系统的COPCOP的程度。这对2-2示出了几种工质的热物理性质比较。从表中可以看出二氧HFC134aCFC12和HCFC22失和节流后制冷剂在蒸发器各管道中的平均分配也是十分有利的表2- 。。。。(kglm3(位J/(kg.(kJ/(kg.(µPa.(µPa.(W/(m(µPa.(W/(m(µPa.统的统的COP。一般规定制冷工质通过蒸发器的压力损失不应该超过与蒸发温度变动 应的压力变化而不同的工质的饱和温度曲线的斜率是不同的因此对于不同工质，蒸发器允许的压降是有所不同的。从图2-2的斜率大于其它几种工质说明西西安此气体冷却器内允许有较大的压降。压缩机理论上工质的摩尔量 （分子量） 越小蒸气定压比热容越大循环压缩比越小对提高压缩机效率（容积效率和等剧效率〉越有利从表2-1和表2-2中的有关数据可以发现，二氧化碳的分子量CFC12HCFC22和HFC134a小得多饱和蒸气比热容却比其它三种制冷工质大，而且压缩比CFC12HCFC22和HFC134a小因为二氧化碳的绝热指数K值高压比小可减小压缩机余隙容积的再膨胀损失使压缩机的容积效率较高因此二氧化碳压缩机效率理论上比其它几种制冷工质的压缩机效率要高。全球都在积极开发二氧化碳压缩机1989年至1997年，挪威科技大学制冷空调系（N1NU）氧化碳压缩机油相等娟效率等进行了全面综合的测试研究了用于汽车空调和热泵的全封闭往复式压缩机，以及用于热泵热水机的开式往复式压缩机他们的实验研究结果表二氧化碳压缩机能够取得比较理想的等娟效率并在余隙容积损失吸气损失等方面具有尤其是在高转速低压缩比的情经过实验和理论研JurgenSUBHorstKruse认为往复式压是柱塞和轴塞式压缩机凭借油润滑，在气缸壁和活塞之间存在良好的油膜滑动密封，成为二氧化碳系统的首选［10](26］通过研究压缩机内部的各种压力损失气体和气缸壁的传热、以及气缸泄漏对二氧化碳压缩机性能的影敏：一般情况下，压缩机的指示效率和吸排气阀门损失有很大但是由于氧化碳压缩机的吸排气压力差以只要设计适合机内克服流动阻力的压降基本上可以忽略不计此吸排气阀门对于指示效率的影响较小排气压力有比较大的影响是通过合理的设计可以降低到允许的范围之内气体和气缸壁的传热对于压缩机的性能影响可以忽略。二氧化碳压缩机具有很好的等统在未来的应用不会存在任何。其它因来源和作为制冷剂使用的二氧化碳主要有两个来源天然二氧化碳资源和工业副产1983、7Mpa98%52.2平方261.48x108m3提纯等处理后都可以作为制冷或热泵工质。、二氧从表2-1可以比其CFC12和HCFC22的10%HFC134a的2.53.5%,在价格上二氧化碳有明显的优势。稳定性和相容性［相容油矿物油HFCs本章小大的不足之处在于基本理论循环COP3章二氧化碳的临界温度接近环境温度根据循环的外部条件可以实现三亚临界界循环超临界循环临界循环与普通的蒸气压缩式制冷循环完全一样临界循环与普通的蒸压缩式制冷循环完全不同的循环都在临界点究的跨临界循环则是蒸发过程在临界点以下却过程在临界点下文将做详细基本原二氧化碳跨临界基本循环系统由压缩机、气体冷却器节流阀器组成，循环系统如图3-1循环原理与一般的蒸气压缩式制冷循环略3-2为循环p-h图及T-s示意图。1-2为压缩过程压缩机的吸气压力低于临界二氧化碳在压缩机中压力2-3为冷却过换热过程依靠二氧化碳的显热来完成，工的冷却过程与在（雪气或水等〉所冷却，降温放出热量：-4为节流过程节流阅节流减压化碳从超临界压力降到临界压力以下的蒸发压力1在亚临界状态下利用二氧化碳的蒸发潜热在蒸发器内气化吸热。3节3节流间压缩机4图3-1 22234' ，图3- 2-3冷却过程二氧化碳处于超临界区无饱和状态，二氧化碳始终处于气，整个过程二氧化碳的温度不断变化有较大的温度滑移。因此，高压端换热器也不再称为冷凝器CCondenser）而叫气体冷却器（GasCooler）在气体冷却器内采用冷却介质与二氧化碳工质逆流的换热方式 损失小，压缩机耗功少。二氧化碳跨临界循环在空调制冷工况下，对二氧化碳跨临界循环进行了循环模拟工况采ARI520-90闷，蒸发te=7.2，冷却器出T4=54.4°C，过热Tsup=l℃，压缩机定娟效率Tls0软件采用制冷计算套件coolpack(version1.46）3-3示出了CoolPack3-3a所示界面为二氧化碳跨临界循环p-h图。1点为压缩机状态点，2为压缩机出口状态点3为高压侧工质进气体冷却器状4为高压侧工质进入回热器进口状态点，5为高压侧工质进入节流阀的状态点，6为节流后的低压工质进入蒸发器时状态点，7为低压侧工质进回热器状态点8为低压侧工质出回热器状态点。CoolPackII VSJS:TRANSCRITICALONE-STAGEF F ιoadl苗Saveιoad

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3-4由图3-4可以看出当冷却器出口温度低于二氧化碳的临界温度（31.1℃）时，COP随气体冷却器出口温度变化基本呈线性，无拐点，例如，冷却器出口温度T4=30℃时即如此。而当其高于临界温度时则出现了拐点，说明COP在某一特定的压力之下有最大值，即当气体冷却器出口温度一定时存在一个最优压力，使得系统的循环性能达到最优。称该压力为最优高压侧压力 Popto压力增加而上升的幅度有所减小3-2b）可以看出当高压侧压力升高时环由1-2-3-4一1变为1-2’ 条直线所以压缩功随高压压力的增加几乎按直线上升因此当蒸发温度te和气体冷却器出口温度T4保持不变时，随着高压压力的变化，COP必然存在最大值。3-5示出了在不同蒸发温度下Popt随冷却器出口温度T4的变化情3是其计算值。表 R744最优压力P(MPa）随蒸发温度te变te=-I)ι8

-

企te=-T4图3-5最优高压倒压力随冷却温度变化由图3-5可以看冷却器出口温度升高Popt也趋当蒸发温度升高时，Popt趋于Popt随蒸发温度变化不显著冷却器出口温度的变化十分基本呈线性关系。Popt可以用微分的方法求得根据制冷系数定义式 ＿＿.：.！.，当气体冷器h2-口温度T4和蒸发温度te不变，则当一

0E求得的Pg便为最优高即最优高压侧压力由下式确定一P＝I（-I一P＝I

(3-文献［18］给出了二氧化碳气体冷却器最优高压侧压力的拟合式Popt二（2.7529-0.01360te)T4+(0.3109te一8. 表 Popt拟合式结果（MPate=7.2te=-10本文模拟值与上式拟合值对比误差在33-6所示。0.0.．

”te

-0.一0.-0.

。· 。·

←te=7.企te=-固3- 本文模拟值与实验拟合值误二氧化碳跨临界循环节流前的高压工质不是冷凝液体环境温度对系统性能的处于Popt附近，对于提高循环效率有其重要的意义调节高压侧压力使其处于Popt过调节节流阀的开度，改变瞬时工质的流量来实现［2］到调节高压侧压力的目的。TeT43一7示出了二氧化碳跨临界循环过程Te和T4对循环变化曲线所有的模拟都是在系统处于最优高压侧压力的条件下进行的3$至表3一幅分别是图3-7的计算值。表 R744达最优压力时压缩机排气温度随蒸发温度也变化，单位为飞tc=7.2乌1o,,,µ+-'

--+-←te=7. te=-

回3- a 压缩机排气温度t随T.s变表3-- R744达最优压力时qv随蒸发温度fe变化，单位te=O飞飞』>

T4

-+- te=7.也te=-图3一7 qy随T4变3一尊R744达最优压力时COP随蒸发温度也变化斗3.斗3

2.1.

te=O te=7.te一0.

回3- 最大COP随T4变表 R744达最优压力时压缩机压缩比随蒸发温度也变te=Ot,,=7.2te=-106 t萨 tfF7. te=-32 飞图3-7d 压缩机压缩比随T4变表3- R744达最优压力时qo随蒸发温度也变化单位为Ote=-102

T4

-+-._te=7.企一te=-图3- 表3R744达最优压力时Wo随蒸发温度也变化，Te=-l38.

-+-'.2?

←te=7. ←te=7.t4图3-70单位质量压缩功Wo随L

企由图3-7可以得出以下结论：(1 当蒸发温度te一定缩机排气温度随冷却器出T4的升高而升而当T4一定缩机排气温度随蒸发温度的升高而减小。2 当te循环单位容积制冷量qv随冷却器出口温度升高而T4一定时，qv随te升高而增大。teCOPT4的升高T4一定时，COP升高而增大。当te比随T4升高而增大T4一定缩比随te升高5 当te单位质量制qo随T4升高而降T4一定时，qote升高而降低。6 当te量压缩机耗功Wo随T4升高而T4一定时，Wote升高而降低。从图37可以再次发现T4COP的影响随着T4的增加，COP下降的很快二氧化碳跨临界循环的这个特点非常重要因为它了改善、提高COP的一个方向t在满足实际需要的情况可能降低气体冷却器出口T4这也冷却介质温度定的情体冷却器的出口温度与冷却介质的温差应尽可能小。此外，由图3-7还可以看到却器出口温度不太高，蒸发温度不太低件下，二氧化碳跨临界的循环性能系数可达到3.0COP提高的潜力。循环的单位容积制冷量qv可以减小压缩机的虽然排气温度但压缩比不大因而压缩机本身不用冷却。

二氧化碳跨临界循环方式［二氧化碳跨临界的基本循环性能不高其它工质循环性能相比没有特别的竞，以提高循环二氧化碳跨临界基本循环在普通工况下蒸发器干度可达%[严重影响温流体和来自蒸发器的低温蒸气进行内部热交换过热。cBDAA一压缩机B一气体冷却器C一内部换热器D一节流阀E一蒸发器F为了防止压缩机液击和方便回油并且便于系统对高压侧压力的控制系统在（Receiver）［2］图3-8是挪威技术大学G'Lorentzen教授等二氧化碳跨临界循环系统图。跨临界系统由压缩机A气体冷却器B、内部热交换器C节流阀D、蒸发器E与储液器F组成封闭回路气体工质在压缩机中升压至超临界压力然后进入气体冷却器中被冷却介质所冷却为了提高系统的性能系数 西安西安发器E内汽化，吸收周围介质的热量。此外，由于二氧化碳跨临界循环压缩比较小 （占压缩功的 25%）可以应用膨胀机代替节流阀来提高系统效率（25］。这样不仅可回收相当 较大，为防止压缩机实际压缩过程偏离等娟过程太远 、排气温度过高，还可以采用双级压缩来提高压缩机的效率。 本章小COP高压侧压力可用微分的方法求得。采级压缩等方式来完善。贮液器在循环中起到了重要的作用。4章二氧化碳跨临界热仅40100的热效率，、况且现有的热水机实质上都是一种能量转换装置它能把电能的化学能或能转换为热能其系统“效率”不可能达到100%例如燃气热水机因为有高、之间［39］

，实际的制热系数仅 （）从而达到节约部分高品位能源（）学家就提出了热泵的工作原理，为人类使用低温热源了方向，目前热泵技术在、、、热泵的热源可以是空气地表水水、土壤以及生活和生产中的废热忱口建筑物内部的排热、工厂生产过程中的废热污水铁道变电所泵提升热位向生活和生产过程提供有用的热量。、、、作为热泵的热源应满足如下一些要求：Cl) 热系数2) 尽量少。(3) （。4) 泵的驱动运行是需要能量的这种能源多来自经燃烧产。，生热量转化为电力，由电力驱动热泵此 亦可经发动 （燃气，电能、液体化、气体虽然都是热源但其价值有异，电能是由其它初不一样的。二氧化碳跨临界热泵型热水机特点［II碳是→种对环境无害的环保工质二氧化碳热泵热水机从能效和环保两方面都具有很强的优势f常用工质R22和Rl34a）的热水温度一般只能达到55对于亚临界状态循环若要求较高的水温 ，则冷凝温度趋近该工的临界温度，使得热系数下降 当要求较高温度的热水时 ，只能借助效率较低的电加热二氧化碳热泵热水机由于其跨临界循环的特征 ，在气体冷却器中换热时具有较小的温，因此换热效率较，并能获得常规工质的热泵热水机所不能达到的90 热水，即使在冬季室温度较低的环境下也能正常运行 二氧碳跨临界循环热泵最大的特点就是放热过程中具有很大的温度滑移 能够实现和热媒之间的良好的温度匹配 这也是二氧化碳跨临界循环热泵最吸引人的地方。3T4有很大关系而热泵热水机的进水一般为自来水，自来水的温度各地有较大差6一20T4下运行，有较好的制热系数COPh二氧化碳跨临界热泵型热水机主要有以下特点： 靠它是使用电力但并不利用电力加热的热水装置。因为不使用电力加热，电流和生活用水完全，安全系数进一步提高。因此它没有电热水机燃气热水机使用中所存在的易触电易燃易爆易等安全问题是较为安全可靠的热水供给设备。浴也不用担心健康方面的问题而且热泵使用二氧化碳为工质是自然工质，对环境无污染。恶劣天气的影响，一天二十四小时能全天候使用填补了一般能热水机受天气、厨房、储藏问室等地方不须专人看管不须设置机房。、应用家庭洗衣所有上述都说 ，二氧化碳跨临界循环热泵热水机完全可与传统的制冷工质（R22）及其现有的替代物（R134a、R410A等）竞争。．I

水浴’ T’图4-1二氧化碳热泵型热水机流图4l示出了二氧化碳热泵型热水机的流程图图中未示出内部热交液器及电气控制元件。二氧化碳跨临界热泵型热水机理论分 热泵将低温热源的热量品位提高，需要消耗一定的高品位能量热泵的热力经济性是一项重要的技术经济指标数COPhhCOPh热量）与代价（）的比值。对于压缩式热泵性能系数COPh可以用制热系数EhEh

(4-其中Qh为气体冷却器放出的热量，P为输入功率。根据热力学第一如不计压缩机向环境的散热，则热泵制热量Qh等于从低（）Qc与输入功率PQc与P的比值为制冷系数EEh也可表示为e-P+Qc_, (4-2h1-当室内所需制热的温度一定时由于以室外空气为热源的热泵的制热系数不仅与热泵本身设计和制造的精良程度有关还与运行时室外空气温度有关外空气温度又是随地区及季节而异因此价空气源热泵用于某一地区在整个采暖季节运行时的热力经还提出了制热季节性能HSPE(HeatingSeasonalPerformanceFactor） 本文的理论计算都是以热泵的制热系数Eh的COPh都是指制热系数Eh。二氧化碳热泵型热水机研究的假设：（1）换热器（器、蒸发器）中换热时没有外部损失和压力降，并且忽略管路连接中的热损失和压(2）flO.75;(3）（4T4入水温度之间的温差为5℃；（5） 高压侧压力如果没有特别说明，都是相应工况下的最优；（6）蒸发温度Te=O℃，进口水温T,n=8℃，出口水温Tou6Q°C。本文计算采用coolpack面如图4-2TE为蒸发ATsH为过热度，APsL为吸气管线过热采取默认值11is为压缩机等情效率的制热系数等于计算出的COP加lo本文计算中一个参数变化时它参数则固定。如计算蒸发温度对制热系数的则保持高压侧压力、气体冷却器出口温度、过热度等参数固定结果如表4l和表4-2所示。图4-3a）和图4-3b）是根据表4-1和表4-2绘出的二氧化碳热泵型热水机的制热系数随蒸发温度和冷水进口水温度变化曲线。图4-4是文献［发温度为0℃。 l'.il•l:.1litSurcholcul Itindou

tTIP1easuro[MP）Quti;tteriip叫“山）['CJ』13.632 m:00422[kgilil .'11生队750[- w:3S03!1i 3 吼12(W) 固4- CoolPaek计算界4-1蒸发温度对制热系蒸发温度乌（℃

-

- 制热系数

5884.43.32.一

-te

。图4-3a 表4- 进水温度 1

1

J〉4.4.4.43.8

进水温度（图4-

6u 2 热水温度图4- 从图4-2和4-3可以看到，当蒸发温冷水进水温度不太高的情况下，二氧化碳跨临界热泵型热水机的制热系数基本保持很高的水平。即使当室外条件比较恶劣蒸发温度达到20℃系数3使二氧化碳热泵型热水机在我国寒冷地区的应用成为可能制热系数随蒸发温度升高而增大，实际工程中应尽量提高蒸发温度。制热系数随出口热水温度升高而降低当二氧化碳热泵热水机生产达到90℃热水时可正常运行但效率会降低我国冷水计算温度一般在6-20℃，在此温度范围内二氧化碳热泵型热水机的制热系数也保持在3.9-4.5左右图4-4的实验值（29]说明了当热水出口温度在60-80℃之间时，热泵热水机的制热系数都在3. 0以上。但是当热水出口温度由60℃升高到80℃时制热系数将从4.3降低到3.6。理论计算和文献（29］度为0℃，冷水进口8℃出口温度在60℃理论计算所得制热系数为4.3，而实验值为4.4左右这是因为理论计算中忽略了换热器中换热时的外部损失和压力降，并且忽略了管路连接中的热损失和压力降。在低温C35℃45℃〉的热能方面，以消耗电能或的化学能这种直接转化为热能的传统方式己经开始逐步让位给热泵制热方式统的热效率可以轻易地超出传统方式数倍以上。几种加热方式经济性工质的热泵、电加热等几种热水机的经济性进行了比较二氧化碳跨临界热泵热水机没有在市场批量以参考了其它热泵热水机组的市场价格考虑到二氧化碳跨临界热泵热水机比较二氧化碳工质价格低廉所以在其它热泵热水机组的市场价格基础上10%来计算。计算条件西安地区某宾馆36个客房108个客房21624小时供应每天消耗25.92吨热水量按每床每日120L与前面的分析计算保持一致将全年平均冷水进水温度设定为8°C行费用参考表｛43)4--J数据。耗热量计算公式［LQh=Khmq,C(t,-tL (4-L 其 Qh一设计小时耗热量（W)m一用水计算单本文采用床位数；Qr一热水用水，［L/（人.d)］或［L/（床.d)]C一水的比热容，c tr一热水温度计算中取为 tL一冷水计算温 pr一热水密度［kg/lKh5.6L1.5元100.917元100MJ/单位热值价（元岛年基本耗1.5元100.917元100MJ/单位热值价（元岛从表44可以看到二氧化碳热泵热水机的运行费用大大低于电热水机燃油和燃气热水设备的初投资要高于这三种加热方式然二氧化碳热泵供热水的初投资比行费用与另外几种加热方式相比，降低的比率很大，约是气的%7%%年运行后6.0.61.6。西西安表4- 给水温度（8888出水温度（℃3年实际耗能CI.54x年燃烧费用（万元1无无年运行费用（万元设备价格＊（万元1年总投资（万元10年总投资（串设备选用三台日IO吨热水锅［24）IO吨热水热泵，随着我国经济的发展和人民生活水平的提高生活用水已成为普通的基据了解市大专院校已100%使用空气源热泵热泵热水机组由于在各方面的优，炉成为供热水的主导方式。本章小1年后，将比燃气加热节约568405.62115.6＇ ..一届JI,z异盹陆国fL呵＇ .. u' 4u ..,.•••r ＆阳斗目仲MA'"I1CO】•/\/IJJJ5章节约能源现在是、将来也还会是经济领域的一个关键目标长期以来人们习 ，在分析能量转换过程只考虑能量的守恒性 不注意能量质的差异性在热力学参数中，常用的“内能”和“始” 都具有能的意义和量纲，其数量反映能的“量”，但均能的“质”。热力学参数“烟”是由热力学第二定律导出的并与能量的 “质” 有密切关系。能量的浪费使有限能源所提供的可用功部分地损失了［坷许多科学家现在都认识到的部位。为考查制冷系统的用能水平能量利用率的途径行能量分析析方法有两种，一种是能量分析法。是在热力学第一定律基础上的能量数量分析法分析揭示能量在数量上转换和利用的情况，从而确定系统能量利用率或能效率另法是近年来国内外逐渐推广的州分析方法这是建立在热力学第一定律和热力学第二定律上的能量的“数”和“质”统 通过分析揭示能量中大用的转换的利用情况从而确定系统的朋利用率或大用效率。能分析依据不同质的能在数量上的平衡关系去考查能量的利用程度它反映能量外部损失漏炯分析从大用值不守恒的规律量利程度即大用效率此方法不仅揭示外部有效能的损失（）造成的有效能的损失。二氧化碳跨临界循环炯分析二氧化碳跨临界循环中各部分的大用流示意图如图5-1算式如式5-式5-6[40][41］ 」图5-1州流示意图各部分的大用损失计算式如下(1)压缩机内部的朋损单位工质缩机的朋为e1，煽SJ离开压缩机后为句娟为旬耗功为内部损失为π12，环境Ton12==Ce1-e2)+w=To(s2-

5一2凝器的大用损单位工质进入冷凝器83，向外放出的热量q，冷凝器的大用损失为π23π23=e1-e3=q(T旷T)-To（句句 (5-(3)单位工质高压侧进入回热83，离开的大用为4摘为S4，单位工质低压侧进的大1S1134

(4）节流过程的大单位工质进入节流阀脑为84，出节Ss，节流过程的大用损失π45，则：45二e4-es=To(ss-5)蒸发器的朋损

(5-单位发器S6，蒸发吸收冷量qo向外放出冷量大用蒸发过程的大用损失为π56，贝lj:川市e,-eq=To(s,-s,)-（手 (5-5系统州效率为： I-

n12π23π3445+TI56

二氧化碳跨临界循环系统州分析结采用A阳520-90空气源热泵标准额定工况［町度为1.1℃，冷凝温度43.3氧化碳气体冷却器出口温度为13℃，压缩机效率为11=O环境温度为To=-8℃R744系统烟分析结果如表s-1所示。表5 器大用虫用效η占总失份从表5一$可见二氧化碳跨临界系统的大用效率为22%优于一般制冷系 （占的总比例最约

15%左右）一般制冷系统州损失中，冷凝器的损25%左右［41］而二氧化碳跨临界系统气体冷却器中规损失占的比例大为减少。就本文例子而今凝器的大用损失为6.35087kJ/kg，约为总大用损失的13.28%因为在气体冷却器中是在变温的条件下进行而冷却介质也是在变温的条件下进行的者逆流进行，降低了传热少了娟增，42.15这是因为节流过程的不可逆性受饱和线的影响二氧化碳跨临界循环冷却过程在临界点上方过程在临界点附近临界点处饱和线逐渐平坦该处不可逆损失较大。其次是蒸发器为总炯损失的24.1这是因为在蒸发器中生相变的工质是恒加热介质是者温因此传热火用损失也较大减小二氧化碳跨临界系统的大用损失的途径主要有以下几种：(1)在气体冷却器中采取制冷工质和冷却水逆流的方式：(2)采用膨胀机回收压缩功，以减少节流过程的烟损失 使蒸发温度尽量接近加热介质的温度但是时减小了制冷工质和冷却介质或加热介却增加了换热器的面加了上应综合考虑以上各项因素。二氧化碳跨临界热泵热水机组各参数对系统火用效率的影在蒸发温度为一1.1℃，冷却器出口温度为13℃，压缩机的效率0.75，环境温度为一8℃时，回热器的效率为1的条件下模拟计算二氧化碳跨临界热泵热水机组冷器出口压力对系统州效率的影响。5一事示出冷却器出口压力与系统州效率的关 为冷却器出口压力对系统州效率的影响曲线图。从图中可以发，当冷却器出口压力较小时朋效率也较低当压力增大时娟效率也随之增大但增大到一定值后便不再反而随着压力的增大而减小最后趋于稳定。表s-t的关（队在Pa)I大用效率 I 0.0.0.0.0.。6

8

圄5- 图5-3示出了冷却器出口温度与系统州效率的关系曲线计算中是在蒸发温度为一1.1巳冷却器出口压力为IOMfa压缩机的效率为0.75环境温度为一8℃时，因热器的效率为1的条件下二氧化碳跨临界热泵热水机组冷却器出口温度对系统炯效率的影响。5 是计算所得数据从图中可以发现随着冷却器出口温度升高，炯效率急剧下降下降的幅度非常大。s-JT4（ I 大用效 I I I I I I I0.0. 0.楠0匪00.0.

t（

图5-3图5-4示出了蒸发温度与二氧化碳跨临界热泵热水机组册效率的关系曲线。计算中取冷却器出口温度为13℃，冷却器压力为lOMPa境温度为8℃热器的效率为s-4是计算所得s-4蒸发温度与系统炯效率的关

〈℃）I-

-

。 火用效 I I I I I I从图中可以发蒸发温度的大用效率也趋于增大大的程度非常大。口棋

0.峙2妥o.120.0.0.0.0 - - -4

图S- 蒸发温度对系统剧效率的影本章小本文利用热力学的大用分析方法］基本一致的结论。西安西安6章结二氧化碳在环境性能、安全性能压缩机效率传热和流动与材料和二氧化碳跨临界基本理论循环COP力随冷却器出口温度的变化十分显著。 J:一一 =-&（P在满足实际需要的情况下气体冷却器出口温度T4，即(4)当蒸发温度不太低度不太高203氧化碳热泵热水机生产达到90℃5)但设备的初投资要高于这三种加热方式。6)22%在节42.15。展《议定书》堪称世界环保它了限定和最终取消HCFCs工质的产我国属于的国家燃气资源、电力资源相对缺乏所以热泵型热水机必将受到和广大用户的青睐并将成为未来市场的一匹。空气能是一种广泛存在、给予和可自由利用的低品位能源利用热泵循 严谨的治学态度、实事求是的科学态度都使我受益匪浅师长之恩难忘本人谨向我尊敬的导师致以最崇高的敬意。最后还要感谢我姑姑姑父支持我完成学业感谢我的父母给我无微不至的；感谢始终站在我身边的朋友们。川王长庆：TEWI19994期：58-王侃吕灿C02跨临界循环高压侧压力控制的热力学分析。工程热理学报，200021卷第5期：537-540管海清，马一制冷空调中C02跨临界循环方式的分冷与空调，20055卷第2期：34JamesM.CalmandPio时A.Domanski张