跨临界二氧化碳热热泵的应用.ppt

1、跨临界二氧化碳热泵的应用,日 期 ：2012.3.17,目 录,一、 引言 二、 二氧化碳工质的综合评价 三、 二氧化碳的跨临界循环 四、 二氧化碳热泵在汽车空调中的应用研究 五、 二氧化碳的应用前景及问题 六、 结束语,一、 引言,当前环境问题已成为一个重要的全球问题,其中臭氧层破坏和温室效应问题直接关系到人类的健康和生存,引起了人们的高度重视。在制冷及热泵装置中广泛使用的CFCs 工质是引起臭氧层破坏的主要原因,而且这些工质为温室气体,已列入逐步被淘汰之列。 制冷空调行业为了适应CFCs制冷工质的淘汰,纷纷转轨使用HFCs，人们一直认为HFCs是CFCs制冷工质的长期替代。 .,现在京都议

2、定书又将 HFCs 列入了温室气体清单中,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提出的制冷工质替代问题,力争少走弯路。 德国,瑞士等欧洲国家主张使用自然工质,包括 HCs,CO2,NH3 等。 虽然两种替代路线都各有优缺点,但从长远考虑,任何人工合成的化合物对自然环境都有一定的副作用,用自然工质替代 CFCs 和 HFCs 才是解决环境问题唯一正确的方式。近年以二氧化碳为制冷工质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。,二、二氧化碳工质的综合评价,2.1 安全和环境性能 二氧化碳（R744）的破坏臭氧层潜能值O

3、DP=0,温室效应潜能值GWP=1,分解产物对环境无危害。由于二氧化碳跨临界制冷循环系统的运行压力很高,有人担心在特殊情况下,万一系统发生破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一般制冷工质大得多,因此对于相同制冷量的系统,系统的容积相对较小,压力 P 与制冷容器和管路中容积 V 的乘积与传统工质差不多是相等的,而这个乘积决定了发生破裂时的爆破能,所以二氧化碳的爆破危害性在技术上是不难攻破的。,2.2 热物理性质和传输性能 二氧化碳的临界温度很低,只有31.1,因此二氧化碳循环必然在接近或超过临界点的区域运行。此时二氧化碳的饱和液体比热很大,从而其节流损失也很大,因此造成

4、其基本理论循环环COP比较低。 在热力学性能上,作为蒸气压缩制冷循环的工质,二氧化碳具有一定的缺陷。但是,应该注意的是, 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,而与工作介质的热力性质无关,只要两 个热源的温度确定以后,理想循环的 COP 就确定了,因此 COP 并不是工质的内在属性。,2.3 传输性质 在超临界压力下，二氧化碳具有比热大，导热系数高，动力粘度小的特点,这对流动和传热都是十分有利的。在实际制冷(热)系统中，蒸发器不可避免地存在着压力损失，这个压力损失将使系统的平均蒸发温度降低,从而降低系统的 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

5、变动1所对应的压力变化。而不同的工质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不同的。二氧化碳的饱和压力曲线的斜率大于其它常用的制冷工质,在相同的饱和温度降下,二氧化碳蒸发器所允许的压降较大。,2.4 压缩机效率 理论上,工质的摩尔质量越小,蒸气定压比热容越大及压缩比越小对提高压缩机效率越有利。二氧化碳的分子量比常规制冷剂小得多,饱和蒸气比热容却比较大,且压缩比小。而且,因为二氧化碳的绝热指数值高,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制冷工质的压缩机效率要高。 此外,二氧化碳工质还具有来源广泛,价格低廉,与

6、常用的部件材料和相容性良好,并且能和普通的润滑油溶解等特点。,三、二氧化碳的跨临界循环,早期的CO2制冷循环多为亚临界循环，CO2亚临界制冷循环的流程与普通的蒸汽压缩式制冷循环完全一样，其循环过程如图1 中的1-2-3-4-1所示都是在临界点以下进行的。由于临界温度(31.1)较低，当环境温度稍高时，CO2的制冷能力急剧下降，功耗增大，经济性受到严重影响，其次从循环上来讲，CO2亚临界制冷循环的工作压力高(30 120个大气压)，这也是早期CO2被CFCs取代的重要原因。,此系统主要部件有压缩机，气体冷却器，内部换热器，节流阀，蒸发器以及储液器。 右边是二氧化碳系统循环原理图和二氧化碳循环的T

7、一S图,以二氧化碳作制冷剂的系统理论循环,CO2的临界温度比较低，只有31.1，因此，只有在环境温度较低时，才能在制冷循环里冷凝成液体，而在环境温度较高时，它变成气体。这时的热泵制冷循环称为跨临界循环。 临界温度： 即使物质由气相变为液相的最高温度叫临界温度。 每种物质都有一个特定的温度，在这个温度以上，无论怎样增大压力，气态物质不会液化，这个温度就是临界温度。,CO2作为制冷剂的重新出现是由于CO2跨临界制冷循环的应用。其循环过程如图 中的1-2-3-4-1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，循环的吸热过程仍在亚临界条件下进行，换热过程主要是依靠潜热来完成。但是压

8、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，克服了亚临界循环受环境影响的限制。所以，CO2跨临界制冷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。,由于二氧化碳高的临界压力和低的临界温度(31.1)，2点处的温度已经超过二氧化碳的临界温度，在2到3的过程中，密度不断增大，温度不断降低。由于高压侧的压力很高，达11MPa左右，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成较大的流量密 度和较小的管径，有利于承受高压。,1到2是压缩机的压缩过程。二氧化碳相比传统制冷剂的绝热指数较高(K=1.3)，使得压缩

9、机的排气温度偏高。但由于二氧化碳低压侧的压力也很高，压缩机的压比相应的要比采用传统制冷剂的制冷系统要低的多，从而可以提高压缩机的效率，压缩机的容积效率较高:由于压力大，泄漏损失对压缩机的效率影响较大，在进出气阀以及活塞与气缸之间都会产生泄漏。防泄漏是压缩机设计的一个重要问题。,尽管CO2跨临界制冷循环的工作压力很高，由于它具有良好的热物理特性，使压缩机、换热器和管道的芯体体积缩小。这样爆炸能(explosion energy)(压力与体积的乘积)与其他制冷剂的相当。CO2绝热指数(K)值高。虽然CO2的低压工作压力p很高，但压缩机的压比却比其它制冷剂系统的低得多，如R134a系统压比为5.7而

10、CO2为2.6。所以压缩机的容积效率可以得到提高。此外，放热过程中工质与热源之间的温差较小，使温差的不可逆传热引起的损失减小。,在汽车空调中，具有对环境友好性和优良的热物理特性的天然工质CO2与其他制冷剂相比有独特优势。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。无毒、不可燃的二氧化碳制冷剂将是下一代汽车空调的首选。,四、二氧化碳热泵在汽车空调中应用研究,汽车空调系统作为一种移动式空调具有一般空调系统不同的特点和要求。汽车是个移动物体，长时间暴露在太阳下或风雪之中；而薄的金属车身隔热困难，同时车速高，与外界对流换热高。车内人员密度大等

11、这些都要求汽车空调装置快速制冷和制冷能力大的特点。另外汽车结构紧凑，所以制冷装置也必须是小型化紧凑型的。,从换热器角度来讲，把具有优良的热物理性质和环境友好性的CO2与微通道换热器的有机结合，可以很好的解决汽车空调的问题。由于换热器的重量和体积在整个汽车空调系统中几乎占了一半。使用微通道的换热器可以使CO2制冷装置更紧凑。CO2临界温度非常低(31.1)，CO2系统的运行压力一般又非常高(20bar130bar)，为了安全起见，换热器的管道壁必须厚一些。厚管壁又可能使换热器的性能下降，但是，这个缺点可以通过使用微通道来解决。近年来，微通道已经在制冷空调行业中广泛应用，微通道用薄的管壁可以承受更

12、高的运行压力,在微通道表面受力F一定时，压力P与通道内径d成反比。,例如，在设备中水力直径0.8mm微尺度通道壁厚0.3mm可以承受高达140bar的运行压力。另外微通道在单位体积空间中提供更大的接触面积，这可以通过水力直径的定义 Dn=4Ac/C来理解，这里Ac是横截面积，C是周长，横截面积一定，Dn越小，C将越大。C增大意味着有更大的换热面积，因此也就改善了转热特性。所以微通道换热器的开发使用可以更大限度地减小换热器的尺寸，从而减轻制冷装置的重量，也节省了空间。 微管道换热器也有诸如压降大的缺点，然而，CO2比大部分制冷剂有更小的液体粘性和较大的液汽密度比，使压降不成为一个难题。因此，CO

13、2与微通道换热器的完美结合可使CO2汽车空调有一个光辉的前程。,此外，CO2有较高的汽化潜热和小的表面张力，因此，它的单位容积制冷量相当大。如饱和温度0 时分别为R12和R134a 的8 倍多。因而与传统制冷系统相比，CO2制冷系统的容积流量，压缩机排气量可减小到相当于其他制冷剂的的八分之一，这样使得压缩机的尺寸、阀门与管道的流通面积比一般制冷系统的小得多。,汽车空调的另一个特点是由于路况、汽车、振动和密封等原因，极易造成制冷剂泄露，且回收困难。据统计，在冷藏运输车中，每年泄露率高达20。汽车制冷剂的排放量占制冷剂总排放量的50 以上。而CO2是自然界天然存在的物质，它的臭氧层破坏潜能(ODP

14、)为零。 CO2对地球有温室效应，但是作为制冷剂，CO2一般是从工业废气中提取，属于把排向大气的C02进行废物利用，没有增加大气中CO2的含量，所以GWP 0。因此使用CO2制冷剂可以降低由于制冷剂泄漏所产生的温室效应，同时CO2制冷剂也不需回收，这也降低了设备的维护和保养费用。,五 二氧化碳的应用前景及问题,CO2作为自然界普遍存在的一种物质，不但性能稳定、极易获取，还无毒环保不可燃，这都是其作为制冷剂广泛使用的优点，但其高临界压力和低临界温度的自然特性也使其不能在既要求环保，又要求节能的今天重新演绎过往的辉煌。,R600，R290，R744如果按照市场的反响来说的话，R744是最不理想。这

15、其中是有原因的，制冷快报相关专家分析，这三种制冷剂都属于自然工质的制冷剂，R600在冰箱上有成功应用的经验，R290也已经在空调设备上开始应用，R744却只能是在极少数的一些特殊的设备上应用。如果不是成本的原因，相信许多的生产厂商会将目光投向R744，但是R744的广泛应用需要付出的代价相当的大，使用R744作冷媒的设备压缩机、管道都需要承受比目前大4-5倍的压力。面对国内市场巨大的制冷设备产能，这几乎是不可想象的。R290虽然有易燃易爆的特性，成为企业不敢前行的最大障碍，但比及二氧化碳更为艰巨的工程，企业更愿意尝试R290，毕竟R290可以在现有设备的基础上直接充注。,国内 CO2 技术、产

16、品发展趋势及方向,行业及国家标准：新产品及新技术的普及应用， 需要较未完善的行业、 国家标准， 中国虽制定了相关， 但还不完善，需要进一步补充、修订 。 CO2 产品的推广：作为新事物必然需要较大的内在、外在的推动力才会很好的普及、应用，对于 CO2 产品，特别是家用热泵热水器产品初期价格较高， 对其推广受限， 需要相关政策加以扶植。且，CO2 产品属高压容器，维修存在一定问题 。,自主知识产权的专有技术研发费:国外回转式压缩机起步较早，对于较适合的结构进行较早的研究，加之专利意识很强，目前较优秀的结构，例如中间背压滑片润滑等均申请了专利保护；中国企业起步较晚，面临国外专利壁垒，如何发掘我们特

17、有技术显得比较重要。 新型材料及工艺的开发:CO2 冷媒之前在回转压缩机上应用较少，由于运转压力较高，对材料要求较高，需特殊对应。这里包括两方面，一方面是 CO2 压缩机用冷冻机油的研发，包括回转式 CO2 压缩机用油在内的冷冻机油基本由太阳、新日石等日本企业配套开发，国内对于冷冻机油的研发还没有，由于行业垄断问题，冷冻机油价格较高，特别是新开发的 CO2 油品，因此需要,发展国产 CO2 冷冻机油，降低成本；开发思路可以考虑产学研项目， 或政府、 国家支撑项目最压缩机基本技术进行研发。 另一发面对于 ROTARY 压缩机滑 车用空调 CO2 产品研发：对中国来说， 今后汽车行业也同样面临冷媒替代问题，特别是中国汽车大企业很多是与欧美等企业合资，其发展方向也会对国内汽车合资企业产生影响。 功率回收技术 ：CO2 系统制冷能效较低，但其特殊的跨临界循环冷凝过程气体膨胀功率的回收，可以较大幅度提高其循环的效率 。,六、结束语,CO2是天然制冷剂，具有环境友好性和优良的热物理特性，在汽车空调系统中有着其他制冷剂无可比拟的优势，它对环境和人体健康无