馬 飆,冀兆良

(1.河北科技大學建筑工程學院,河北石家莊050000;2.廣州大學土木工程學院,廣東廣州510006)

1 前 言

制冷技術領域眾所周知,包括R134a在內的HFCs類制冷劑及其混合型制冷劑,都有溫室效應問題,不能夠滿足長期環(huán)保要求,因此,重新研究應用天然制冷劑越來越受到重視,甚至被譽為是解決環(huán)境問題的最終方案,CO2制冷劑就是其中之一。CO2作為制冷劑具有良好的熱力性能和環(huán)保特性,CO2制冷劑跨臨界循環(huán)的放熱過程可以和變溫熱源相匹配,更接近勞侖茲循環(huán),從而可得到較高的用能效率,這一點尤其受重視。與其它制冷劑相比,CO2具有下列優(yōu)點:

1)ODP=0,且GWP=1,約為R134a、R22的千分之一;

2)運動粘度低,壓縮比較低,單位容積制冷量大,有很好的傳熱性能;

3)來源廣泛,價格低廉,制冷系統(tǒng)維護簡單;

4)無毒、無臭、無污染,不燃、不爆,對常用材料沒有腐蝕性[1]。

CO2制冷在應用上的不足之處主要是其臨界溫度低 (31.1℃),壓力比小,排氣壓力高,節(jié)流損失大,材料耗費多,安全性可靠性較差,混入潤滑油中后會導致潤滑油粘性急劇下降。

CO2制冷系統(tǒng)在應用上需要研究和解決的問題主要有系統(tǒng)裝置的結構設計和優(yōu)化、CO2高效壓縮機的研究開發(fā)、低溫下CO2換熱性能的研究及耐高壓高效換熱器的開發(fā)、膨脹機內部兩相流過程的研究及膨脹機結構設計優(yōu)化以及完善的控制策略設計、超臨界CO2流動傳輸特性的研究、氣體冷卻器和蒸發(fā)器的結構設計和優(yōu)化、跨臨界循環(huán)系統(tǒng)的壓比控制和容量調節(jié)方法的研究、系統(tǒng)的高壓及超壓情況下的安全性和系統(tǒng)潤滑油的選擇等。

2 CO2制冷劑應用研究現狀

2.1 純質CO2制冷劑在單級壓縮制冷的應用研究

2.1.1 CO2跨臨界制冷循環(huán)的應用研究

CO2跨臨界制冷循環(huán)最早是由前國際制冷協(xié)會主席G.Lorentzen在20世紀80年代提出的,并開展了相關的研究工作,目前研究的CO2制冷系統(tǒng)很大部分都是采用的跨臨界循環(huán)。

CO2跨臨界制冷循環(huán)的流程與普通的蒸汽壓縮式制冷循環(huán)略有不同,其循環(huán)過程如圖1所示,壓縮機的吸氣壓力低于臨界壓力,蒸發(fā)溫度低于臨界溫度,但壓縮機的排氣壓力高于臨界壓力;循環(huán)的吸熱過程在亞臨界條件下進行,換熱過程主要是依靠潛熱來完成,冷卻換熱過程依靠顯熱來完成,此時的高壓換熱器稱為氣體冷卻器。

圖1 CO2跨臨界制冷循環(huán)

CO2跨臨界循環(huán)具有的特點:CO2的吸、放熱分別在亞臨界和跨臨界區(qū)進行,高壓側的冷卻過程中不發(fā)生相變,換熱全部通過顯熱交換完成;CO2循環(huán)在跨臨界條件下運行,其工作壓力雖然較高,但壓比卻很低,壓縮機的效率相對較高;CO2跨臨界制冷循環(huán)在不同工況下,存在對應于最大COP值的最佳排氣壓力;CO2跨臨界制冷循環(huán)用于熱回收時,有較高的放熱效率,用于較高溫度和較大溫差需要的熱回收時具有獨特的優(yōu)勢。

在現階段,該系統(tǒng)的缺點是其效率較低,尤其是當環(huán)境溫度較高時,此外,跨臨界循環(huán)的排氣壓力高達12MPa左右,遠高于常規(guī)系統(tǒng),使跨臨界循環(huán)的應用受到了一定限制。但由于跨臨界循環(huán)具有鮮明的特點和特殊的應用前景,目前已成為CO2制冷循環(huán)最為活躍的研究方向。在基本的CO2跨臨界循環(huán)的基礎上,已發(fā)展出多種改進的CO2跨臨界循環(huán),如雙級壓縮CO2跨臨界制冷循環(huán)、帶膨脹機的CO2跨臨界制冷循環(huán)、帶引射器的CO2跨臨界制冷循環(huán)、帶引射器和經濟器的CO2跨臨界制冷循環(huán)等。所以改進和完善跨臨界系統(tǒng)的循環(huán)方式、優(yōu)化系統(tǒng)與設備是推廣應用CO2的關鍵[2-3]。2.1.2 CO2超臨界制冷循環(huán)的應用研究

CO2超臨界循環(huán)與普通的蒸汽壓縮式制冷循環(huán)完全不同,所有的循環(huán)狀態(tài)都在臨界點以上,工質的循環(huán)過程沒有相變,不能變?yōu)橐簯B(tài),實際上是氣體循環(huán),其循環(huán)過程如圖2所示,這種循環(huán)方式在原子能發(fā)電時采用,一般不用于制冷空調領域。

對于超臨界CO2的幾個基本特性雖已得到公認,但目前對于超臨界CO2流動和換熱性能的研究尚不成熟,雖然一些研究者通過大量的理論和實驗研究得出了一些經驗關聯式,但仍然沒有通用的經驗關聯式,部分流動和換熱的機理尚不明了,有待于進一步的研究。

圖2 CO2超臨界制冷循環(huán)

2.1.3 CO2亞臨界制冷循環(huán)的應用研究

CO2亞臨界制冷循環(huán)的流程與普通的蒸汽壓縮式制冷循環(huán)完全一樣,其循環(huán)過程如圖3所示。壓縮機的吸、排氣壓力都低于臨界壓力,蒸發(fā)溫度和冷凝溫度也低于臨界溫度,并且循環(huán)的吸、放熱過程都在亞臨界條件下進行,換熱過程主要依靠潛熱來完成。早年的CO2制冷循環(huán)多為亞臨界循環(huán),目前,CO2亞臨界循環(huán)主要用于低溫冷凍設備所用復疊式制冷系統(tǒng)的低溫級。

圖3 CO2亞臨界制冷循環(huán)

CO2亞臨界系統(tǒng)的壓力水平約為4MPa,與現有R410A系統(tǒng)壓力相當,遠低于跨臨界循環(huán)12MPa左右的壓力水平。亞臨界方式或者含有亞臨界的混合方式是CO2應用于超市制冷的重要方式,采用CO2亞臨界復疊系統(tǒng)的低溫應用越來越多,其競爭力也越來越強。

2.2 CO2制冷劑在復疊制冷循環(huán)的應用研究

CO2制冷劑在復疊式制冷系統(tǒng)中用作低溫級制冷劑,高溫級制冷劑用NH3或R290。J.Pettersen和A.Jakobsen的研究表明,與NH3兩級壓縮系統(tǒng)相比,低溫級采用CO2的系統(tǒng),可實現-45～-50℃的低溫。

采用CO2作為復疊式制冷循環(huán)的低溫級制冷劑有許多優(yōu)點:

1)CO2在蒸發(fā)溫度為-50℃以下時仍有足夠的蒸發(fā)壓力,可以滿足目前食品低溫保存的要求,而且蒸發(fā)器內不會產生負壓;

2)由于CO2無毒、不可燃、沒有氣味,且相對分子質量比空氣重,可以按照氫氟烴制冷劑的規(guī)程處理;

3)CO2是天然工質,對環(huán)境的影響小,在解決了工質替代問題的同時,第一級制冷劑的充注量還可以減少,而且第一級的制冷系統(tǒng)也可以在遠離公眾的場合設置,安全問題完全可以解決。

4)與其它的低溫制冷劑相比,即使處于低溫狀況,CO2的黏度也非常小,傳熱性能良好,因為利用其潛熱吸熱,單位容積制冷量大,大大減小了所需換熱器的面積,使得這種低溫制冷系統(tǒng)具有很強的競爭力,同時系統(tǒng)的安裝成本、操作和維護成本也可以減低。

目前,國際上對CO2復疊式制冷循環(huán)的應用已經比較普遍,國外許多超市和工廠都使用了CO2復疊式制冷。但是由于CO2的三相點溫度為-56.6℃,這就限制了它在溫度更低的制冷系統(tǒng)中的使用。為了用于低溫系統(tǒng),有人曾提出了使用CO2二元甚至多元混合做為低溫級,即把CO2與R170或R1150等混合,做成混合制冷劑,由于R170的熔點低達-183.3℃,R1150的熔點為-169.14℃,所以混合物的熔點可低于-56.6℃,擴大了CO2應用于低溫制冷的范圍。

2.3 CO2混合制冷劑的制冷循環(huán)應用研究

2.3.1 CO2/二甲醚混合制冷劑跨臨界制冷循環(huán)的研究

與純質CO2相比,在制冷模式下,CO2/DME的系統(tǒng)運行壓力降低了2 MPa,在制熱模式下系統(tǒng)壓力降低了1.9 MP,同時COP基本不變[4]。

對CO2/DME混合制冷劑的跨臨界制冷循環(huán)性能的分析:

1)在保持跨臨界制冷循環(huán)特性和CO2壓縮機直接充灌的原則下,CO2/DME混合制冷劑的質量配比范圍為90/10～100/0。

2)90/10質量配比的CO2/DME混合制冷劑的跨臨界制冷循環(huán)特性與純質CO2相比,制冷量、壓縮機功耗、COP隨高壓側壓力的變化規(guī)律基本一致。在相同工況的制冷模式下,CO2/DME的COP比CO2提高了4.3%,最佳排氣壓力降低了3 MPa;制熱模式下,CO2/DME的最優(yōu)制熱系數比CO2提高了3.1%,最佳排氣壓力降低了3 MPa。

3)在相同的過熱度條件下,純質CO2的COP增加幅度大于混合工質CO2/DME。

2.3.2 采用CO2天然混合制冷劑的制冷系統(tǒng)的研究

采用CO2混合工質,可以有效地改善純的CO2系統(tǒng)存在的不足。針對三組CO2天然混合工質R744/R290、R744/R600、R744/R600a,在相同工況下,R744/R290的冷凝壓力比R744R/R600高12%～23%,比R744/R600a高19%～24%;R744/R290的COP值比R744/R600高33%～41%,比R744/R600a高25%～32%。

3組天然混合工質的蒸氣壓縮制冷循環(huán)的分析:

1)隨著三組混合制冷劑中CO2質量百分數的增加,制冷量呈下降趨勢。隨著蒸發(fā)器出口溫度的增加,3組制冷劑的制冷量均上升。

2)制冷模式下3組混合制冷劑的系統(tǒng)COP均隨CO2質量百分數的增加而下降,其中R744/R290的COP最大。

3)隨著CO2質量配比的增加,3組混合制冷劑的制冷循環(huán)冷凝器壓力逐漸升高。通過控制混合制冷劑中CO2質量百分數的大小,可以使其高壓側壓力接近于傳統(tǒng)蒸氣壓縮制冷系統(tǒng)的壓力。在相同工況下,R744/R290的壓力均明顯高于其它兩種混合制冷劑,也就是說R744/R600和R744/R600a的壓力優(yōu)勢更明顯[5]。

2.4 CO2制冷系統(tǒng)設備的應用研究

2.4.1 壓縮機方面的應用研究

壓縮機是制冷系統(tǒng)的關鍵部件,對整個系統(tǒng)的效率和可靠性影響最大。衡量壓縮機工作性能的指標有指示效率和容積效率,其主要與氣閥和氣腔的壓力損失、汽缸泄漏、氣體與汽缸傳熱等因素有關。與使用普通制冷劑的壓縮機相比,CO2循環(huán)壓縮機具有工作壓力高、壓差大、壓比小、體積小、重量輕、運動部件間隙難以控制、潤滑較困難等特點。因此CO2壓縮機的研究開發(fā)一直是制冷技術發(fā)展的難點。

德國的Jurgen Sub和Horst Kruse對CO2活塞式壓縮機的指示效率進行了理論分析和實驗研究,指出閥室的壓力損失和氣缸壁的傳熱損失對指示效率的影響很小,但氣缸的泄漏損失對指示效率的影響很大,因此要降低泄漏就要減小密封長度,并采用有效的密封措施。美國馬里蘭大學Radermacher和日本靜岡大學Fukuta合作進行了滑片式壓縮機應用于CO2跨臨界制冷循環(huán)的研究[6],結果表明滑片壓縮機可作為單級壓縮機、雙級壓縮機和壓縮膨脹機應用于CO2跨臨界循環(huán)中,泄漏損失是影響效率的主要因素,若把CO2壓縮機的間隙量減小到R134a壓縮機間隙量的三分之二,可獲得相同的容積效率。近幾年來,我國在CO2制冷技術研究方面也取得了較大進步,開發(fā)了CO2制冷壓縮機樣機,進行了性能模擬和實驗研究[7],研究了CO2膨脹機[8-9]和CO2制冷系統(tǒng)噴射器[10],取得了階段性研究成果。

目前,世界上許多知名公司都相繼開發(fā)了不同形式的CO2壓縮機,其中部分產品已經市場化和系列化,用于熱泵熱水器、大型超市陳列柜等,但成果的關鍵技術都處于保密階段。意大利OFFICINE MARIO DORIN公司開發(fā)的半封閉式活塞CO2壓縮機已開始批量生產,包括雙缸單級和兩級活塞壓縮機,可用于空調和熱泵。由于CO2輸氣量小且殼體厚,高轉速下仍具有很好的噪聲特性和振動特性,瑞士的蘇黎世大學對應用在家庭熱水器上的半封閉小型無油活塞式壓縮機進行了開發(fā)研究。日本DENSO公司設計開發(fā)了用于CO2熱水器的渦旋壓縮機,還有日本MYCOM公司推出的CO2單級螺桿壓縮機,主要應用于冷凍、空調系統(tǒng),整個機組的設計是冷熱同時利用,壓縮機的排氣用來加熱熱水,機組設油水蓄熱槽,低溫CO2用于制冷。同時,德國Bock公司、Danfoss公司等都分別進行了這一領域的研究和開發(fā)。文獻 [11]分析了已開發(fā)的各種類型的CO2壓縮機的特點,總結了在壓縮機研究中的關鍵技術,認為在未來CO2壓縮機發(fā)展方向是開發(fā)無油壓縮機、雙級壓縮機和膨脹壓縮機。

2.4.2 蒸發(fā)器的應用研究

由于物性特點,蒸發(fā)器的發(fā)展也是一個管徑越來越小、流量密度越來越高、換熱系數越來越大的過程?！捌叫辛鳌笔秸舭l(fā)器具有較高的性能,是今后的發(fā)展方向。CO2平行微管式蒸發(fā)器是由積液管、平行微管和微管間的空氣肋片組成,結構形式與空氣冷卻器相同,但由于蒸發(fā)器內CO2密度變化較氣體冷卻器大,因而蒸發(fā)器所需的微管數較多[12]。

2.4.3 冷凝器 (氣體冷卻器)的應用研究

CO2跨臨界循環(huán)系統(tǒng)的運行壓力較高,出口溫度獨立于出口壓力,允許有較大的壓降,并且CO2有良好的傳熱特性和容積制冷量,因此制冷劑側一般設計成較大的流量密度 (600～1200kg/m2s)采用較小的管徑,在1997年Lorentzen和Pettersen提出了銅制 “平行流”空氣冷卻器的概念?！捌叫辛鳌笨諝饫鋮s器由積液管、平行微管以及微管間的空氣肋片組成。微管嵌入積液管的 “插槽”上。這種換熱器管徑更小,換熱強度更高,結構更為緊湊,具有較大的潛力,成為氣體冷卻器的新標準。所以氣體冷卻器和蒸發(fā)器設計得更為緊湊、高效。對于氣體冷卻器,為了充分利用超臨界過程的溫度特性,冷卻過程應盡量采用逆流式換熱方式。CO2氣體冷卻器主要有2種類型:一種是用空氣冷卻,一般用于汽車空調、家用空調等方面;另一種是用水冷卻,主要是套管式和殼管式兩種類型的換熱器,常用于熱泵熱水器。目前,在CO2跨臨界制冷循環(huán)系統(tǒng)中,微通道換熱器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的翅片管換熱器是氣體冷卻器和蒸發(fā)器發(fā)展的趨勢。微通道換熱器的主要優(yōu)點是高效、耐壓、體積小、制冷劑充灌量少。

氣體冷卻器集管的橫截面通常是圓形,內徑略大于微通道管。由于CO2系統(tǒng)中的高壓,設計雙入口集管,可大大減少集管質量、尺寸和換熱器內部面積。Pettersen等設計開發(fā)的微通道氣體冷卻器,使用這種裝置的CO2系統(tǒng)的COP顯著提高。微通道蒸發(fā)器目前是汽車空調工業(yè)的研究課題,日本一些廠家已將CO2熱泵熱水器推向市場,為了使系統(tǒng)更加緊湊高效,所用的氣體冷卻器通常有多種形式[13]。2.4.4 閥門及輔助設備的應用研究

對亞臨界系統(tǒng),由于CO2機組的高壓側壓力在4MPa左右,與現有R410a系統(tǒng)相當,因此,大部分用于R410a系統(tǒng)的部件無需作太大修改即可應用于CO2亞臨界系統(tǒng)。而對跨臨界系統(tǒng)應用的部件,其設計壓力需要考慮到12MPa,遠遠超過常規(guī)系統(tǒng),因此需要特別設計。Danfoss、Sporlan、Hansen、Fujikoki和Henry等公司已有較齊全的亞臨界系統(tǒng)的配套閥件,Carel和Danfoss也已經推出了用于亞臨界和跨臨界系統(tǒng)的電子膨脹閥和對應的電子控制器;Alfa Laval和Swep公司也已經推出亞臨界應用的板式換熱器;Temprite公司已推出了亞臨界和跨臨界應用的油路產品[14]。

總體上,CO2亞臨界系統(tǒng)的零部件和系統(tǒng)的發(fā)展水平較高,產品種類和系列也較齊全,而CO2超臨界系統(tǒng)的零部件和系統(tǒng)尚處在研發(fā)階段,產品種類和系列不多,但各大商用冷凍公司正積極加大在超臨界系統(tǒng)和產品開發(fā)上的投入。

3 CO2制冷系統(tǒng)的工程應用

3.1 CO2制冷系統(tǒng)在商業(yè)建筑中的應用

CO2制冷系統(tǒng)在商業(yè)建筑中的應用主要是在各國超市的應用,CO2在大、中型的超市制冷系統(tǒng)上的應用有三種基本方式:

1)作第二制冷劑用于主制冷循環(huán)的二次回路,或稱有相變的二次回路;

2)作主制冷劑,應用于亞臨界系統(tǒng),采用亞臨界循環(huán);

3)作主制冷劑,應用于跨臨界系統(tǒng),采用跨臨界循環(huán)。

針對不同的應用需求和超市有中、低溫兩段溫區(qū)制冷的需要,可在以上3種基本方式的基礎上,組合出各種不同的混合系統(tǒng)。

目前,超市CO2制冷系統(tǒng)的應用數量不斷增長,全球各大連鎖超市集團,特別是本部在歐洲的超市集團,紛紛設立CO2制冷示范店,如英國最大的超市連鎖商Tesco(到2012年底,Tesco計劃有150家商店使用CO2制冷系統(tǒng)),瑞士第二大的零售集團Coop,加拿大領先的零售集團Loblaw和全球最大的連鎖超市Walmart等等。

下面,對超市CO2制冷系統(tǒng)在各地區(qū)的應用作一個簡單介紹。

1995年,在政府的資助下,瑞典成功安裝了第一個CO2超市制冷系統(tǒng),截至2011年,瑞典至少有180個超市采用了CO2系統(tǒng)。從 2001年開始,Carrier-Linde公司已經在歐洲成功安裝了100多套CO2亞臨界超市制冷系統(tǒng)。丹麥于2004年安裝了第一套超市CO2跨臨界循環(huán)制冷系統(tǒng)。1996年,美洲市場上首套CO2制冷系統(tǒng)安裝完成,該系統(tǒng)中CO2作中溫系統(tǒng)的二次回路的第二制冷劑。從2006年開始到2008年7月,北美市場上至少安裝了8套CO2作第二制冷劑的低溫系統(tǒng),首套采用CO2亞臨界復疊式的低溫制冷系統(tǒng)也已經在2008年得到應用。2007年,Carrier-Linde公司與澳大利亞Frigrite公司合作在泰國安裝了亞洲的第一套超市CO2復疊制冷系統(tǒng)。

總之,CO2制冷系統(tǒng)在歐洲超市的發(fā)展趨勢十分明顯,尤其是在北歐國家;在美洲和亞洲,其應用實例較少;而在澳大利亞和新西蘭,其應用也越來越多[14]。

3.2 CO2制冷系統(tǒng)在冷藏庫中的應用

目前我國食品加工與冷藏業(yè)中的大中型冷庫80%都采用NH3作為制冷劑,NH3是一種重要的制冷劑,它有一百多年的歷史,但遺憾的是NH3有毒性,需要增加安全保護措施。而且目前在食品加工和冷藏工業(yè)中,隨著食品冷凍溫度的不斷降低,快速凍結的發(fā)展,要求制冷工質的溫度進一步降低。文獻 [15]的研究表明,當氨的溫度達到-51℃時,飽和壓力已經接近真空,不可能再作為制冷工質,而CO2仍能維持413kPa的飽和壓力。因此如果在蒸發(fā)溫度低于-40℃時采用NH3系統(tǒng)就會帶來蒸發(fā)壓力過低的問題,而CO2則不存在這樣的問題。所以可以采用復疊式系統(tǒng),根據國外專家的評估,蒸發(fā)溫度在-35℃以下,采用CO2與氨復疊式制冷,不僅可以降低初次投資、提高效率,而且大大減少了系統(tǒng)的充氨量、提高了食品冷加工企業(yè)的安全系數。文獻 [16]列出了采用的NH3/CO2復疊式循環(huán)的優(yōu)點。

文獻 [17]報道了一個實際裝置的配置,該系統(tǒng)CO2的蒸發(fā)溫度為-42℃,冷凝溫度-11℃,CO2充注量2500kg,氨的充注量240kg,CO2回路配備兩臺往復式壓縮機,制冷量分別為210kW和140kW,循環(huán)貯液器4.745m3,采用殼管式冷凝-蒸發(fā)器;還報道在蒸發(fā)溫度-35℃以下,采用復疊式系統(tǒng)的效率高于傳統(tǒng)的氨兩級壓縮系統(tǒng),采用復疊式系統(tǒng)不僅能夠滿足環(huán)保的要求,而且能夠滿足工業(yè)安全的要求。根據國內貿易工程設計研究院考察團2005年對美國冷庫的考察[18],在美國冷庫中氨仍然是一種主要的制冷劑。尤其大型冷庫基本均采用氨作為制冷劑,同時,天然工質CO2已經在冷庫制冷系統(tǒng)中得到實際應用,采用CO2/NH3復疊式制冷系統(tǒng)的大型冷藏庫已經開始實用,并運行良好[19]。雀巢公司在法國的Beauviai冷庫已經采用了NH3/CO2復疊式系統(tǒng)[20]。

3.3 CO2制冷在汽車空調中的應用

目前汽車空調中主要采用R134a工質,據簽署的 《京都議定書》,R134a也是將被淘汰的工質。以后汽車空調新型制冷劑中最具潛力的是CO2,CO2汽車空調系統(tǒng)最初的研究由挪威SINTEF研究所率先發(fā)起,他們先從理論上論述了CO2用于汽車空調領域的可能性,隨后又對CO2汽車空調系統(tǒng)進行了樣機實驗。CO2應用于汽車空調有許多優(yōu)勢:

1)汽車空調制冷劑易泄露、排放量大,采用CO2作為制冷劑有完全環(huán)保的特點;

2)CO2壓縮比低,因此壓縮機效率高,同時,高壓側CO2溫度變化大,使進口空氣溫度與CO2的排氣溫度可以非常接近,這樣,也減少了高壓側不可逆?zhèn)鳠嵋鸬膿p失。

國際上幾個著名的汽車公司對CO2汽車空調的研究和應用,作出了巨大的貢獻:1994年,由5個歐洲汽車制造商和4個配件商聯合發(fā)起了名為“RACE”的項目,聯合歐洲著名高校研制CO2汽車空調系統(tǒng),到2003年歐洲生產的部分汽車已裝備了CO2汽車空調系統(tǒng)。美國UIUC大學建立了相應的汽車空調實驗臺,對系統(tǒng)中回熱器特性進行了研究,并與R134a和R410A等工質進行了比較。Danfoss建立了CO2跨臨界汽車空調實驗臺,對系統(tǒng)的調節(jié)部件進行了分析和研究。Calsonic Kansei公司公布的該公司CO2轎車空調研制方面的進展表明,CO2汽車空調系統(tǒng)與R134a系統(tǒng)的制冷性能相當。1996年德國KONVECTA生產的以CO2為工質的公交客車空調通過了各種試驗,并進行了實際的運行。另外CO2汽車空調裝置在德國奔馳公司汽車上試用也取得了較好的效果。Konvecta公司生產的以CO2為工質的空調公交車已運行數年。在日本,豐田汽車公司與電子裝備公司共同研制的燃料電池汽車“FCHV”上安裝了CO2空調系統(tǒng),并進入了商業(yè)化階段。世界第二大汽車零件供應商維斯通也成功開發(fā)了CO2汽車空調系統(tǒng),并在2003年東京車展上展出。

這些成果表明,CO2跨臨界循環(huán)用于汽車空調不僅具有環(huán)境方面的優(yōu)勢,而且在系統(tǒng)效率方面也有提高的潛力[21]。

3.4 CO2制冷在熱泵系統(tǒng)中的應用

CO2熱泵領域的研究是1994年由挪威SINTEF研究所率先對CO2跨臨界循環(huán)在熱泵上的應用作了理論和實驗上的研究,隨后他們制作了CO2熱泵熱水器樣機,對其性能和系統(tǒng)設計進行了試驗研究。實驗結果表明:

1)在蒸發(fā)溫度為0℃時,水溫可以從9℃加熱到60℃,其熱泵能效比可高達4.3。同時,比起電熱水器和燃氣熱水器,它的能耗可降低75%,甚至更多;

2)傳統(tǒng)熱泵熱水器制取熱水一般不超過55℃,若要制得較高溫熱水則制熱系數下降;而CO2熱泵熱水器由于采用跨臨界循環(huán),在氣體冷卻器中的換熱溫差小,換熱效率高,能制得90℃高溫熱水;

3)在商用和住宅建筑的能量需求中,約有1/4～1/3來源于對熱水的需求。采用CO2熱泵為商用和住宅建筑供應熱水,可使其總用能量減少20%;

4)在寒冷地區(qū),傳統(tǒng)空氣源熱泵的制熱量和效率隨環(huán)境溫度的降低下降很快,熱泵的使用受到限制;而CO2熱泵系統(tǒng)在低溫環(huán)境下能夠維持較高的供熱量,大大節(jié)約輔助加熱設備所耗費的能量。

綜上所述,CO2跨臨界循環(huán)氣體冷卻器所具有的較高排氣溫度和較大的溫度滑移 (約80～100℃)與冷卻介質的溫升過程相匹配,使其在熱泵循環(huán)方面具有獨特的優(yōu)勢。跨臨界CO2熱泵及其部件的開發(fā)研究已經成為目前制冷領域的熱點之一。CO2作為制冷工質在熱泵中的應用,將有效解決空調冷熱源面臨的資源與環(huán)境的壓力,由于其節(jié)能的潛力非常大,開發(fā)CO2熱泵熱水器的市場前景廣闊,意義重大。

德國在CO2應用于熱泵領域的研究最為廣泛深入。Dresden大學的H.Quack教授搭建了跨臨界CO2熱泵系統(tǒng)試驗臺,通過試驗分析了系統(tǒng)的熱力學性能和各種循環(huán)方式的計算方法,并對系統(tǒng)部件的設計、選取和組裝進行了研究,且研制了CO2膨脹機以降低系統(tǒng)的節(jié)流損失,提高系統(tǒng)的COP。美國Richer等人開發(fā)了家用熱泵空調器,與R410a相比,當室外溫度較高時,跨臨界CO2熱泵的供熱系數稍低;當室外溫度較低時,兩個系統(tǒng)的換熱系數幾乎相等[22]。日本對CO2熱泵熱水器的研究開發(fā)起步也較早,目前的相關技術也較為成熟。在1995年,日本CRIEPI,東京電力公司和DENSO公司就開始合作研究CO2熱泵系統(tǒng),開發(fā)以CO2為工質的家用熱泵熱水器,產品自2002年投放市場后,銷售量穩(wěn)步上升。它以其節(jié)能、環(huán)保、高效的性能享有“生態(tài)精靈”的稱號。日本三洋、大金等公司也相繼研制開發(fā)推出了各有特色的CO2熱泵熱水器,且COP也隨之提高。Sanyo公司研發(fā)出了高效多功能天然工質CO2熱泵式加熱器,其制熱功率為7 kW,可廣泛應用于地板、浴室加熱系統(tǒng)和除濕系統(tǒng),目前,日本的CO2熱泵熱水器累計銷售量已達到幾百萬臺[23]。

4 CO2制冷劑的應用發(fā)展前景

CO2作為制冷劑的優(yōu)點和CO2在超臨界、跨臨界和亞臨界范圍內的使用價值,使CO2在國際上得到廣泛的認可,CO2可以應用于制冷空調系統(tǒng)的大部分領域,就目前發(fā)展現狀而言,在汽車空調、熱泵和復疊式循環(huán)等領域應用前景良好。在汽車空調、超市陳列柜,以及自動售貨機中正在提倡使用CO2制冷劑。在大型工業(yè)系統(tǒng)中,CO2作為復疊系統(tǒng)的低溫級制冷劑使用,通常以氨等作為高溫級制冷劑。在中型商業(yè)系統(tǒng)中,CO2也用作復疊系統(tǒng)的低溫級制冷劑,以HCFCs或HFCs作為高溫級制冷劑。CO2熱泵熱水器商業(yè)化的成功經驗,對開發(fā)CO2冷凍冷藏制冷系統(tǒng)是很好的借鑒。CO2具有良好的安全性能,從環(huán)境問題、安全問題和成本差異等方面比較,尤其是它的價格便宜。在全世界許多地區(qū)的應用正變得越來越流行,發(fā)展前景十分廣闊,隨著CO2制冷的研究技術問題的解決,CO2在制冷、空調和熱泵領域的發(fā)展將更加深入,應用更加廣泛。

在我國CO2制冷技術研究方面也取得了較大進步,開發(fā)了CO2制冷壓縮機樣機,進行了性能模擬和實驗研究,研究了CO2膨脹機和CO2制冷系統(tǒng)噴射器,取得了階段性研究成果。

因此我們可以預期CO2制冷劑的應用前景。除了汽車空調、熱泵和復疊式循環(huán)等,CO2還可以用在其它很多地方,如大型制冷系統(tǒng)、平板凍結機、螺旋凍結機、冰淇淋生產廠、奶制品廠、魚類加工廠、漁船和冷凍干燥設備等。事實上任何蒸發(fā)溫度高于-55℃的系統(tǒng)都可以采用CO2,99%的低溫制冷系統(tǒng)可以由NH3/CO2復疊式低溫制冷系統(tǒng)完成。以及環(huán)保、節(jié)能的CO2熱泵代表著空調和熱水器行業(yè)的高端技術產品,將是行業(yè)發(fā)展的新趨勢,隨著國際上對HCFCs和 HFCs物質限制日期的臨近,CO2熱泵系統(tǒng)必將代替?zhèn)鹘y(tǒng)的熱泵系統(tǒng)。

5 結語

二氧化碳是制冷空調行業(yè)的天然制冷劑之一,其在制冷行業(yè)的廣泛使用。國內外對二氧化碳制冷循環(huán)投入了大量的研究,應用研究日趨成熟,逐步向商業(yè)化應用發(fā)展,但仍然有待于進一步的改進和完善,特別是系統(tǒng)的循環(huán)效率和安全性與可靠性:一方面要保證高壓安全性,包括保證設計的各個系統(tǒng)部件及管道滿足承壓要求和保證系統(tǒng)超壓情況下的安全性;另一方面要加強研究CO2和潤滑油的相互作用以及CO2與橡膠的滲透作用和爆發(fā)性解壓作用,避免泄漏,提高安全性。在設備的開發(fā)方面,國內的研究應注意結合新材料的開發(fā)以及機械制造新技術的開發(fā),以及在相同的承壓能力的要求下,使設備的小型化得以實現。

盡管到目前為止,CO2制冷系統(tǒng)的系統(tǒng)效率不特別具有競爭力,投資成本也相對較高,但隨著人們環(huán)保意識的增強、以及對環(huán)境有影響的制冷劑的逐步淘汰,并隨著CO2制冷技術的發(fā)展、CO2制冷效率的提高以及向規(guī)?；瘧梅较虻倪M步,CO2制冷的應用前景十分樂觀,CO2已經成為最有前途的制冷劑之一。而中國人口眾多,隨著生活水平的提高,超市業(yè)的潛力巨大,推廣CO2制冷系統(tǒng)對我國具有重要的意義。

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