河南 李陽

淺談二氧化碳熱泵技術(shù)的發(fā)展

河南 李陽

當(dāng)前環(huán)境問題已備受關(guān)注，其中臭氧層破壞和溫室效應(yīng)問題已經(jīng)影響到人們的健康生活。在熱泵系統(tǒng)中，CFCs對臭氧層和大氣變暖有很大影響，而CO2作為大氣成分之一，其ODP為零，GWP相對較小，作為制冷工質(zhì)有其獨特的優(yōu)勢，成為世界各國學(xué)者和企業(yè)所研究的重點。

二氧化碳；熱泵技術(shù)；發(fā)展

引言

熱泵熱水器相對于燃?xì)鉄崴?、電熱水器和太陽能熱水器，具有安全、?jié)能和安裝適用范圍廣的特點，因此，被稱為第四代熱水器。而熱泵熱水器所用的工質(zhì)中，R11和R114最高可獲得100℃以上的高溫?zé)崴蛘羝?，R12可獲得80℃左右的熱水，R22可獲得60℃左右的熱水。但是，R11、R114和R12屬于CFCs類工質(zhì)，R22屬于HCFCs類工質(zhì)，對自然環(huán)境有很大的危害作用。自從世界各國簽訂《蒙特利爾議定書》和《京都議定書》以來，臭氧層破壞和溫室效應(yīng)等環(huán)境問題越來越受到人們的重視，廣泛應(yīng)用于制冷、空調(diào)和熱泵系統(tǒng)的氟利昂受到了限制及禁用，各國展開了氟利昂替代物質(zhì)的研究工作。普遍的觀點認(rèn)為，自然工質(zhì)將是最終的替代方案，而自然工質(zhì)CO2以其對臭氧層不產(chǎn)生任何破壞，且溫室效應(yīng)很小，無毒，價格低廉等優(yōu)勢，受到人們的關(guān)注。

一、二氧化碳工質(zhì)的優(yōu)點

表1-1幾種常用制冷劑主要性能的比較

從表中可以看出，與其他常用工質(zhì)相比，CO2工質(zhì)具有以下優(yōu)勢：

1.ODP為零，GWP值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于CFCs和HFCSs，符合環(huán)保要求。

2.CO2的分子量比較小，相同蒸發(fā)溫度下氣化潛熱大，因此單位容積制冷量也較大。

3.CO2工質(zhì)的絕熱指數(shù)達(dá)到1.33，在幾種潛在替代工質(zhì)中是最高的。因此壓縮機(jī)的排氣溫度較高，可滿足制取高溫?zé)崴男枰?/p>

二、二氧化碳工質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)

CO2工質(zhì)的循環(huán)有兩種形式，一種為亞臨界循環(huán)，一種為跨臨界循環(huán)。

1.亞臨界循環(huán)

圖1 CO2亞臨界循環(huán)

1850年，美國人Alexander Twining提出將CO2作為制冷劑應(yīng)用于蒸汽壓縮系統(tǒng)中。19世紀(jì)末，CO2制冷系統(tǒng)大部分應(yīng)用于船舶領(lǐng)域。到1919年，CO2制冷系統(tǒng)才開始應(yīng)用于舒適性空調(diào)系統(tǒng)中，并逐漸應(yīng)用于商業(yè)建筑和公共設(shè)施。

雖然CO2具有一定的優(yōu)勢，但在亞臨界循環(huán)中，相對于其他普通制冷劑，CO2制冷劑暴露出了臨界溫度低、臨界壓力高、制冷能力較差的弱點，導(dǎo)致其應(yīng)用范圍小，難以推廣。20世紀(jì)30年代，以R12為代表的氟利昂制冷劑以其無毒、無可燃性、無刺激性、適中的壓力和高的制冷效率，取代了CO2在制冷方面的應(yīng)用。

2.跨臨界循環(huán)

近年來，由于氟利昂制冷劑的溫室效應(yīng)和對臭氧層破壞問題日益受到人們的關(guān)注。前國際制冷學(xué)會主席G.Lorentzen提出了跨臨界CO2循環(huán)系統(tǒng)。與亞臨界循環(huán)相比，其容積效率較高、單位容積制冷量大、工作壓力高，能夠使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，提高換熱效果，擴(kuò)大了其應(yīng)用范圍。因此，CO2工質(zhì)再一次受到人們的重視。目前，CO2作為工質(zhì)主要應(yīng)用于汽車空調(diào)系統(tǒng)、熱泵系統(tǒng)和復(fù)疊式制冷系統(tǒng)。

三、國內(nèi)外CO2熱泵技術(shù)的研究現(xiàn)狀

1.國外的研究現(xiàn)狀

跨臨界CO2循環(huán)最早是由挪威NTNU/SINTEF能源研究所的Gustav Lorentzen教授提出，并對其在熱泵領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了理論分析和試驗研究。研究結(jié)果表明在蒸發(fā)溫度為0℃，把9℃的水加熱到60℃時，CO2熱泵系統(tǒng)比電熱水器和燃?xì)鉄崴鞴?jié)能75%以上，最高水溫可加熱到90℃。

德國在CO2應(yīng)用于熱泵領(lǐng)域的研究最為廣泛深入。Dresden大學(xué)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(xué)性能和各種循環(huán)方式的計算方法，并對系統(tǒng)部件的設(shè)計、選取和組裝進(jìn)行了研究，且研制了CO2膨脹機(jī)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(diào)器，與R410a相比，當(dāng)室外溫度較高時，跨臨界CO2熱泵的供熱系數(shù)稍低；當(dāng)室外溫度較低時，兩個系統(tǒng)的換熱系數(shù)幾乎相等。日本成功的將CO2熱泵熱水器推向了市場。2000年，日本的Denso公司制造了第一臺CO2熱泵熱水器。大金公司采用了滾動轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)，使CO2熱泵系統(tǒng)COP最高可達(dá)4.02；日本三洋公司采用了滾動活塞式壓縮機(jī)，COP提高了25%；松下電器采用了渦旋式壓縮機(jī),COP比以前開發(fā)的兩級壓縮系統(tǒng)提高了102%～109%。目前，日本的CO2熱泵熱水器累計銷售量已達(dá)到幾百萬臺。

2.國內(nèi)的研究現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)多集中于CO2工質(zhì)的熱力學(xué)循環(huán)分析和跨臨界CO2熱泵系統(tǒng)試驗臺的搭建和系統(tǒng)分析，大多處于試驗階段。

國內(nèi)對CO2熱泵熱水器進(jìn)行研究的主要單位有天津大學(xué)、上海交通大學(xué)、浙江大學(xué)和清華大學(xué)。1998年，天津大學(xué)熱能研究所首先對跨臨界CO2循環(huán)的機(jī)理進(jìn)行分析，研制出了效率將近50%的第3代膨脹機(jī)，申請了十余項技術(shù)專利。他們還開展了跨臨界CO2熱泵采暖系統(tǒng)的設(shè)計、可行性分析、單級與雙級熱水系統(tǒng)運行參數(shù)對比分析等理論研究。

四、二氧化碳熱泵熱水器的研究方向

目前，CO2熱泵熱水器的研究主要是跨臨界CO2熱泵系統(tǒng)，以降低成本和提高系統(tǒng)效率為目的。

1.開發(fā)高效率CO2壓縮機(jī)?？缗R界CO2熱泵系統(tǒng)所用的壓縮機(jī)與常規(guī)壓縮機(jī)不同，它的工作壓力高，對制造壓縮機(jī)材料的強度、韌性要求更高。

2.開發(fā)高效跨臨界CO2熱泵系統(tǒng)換熱器。應(yīng)根據(jù)自然工質(zhì)CO2的流動和傳熱特點，開發(fā)出高效的跨臨界CO2熱泵系統(tǒng)的換熱器，增加換熱器的換熱系數(shù)，進(jìn)而提高系統(tǒng)的COP。

3.開發(fā)高效CO2膨脹機(jī)。由于CO2熱泵系統(tǒng)壓縮機(jī)的吸排氣壓差很大，節(jié)流過程中有很大的熱動力損失，所以應(yīng)降低節(jié)流損失?？刹捎肅O2膨脹機(jī)的輸出功驅(qū)動壓縮機(jī)完成壓縮過程。

結(jié)語

環(huán)保、節(jié)能的CO2熱泵熱水器代表著空調(diào)和熱水器行業(yè)的高端技術(shù)產(chǎn)品,將是行業(yè)發(fā)展的新趨勢。隨著國際上對HCFCs和HFCs物質(zhì)限制日期的臨近，跨臨界CO2熱泵系統(tǒng)必將代替?zhèn)鹘y(tǒng)的熱泵系統(tǒng)。

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（作者單位：河南省輕工業(yè)學(xué)校）

（編輯 王旸）