二氧化碳跨临界制冷循环

《二氧化碳跨临界制冷循环》由会员分享，可在线阅读，更多相关《二氧化碳跨临界制冷循环（4页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、二氧化碳跨临界制冷循环摘要：C02是一种环保型的自然工质，它对臭氧层不产生任何破坏作用且 具有较小的温室效应。本文概述跨临界 C02 制冷循环的原理，提出几个影响该 循环的技术关键。介绍跨临界CO2循环的相关应用领域，指出CO2作为性能良 好的自然工质有着很好的发展前景。关键词：二氧化碳；制冷；跨临界循环引言由于制冷剂中氯原子对大气臭氧层有破坏作用，蒙特利尔协议规定 R12 等CFCS （氯氟碳）在制冷工质中被禁用，危害程度较小的R22等HCFCS （氢 氯氟碳）的禁用日期也一再提前。 目前已获应用的 R134a， R410A， R407C 等 HFCS （氢氟碳）仍是一类新的化学合成物，它们

2、不仅制造成本昂贵，而且已被 证明能产生较为严重的温室效应。另外，随着研究的深入，有可能证明 HFCS 在 其它方面也有危害。因此，在制冷系统中对地球生物圈中原来就有的“自然工质” 进行研究，已成为近年来的前沿课题之一。二氧化碳（R744）目前被称作是一 种被遗忘的制冷剂，它在19世纪被广泛地使用，从20世纪30年代后被冷落。 现在，大家认为：已经到了使用现代的高新技术重新利用二氧化碳的时候了。1. CO2 制冷二氧化碳基本上不会引起环境问题，它无毒不燃，具有氨和烃类制冷剂所不 可及的一些优点。另外它价廉，与一般的制冷设备和润滑系统都相容。它可以高 度压缩，因此可以利用先进设备及设计大大减小压缩

3、机的体积和管道直径。它在 高压下良好的传热效果是该制冷剂的另一个优点。总而言之，在满足制冷要求的 情况下，使用二氧化碳制冷剂可以大大降低设备的投资。2. 工作原理跨临界蒸汽压缩式制冷循环是利用气体液化后可吸收蒸发（汽化）潜热的特 性以达到制冷的目的。跨临界系统由压缩机C，气体冷却器G，内部热交换器I,节流阀V，蒸 发器E与储存器A组成封闭回路，以CO2为工作介质，气体工质在压缩机C中 升压至超临界压力P2，在T 一 S图上为过程1 一 2，然后进入气体冷却器G 中，被冷却介质（空气或冷却水）所冷却。为了提高系统的性能系数COP， 出气体冷却器后的高压气体在内部热交换器中进一步冷却。它是用压缩机

4、回气管 前面的低压低温蒸汽过热这一回热原理实现的，此即过程3一4。理想情况下， 焓降h3 一 h4=h1 一 hO。然后用节流阀减压，经节流后的气体被冷却，且部 分气体液化， 湿蒸汽进入蒸发器 E 内汽化，大量吸收周围介质的热量， 即输 出冷量。蒸发器中液体并不全部汽化， 而是设计成有少量液体盈余， 因此其出 口状态O将在两相区内，这对提高蒸发器传热效率十分有利。正因为如此，E 出口须配置储存器 A ， 并与之形成一体， 以防压缩机液击和便于压缩机回油 （专用回油管道如图上虚线所示） 。储存器出来的低压饱和蒸汽进入内部热交 换器的低压侧通道， 吸收高压高温的超临界气体的热量后， 成为过热蒸汽进

5、入 压缩机升压。如此周而复始完成循环。图 1 跨临界制冷循环系统及其 T-S 图目前 CO2 制冷系统面临的最大问题就是循环过程中需要非常高的压力，这 个压力通常都会大于100 MPa,有时甚至要求在150 MPa。对于这么高的压力， 系统很多部件都要经受考验，比如 O 型圈等各种密封圈，在这么大压力下的使 用寿命就成了一个棘手的问题。但从另一方面高压又是跨临界 CO2 循环的一个 优势所在。超临界的体积热容比传统工质大很多（58倍），故对于给定的热容 量来说，需要的CO2工质便成倍减少。这样CO2制冷系统所需的工质量就有可 能比其他工质的少很多，例如相比CFC 12, CO2工质能量密度的提

6、升可使系 统的管道直径是CFC 一 12的30%,虽然增压后管道的壁厚相应增加1倍，但由 于管道流通面积的大幅减小还可使管道的重量减少30%40%.。这样跨临界 CO2 制冷系统就确立了自己的优势，例如在汽车空调领域中，系统体积和重量 的大幅减小是非常重要的。3. CO2 跨临界循环设备的研究和开发3.1 压缩机容积效率、指示效率是压缩机工作性能的衡量指标。 CO2 压缩机吸排气压 差很大，克服流动阻力需要的压差相对很小，与常用系统相比，吸排气阀损失对 指示效率的影响也就很小。 CO2 压缩机压比小、汽缸内余隙容积的再膨胀行程 较短，阀打开较早，所以压缩机容积效率较大。在诸多因素中，气缸泄露对

7、压缩 机性能影响最大。气缸泄露分为活塞与气缸间隙泄露和出口气阀泄露，在这其中， 活塞间隙泄露又是影响压缩机工作状态的最重要因素。要降低泄露，首先要减小 密封长度，然后采取有效措施进行补漏。这种压缩机的缺点是难于设计具有足够 流通面积的阀，而且阀的能量损失较大。在临界温度附近及其临界温度以上时， 超临界CO2,过热和节流的损失很大。对此，一个方法就是采用分级压缩；另 一个方法是收集膨胀时的膨胀功。此外，单级压缩时终末温度常达到200 C，不 利于机器工作，而采用分级压缩时的温度可以降低3050C。采用两级压缩会 使系统体积变大，故设计时需要具体问题具体分析。3.2 蒸发器制冷剂的物性特点是促使蒸

8、发器向小管径、流量高密度和高换热系数方向发 展的主要原因。 “平行流”式的蒸发器性能较高，是蒸发器今后的主要发展方向。 CO2 平行微管式蒸发器由平行微管、积液管和微管之间的空气肋片构成，与空 气冷却器的结构形式相同。但在蒸发器内， CO2 的密度变化幅度高于气体冷却 器，所以用于蒸发器的微管数相对也比较多。3.3 空气冷却器空气冷却器是跨临界 CO2 循环的一个重要组件，它的设计对循环的可靠性 和效率影响很大。出于跨临界 CO2 循环的特性，其冷却过程不同于传统制冷工 质的恒温冷凝过程，有很大的温度梯度，因此需要与之温度梯度相匹配的空气冷 却换热器。目前有“近逆流”换热器，此装置的热流密度要

9、比叉流好得多。在空冷 器的空气侧，工质的通道开了很多微槽，槽上设有微肋片。通道的排列是蜿蜒的， 管道和空气侧的换热是有序的。这种排列方式的优点是 CO2 和空气之间的换热 非常类似于逆流，这对C02的非恒温换热是非常重要的；C02工质的出口温度 非常接近于空气的人口温度，对于合理降低出口工质的焓非常关键。而在叉流换 热器中，工质的出口温度接近空气的混合平均出口温度，而不是更低的实际入口 温度。近逆流换热器中焓值的降低可使CO2工质在进蒸发器时的闪发变小，因 此加强了冷却效果。 3.4 膨胀机对于 CO2 跨临界制冷循环系统来说，膨胀机的设计开发是其中比较困难的 一步。膨胀比的确定、泄露和耐压问

10、题是需要解决的关键问题。在膨胀机内， CO2 由超临界状态发生膨胀后转入液态，并进一步膨胀至气液两相区，膨胀机 内CO2的相态由此变化复杂，且在超临界状态下，CO2的物理参数在其向液态 转变时会有不稳定性，膨胀比因此很难进行确定。通过大量的研究报告发现， CO2膨胀机在其研制过程中，最关键的就在于其耐压与泄露问题的解决。4. CO2 跨超临界循环的研究与应用现状目前 CO2 的研究和应用主要集中于三个方面：一方面是最急需替代制冷剂 的应用场合，如汽车空调。由于制冷剂排放量大对环境的危害也大，必须尽早采 用对环境无危害的制冷剂，另一方面是考虑到CO2循环的特点最利于采用这种 循环的应用场合，如热

11、泵热水器则是考虑到 CO2 在超临界条件下放热存在一个 相当大的温度滑移，有利于将热水加热到一个更高的温度的特点而倍受关注，再 一方面是考虑到CO2的热物理性质和迁移性质特点，采用CO2作为制冷剂如考 虑到 CO2 良好的低温流动性能和换热特性，采用它作为复叠制冷循环低温级制 冷剂。5. CO2 跨超临界循环应用前景自从Lorentzen提出采用CO2作为制冷剂以来，世界各国都对跨临界CO2 制冷装置投入了大量人力物力进行了研究。到目前为止，这些研究主要集中在 CO2 用于各个领域的可行性，包括进行温室效应、分析理想循环、分析制造样 机试验 CO2 的特性、分析采用 CO2 的安全性、新的适用

12、于 CO2 部件研究等方 面。在CO2用于各个领域的研究结果表明，跨临界CO2制冷循环在热泵空调商 用制冷装置食品冷藏冷冻洗衣机干燥器等方面的应用前景都很好，性能都相当于 甚至好于原来采用R22或R12或R134a的制冷装置。跨临界CO2制冷循环特 别适合于需要大的温度变化的场合，而且在较低的蒸发温度下性能较好在 CO2 的各个应用领域中。跨临界CO2汽车空调特别引人注目，美国挪威欧洲各国日 本等国都对跨临界 CO2 汽车空调进行了样机实验，研究和理论分析，这一系统 的可行性和性能得到了充分的论证，用它来替代氟里昂制冷系统指日可待。但是 对于该系统的研究才有 10 年左右的时间，许多方面尚不完

13、善。目前的研究多针 对系统较少针对部件的优化设计，仅有的部件研究要么就是设计简单是在 R134a， R12，R22 的部件基础得到的，很少针对 CO2 本身，要么只是理论上 的研究尚无样机生产和实验验证，因此系统和部件的各个方面都还有很大的改进 余地。如果根据 CO2 的特性对部件结构和系统运行情况进行优化，将提高系统 性能。这包括高效率压缩机、换热器的开发，能够良好控制系统运行状态节流控 制部件的开发以及能够胜任两相膨胀的高效膨胀机的开发。此外，降低系统和部 件的成本是将C02推向市场的前提条件。目前对于C02流动和换热性能的研究 尚不成熟，没有通用的经验关联式，部分流动和换热的机理尚不明了

14、，有待于进 一步的研究，对于 CO2 制冷系统的安全性相关的研究有待于进一步加强，一方 面要保证高压安全性，这包括两个方面：一是保证设计的各个系统部件及管道满 足承压要求，二是保证系统超压情况下的安全性；另一方面要加强研究 CO2 和 润滑油的相互作用，以及CO2与橡胶的渗透作用和爆发性解压作用，避免泄漏， 提高安全性。参考文献：1丁国良.CO2制冷技术新发展期刊论文-制冷空调与电力机械2002（02）2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期刊论 文-机电设备 20023张国庆，傅李鹏，吴忠杰，饶中浩环境友好型跨临界CO2制冷工质的应 用与研究进展期刊论文-材料研究与应用 2008， 2（4）4史敏，贾磊，钟瑜，舒国安，王磊.二氧化碳制冷技术期刊论文-制冷与 空调 2007， 7（6） .