二氧化碳在热泵系统中的应用

二氧化碳在热泵系统中的应用

其他热物特性二氧化碳是地球生物圈的组成部分之一。它是无害的。无机性。odp（oxydevice）为零，世界供暖潜在值为gwp（全球炉渣）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。1co热泵系统采用跨临界循环的技术特点对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(Pinchpoihnt)温度对加热过程的温度分布也有一定的限制。当热汇(heatsink)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:①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COP;②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COP;③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试验样机的研制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自适应热压缩技术在发达国家和地区,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均证明了这一点。奥地利的Rieberer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COP值为4.6,比HFC134a热水器高出15%。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COP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%。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COP值可以达到3,即使在寒冷地区-20℃的环境温度下仍可以提供90℃热水。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COP值为3.53;提供90℃热水时,年平均COP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。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达国家相比尚还有较大差距,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洗衣店常用的烘干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Kl⌀cker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。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COP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COP值可达到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建成后的空调(1)供热回水温度在这类装置中,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℃;90/70℃,70/50℃,50/40℃和35/30。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COP值分别为1.8和3.5;供、回水温度为55/45℃时COP值则分别为2.4和4.4,35/30℃时COP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。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COP值高于70/50℃时系统的COP值,前者的季节性能系数SPF(seasonalperformancefactor)高出后者14%。值得一提的是,在我国的天津大学对水加热机组也进行了实验研究。(2)温度下加热机组热泵空调机组进口空气温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(Heatperformancefactor)稍低于R410A热泵,而当室外温度较低时两者相当。3应该注意的是，在构建2台机组时，需要考虑的一些问题3.1co热泵装置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况条件下是否具有可接受的循环性能系数COP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采用半封闭式压缩机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3.5～7MPa)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,可以选用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8MPa,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。OfficineMarioDorin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0.5～10.7m3/h范围内,两级压缩机则在0.6～12.7m3/h范围内,额定转速为2900r/min(50Hz)。由于CO2压缩机重量重,壳体厚,输气量相对较小,在2900和3500r/min(50/60Hz)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DENSO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。SANYO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750W)。这种压缩机的绝热压缩效率达80%以上(高压9MPa,低压3MPa,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DENSO公司生产的半封闭涡旋式压缩机被用于4.5kw供热量的热泵热水器样机中。日本的Matsushita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,它的截面由多个微尺度通道构成,每个小通道直径为0.8mm,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5.1MPa(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。DANFOSS,EGELHOF,FLITSCH等公司已经研制出一些用于跨临界CO2系统中的膨胀阀。DANFOSS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