軒福臣 謝 晶,3,4

(1. 上海水產(chǎn)品加工及貯藏工程技術(shù)研究中心，上海 201306；2. 上海冷鏈裝備性能與節(jié)能評(píng)價(jià)專業(yè)技術(shù)服務(wù)平臺(tái)，上海 201306；3. 食品科學(xué)與工程國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心〔上海海洋大學(xué)〕，上海 201306；4. 上海海洋大學(xué)食品學(xué)院，上海 201306)

當(dāng)今世界面臨著非常嚴(yán)峻的環(huán)境問(wèn)題，尤其是臭氧層破壞的問(wèn)題，為此，全社會(huì)都在尋找節(jié)能環(huán)保的綠色制冷方式[1]。斯德哥爾摩人類環(huán)境會(huì)議指出：為了人類的將來(lái)，保護(hù)環(huán)境已成為我們這一代人重要的任務(wù)，這個(gè)任務(wù)要與世界和平、經(jīng)濟(jì)發(fā)展協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)[2]。

CO2(R744)作為自然工質(zhì)，從自然界中容易獲得，在19世紀(jì)末到20世紀(jì)中期開(kāi)始使用，但CO2亞臨界制冷循環(huán)的效率偏低，隨著外界溫度的升高，CO2系統(tǒng)的制冷效率會(huì)變低，能耗變大，因而CO2未受到普遍關(guān)注[3]，取而代之的是氨、鹵代烴(CFCS、HCFCS、HFCS)制冷劑開(kāi)始出現(xiàn)。隨著臭氧層破壞成為全世界共同關(guān)注的問(wèn)題，人們逐漸認(rèn)識(shí)到鹵代烴是導(dǎo)致臭氧層破壞的主要原因；由于跨臨界CO2制冷循環(huán)的深入研究，目前CO2已作為清潔、環(huán)保、綠色的制冷劑被逐漸采用[4]。CO2(ODP=0，GWP=1)作為一種自然工質(zhì)，非常符合替代鹵代烴制冷劑的要求；同時(shí)，CO2作為制冷劑具有高密度、低黏度，流動(dòng)損失小、傳熱效果良好等優(yōu)點(diǎn)[5]，但CO2臨界壓力高，對(duì)壓縮機(jī)及管路設(shè)備有耐高壓要求，制冷劑容易發(fā)生泄漏，另外，中國(guó)對(duì)跨臨界CO2換熱器的研究起步較晚。因此，文章對(duì)跨臨界CO2循環(huán)制冷設(shè)備的研究及其應(yīng)用進(jìn)行了綜述，并對(duì)目前存在的問(wèn)題進(jìn)行了討論，提出了解決思路，旨在為跨臨界CO2設(shè)備的研究以及應(yīng)用提供更好的指導(dǎo)。

1 跨臨界CO2制冷循環(huán)系統(tǒng)所用設(shè)備

跨臨界CO2循環(huán)系統(tǒng)由壓縮機(jī)、節(jié)流裝置、換熱器等組成封閉回路，見(jiàn)圖1。CO2在蒸發(fā)器中吸收周圍環(huán)境中的熱量，然后進(jìn)入CO2壓縮機(jī)被壓縮，從壓縮機(jī)出來(lái)后進(jìn)入空氣冷卻器放出熱量，然后節(jié)流變?yōu)闈裾魵?，重新進(jìn)入蒸發(fā)器吸熱蒸發(fā)，進(jìn)而連續(xù)制冷。目前對(duì)跨臨界CO2制冷循環(huán)系統(tǒng)的研究大部分仍停留在計(jì)算機(jī)模擬仿真、理論分析、試驗(yàn)探索階段，進(jìn)入大規(guī)模應(yīng)用的案列較少。由于跨臨界CO2循環(huán)中壓力高，容易出現(xiàn)氣缸泄漏問(wèn)題，且CO2的高擴(kuò)散性能和低黏滯性會(huì)對(duì)密封產(chǎn)生不良影響，為了降低泄漏，系統(tǒng)需采用更有效的密封方式[6]。

1. 氣體冷卻器 2. CO2壓縮機(jī) 3. 蒸發(fā)器 4. 節(jié)流閥

1.1 CO2制冷壓縮機(jī)

CO2壓縮機(jī)是使CO2增壓并實(shí)現(xiàn)輸送的制冷設(shè)備。CO2的臨界壓力高(7.38 MPa)，臨界溫度較低(31.3 ℃)。因此，CO2壓縮機(jī)的運(yùn)行要求耐高壓，對(duì)管材、管件、閥門(mén)有較高要求，運(yùn)動(dòng)部件間隙控制要求更加精確，壓縮機(jī)的入口溫度要高于臨界溫度。如果CO2系統(tǒng)中存在水分，不但會(huì)造成冰堵，由于CO2與水反應(yīng)會(huì)生成碳酸，從而引起壓縮機(jī)的腐蝕，因此對(duì)CO2壓縮機(jī)材料有一定的要求；CO2壓縮機(jī)內(nèi)部壓力較高，壓縮機(jī)內(nèi)部的回油系統(tǒng)要求也更加嚴(yán)格。

侯秀娟[7]采用ANSYS軟件對(duì)CO2活塞式壓縮機(jī)的曲柄連桿機(jī)構(gòu)和渦旋式壓縮機(jī)的動(dòng)渦盤(pán)進(jìn)行了模擬研究，進(jìn)而對(duì)活塞連桿機(jī)構(gòu)和動(dòng)渦盤(pán)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)的制冷效率。Ma等[8]對(duì)跨臨界CO2壓縮機(jī)吸氣和排氣閥片的運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行了研究，并在CO2壓縮機(jī)的吸氣管段中加入了冷卻機(jī)構(gòu)，減少了不可壓縮液體對(duì)吸氣和排氣閥片造成的不良影響。Ling等[9]對(duì)CO2壓縮機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)頻率展開(kāi)了研究，建立了CO2壓縮機(jī)工作頻率與室外風(fēng)扇轉(zhuǎn)速之間的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)而對(duì)跨臨界CO2系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化。薛衛(wèi)東等[10]設(shè)計(jì)了微型CO2壓縮機(jī)，運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)用油泵進(jìn)行潤(rùn)滑，為了防止制冷劑泄漏，曲軸伸出端采用機(jī)械密封。Kus等[11]對(duì)無(wú)油渦輪式CO2壓縮機(jī)進(jìn)行了研究，評(píng)估了無(wú)油CO2壓縮機(jī)制冷系統(tǒng)運(yùn)行的可行性。

孫玉等[12]對(duì)多種形式的CO2壓縮機(jī)進(jìn)行了分析討論，對(duì)于CO2渦旋式壓縮機(jī)，主要解決了制冷劑泄漏的問(wèn)題；CO2活塞式壓縮機(jī)可以耐高壓，并采用橡膠密封環(huán)減少制冷劑的泄漏；滑片式CO2壓縮機(jī)比R134a壓縮機(jī)更適合在高轉(zhuǎn)速的條件下運(yùn)行，但在CO2壓縮機(jī)中，機(jī)械結(jié)構(gòu)的潤(rùn)滑、壓縮腔的泄漏、軸承的選用、制冷劑的泄漏等問(wèn)題比較突出，另外，氟化橡膠中的CO2滲透擴(kuò)散作用大于其他橡膠，因此CO2和潤(rùn)滑油的相互作用、CO2和橡膠的滲透作用是研究的重點(diǎn)，也可以開(kāi)發(fā)新型CO2壓縮機(jī)來(lái)解決潤(rùn)滑、泄漏等問(wèn)題。

1.2 CO2制冷循環(huán)系統(tǒng)換熱器

CO2換熱器主要由盤(pán)管和散熱片兩部分組成。盤(pán)管向液體提供升華過(guò)程所需的管程和熱量，促使液體沸騰汽化；散熱片是為了擴(kuò)大熱交換面積。

馬一太等[13]對(duì)CO2水—水泵展開(kāi)了試驗(yàn)探究，并將降膜式蒸發(fā)器引入到CO2熱泵系統(tǒng)，得出了吸氣過(guò)熱度的升高會(huì)影響壓縮機(jī)的排氣溫度，但不會(huì)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的效率造成影響。呂靜等[14]將CO2與微通道技術(shù)相結(jié)合，展開(kāi)了CO2在微通道蒸發(fā)器內(nèi)沸騰換熱的研究，為CO2微通道蒸發(fā)器的設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)。Ayad等[15]研究了不同管路在微型通道中CO2蒸發(fā)，建立了小通道內(nèi)CO2沸騰換熱試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)，同時(shí)建立了小通道內(nèi)CO2蒸發(fā)換熱系數(shù)的預(yù)測(cè)模型，并利用建立的水平流動(dòng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)該模型進(jìn)行了驗(yàn)證，該數(shù)據(jù)庫(kù)涵蓋了汽車空調(diào)中CO2蒸發(fā)器的運(yùn)行情況。與鹵代烴制冷劑不同的是，提高CO2的質(zhì)量速度并不能顯著改善傳熱系數(shù)，且加速了干涸現(xiàn)象的出現(xiàn)。在CO2超低溫級(jí)并聯(lián)熱泵系統(tǒng)的蒸發(fā)器蒸發(fā)過(guò)程中，常常由于干冰堵塞使得系統(tǒng)操作失敗，Yamasaki等[16]對(duì)蒸發(fā)/升華過(guò)程的擴(kuò)展通道進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并解決了此問(wèn)題。

跨臨界CO2制冷循環(huán)的制冷效率與氣體冷卻器的種類和換熱性能有必然的聯(lián)系，為了提高系統(tǒng)的制冷效率，需對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化分析。毛航等[17]對(duì)CO2-氣冷器的特性展開(kāi)了研究，通過(guò)改變翅片的結(jié)構(gòu)，采用ANSYS軟件建立數(shù)學(xué)模型，并將建立的數(shù)學(xué)模型導(dǎo)入mode FRNTIER軟件，應(yīng)用NSGA-Ⅱ遺傳算法對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，整理出了最優(yōu)參數(shù)。胡海濤等[18]研究了新型帶有氣冷器的CO2地源熱泵系統(tǒng)，搭建了該系統(tǒng)的試驗(yàn)?zāi)Ｐ停煞N不同的系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)CO2-氣冷器地源熱泵比R134a地源熱泵初投資低20%。諶盈盈等[19]創(chuàng)建了帶氣體冷卻器跨臨界CO2熱泵熱水系統(tǒng)模型，對(duì)管內(nèi)CO2和水側(cè)的流動(dòng)特性和傳熱性能進(jìn)行了模擬研究，結(jié)合最佳排氣壓力，得出了使系統(tǒng)高效運(yùn)轉(zhuǎn)的方法，為氣冷器的優(yōu)化提供了理論基礎(chǔ)。馬瑞芳等[20]建立了新型套管式氣體冷卻器熱力學(xué)仿真模型，從結(jié)構(gòu)和運(yùn)行參數(shù)兩方面對(duì)雙級(jí)套管式氣體冷卻器換熱特性的影響進(jìn)行了模擬研究，結(jié)果表明，在流量變化很小的情況下，調(diào)整管路兩側(cè)的換熱系數(shù)來(lái)增加總的換熱系數(shù)，進(jìn)而提高制冷效率。

Tassou等[21]將CO2氣體冷卻器與現(xiàn)有的CO2增壓器制冷試驗(yàn)臺(tái)相連接，采用分布(詳細(xì)模型)和集總(簡(jiǎn)單模型)方法建立了翅片管式CO2氣體冷卻器模型，分析和比較了CO2氣體冷卻器的尺寸和控制對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的影響。Tsamos等[22]在工程方程求解器平臺(tái)上建立了詳細(xì)的數(shù)學(xué)模型，并在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證，對(duì)兩種氣體冷卻器在CO2制冷循環(huán)系統(tǒng)中單獨(dú)安裝和試驗(yàn)設(shè)計(jì)中，制定了CO2氣體冷卻器的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。

換熱器是CO2制冷系統(tǒng)中重要的換熱設(shè)備，其換熱效果對(duì)制冷效率有著重要的影響。目前對(duì)換熱器的增強(qiáng)換熱是后續(xù)探索的重要方向，主要包括兩個(gè)方面：換熱器內(nèi)流體狀態(tài)的變化和對(duì)各結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，其中研究的方法有三類：數(shù)值模擬計(jì)算、試驗(yàn)方式研究、理論探究。中國(guó)對(duì)于換熱器的研究起步比較晚，換熱器的理論研究還有待提高，換熱器的模型建立大多停留在一維、二維方面，三維的換熱器模型研究比較少[23]。

2 跨臨界CO2制冷系統(tǒng)的應(yīng)用

中國(guó)每年對(duì)食品的需求量巨大，為了減少食品不必要的損失，食品低溫冷凍及加工過(guò)程顯得非常重要，CO2作為自然工質(zhì)，無(wú)毒，可代替鹵代烴制冷劑運(yùn)用于食品冷凍及精加工過(guò)程中。此外，CO2的氣化潛熱大，單位體積制冷量約為鹵代烴制冷劑的5～8倍；由于CO2的導(dǎo)熱系數(shù)高，液體和蒸氣的密度比值小，節(jié)流過(guò)后通過(guò)各管路的制冷劑分配比較合理，壓縮機(jī)及整個(gè)系統(tǒng)的尺寸可以設(shè)計(jì)得更小，使跨臨界CO2制冷系統(tǒng)比鹵代烴制冷循環(huán)系統(tǒng)更加緊湊。因此，跨臨界CO2制冷循環(huán)系統(tǒng)在食品行業(yè)、汽車空調(diào)、熱泵方面有很好的前景，其在不同行業(yè)中的應(yīng)用見(jiàn)表1，在應(yīng)用中的SWOT分析見(jiàn)表2。由表2可知，CO2的冷凝壓力約為10 MPa，為R134a的11倍，對(duì)設(shè)備及其閥門(mén)有較高要求，且需要采用中溫級(jí)和低溫級(jí)的雙級(jí)工作系統(tǒng)，前期投資較大。

表1 跨臨界CO2制冷循環(huán)在不同行業(yè)中的應(yīng)用Table 1 Application of cross-critical CO2 refrigeration cycle in different industries

表2 跨臨界CO2制冷循環(huán)在應(yīng)用中的SWOT分析Table 2 SWOT analysis of cross-critical CO2 refrigeration cycle in application

2.1 跨臨界CO2制冷循環(huán)系統(tǒng)在食品行業(yè)中的應(yīng)用

CO2作為制冷工質(zhì)，可以應(yīng)用于商超領(lǐng)域來(lái)冷凍冷藏食品，并以跨臨界方式運(yùn)行，如果發(fā)生制冷劑泄漏，由于CO2無(wú)毒無(wú)害，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不會(huì)產(chǎn)生較大的人員與食品安全的損失[24]。因此，跨臨界CO2制冷循環(huán)系統(tǒng)在食品行業(yè)中得到了普遍的應(yīng)用，截止2018年3月，全球主要國(guó)家跨臨界CO2制冷商超分布數(shù)量見(jiàn)圖2。由圖2可知，大約有10 000家超市采用了跨臨界CO2制冷循環(huán)系統(tǒng)，大部分集中在日本和歐洲地區(qū)；在歐洲所有超市中，采用跨臨界CO2制冷循環(huán)系統(tǒng)的超市占大多數(shù)?？缗R界CO2制冷系統(tǒng)具有高效節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)，與鹵代烴制冷系統(tǒng)對(duì)比經(jīng)濟(jì)性節(jié)能分析如圖3所示。挪威的EEMA1000超市采用了跨臨界CO2循環(huán)制冷系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能30%的效果。德國(guó)的麥德龍?jiān)赗eal商場(chǎng)中使用了跨臨界CO2系統(tǒng)[25-26]。在食品加工的水溫冷熱聯(lián)供上，徐建楚[27]將跨臨界CO2制冷循環(huán)系統(tǒng)與鹵代烴制冷系統(tǒng)冷水機(jī)組的進(jìn)行了比較，最后得出跨臨界CO2制冷系統(tǒng)的效率高于鹵代烴制冷系統(tǒng)的冷水機(jī)組。在挪威海岸運(yùn)行的水產(chǎn)品加工CO2制冷系統(tǒng)中，對(duì)蒸發(fā)器、噴射器進(jìn)行了數(shù)值研究，性能提高了70%[28]。

CO2機(jī)組制冷時(shí)，相關(guān)數(shù)據(jù)[29]顯示：CO2機(jī)組的冷凝熱是制冷量的1.2倍，隨意排放冷凝熱，會(huì)造成能源的損失，因此可以將排放的冷凝熱加以回收利用，用來(lái)制備熱水，可以用在肉類屠宰、水產(chǎn)品的蒸煮等方面。

圖2 全球主要國(guó)家跨臨界CO2制冷系統(tǒng)商超數(shù)量

Figure 2 The number of trans-critical CO2refrigeration systems in major countries

圖3 經(jīng)濟(jì)性節(jié)能分析Figure 3 Economic and energy saving analysis

經(jīng)研究[30]表明，跨臨界CO2制冷系統(tǒng)的制冷系數(shù)比鹵代烴制冷循環(huán)系統(tǒng)的高，即跨臨界CO2制冷循環(huán)系統(tǒng)能源利用率高，因此，跨臨界CO2制冷系統(tǒng)可以節(jié)約大量的能源。由于CO2的臨界溫度較低，運(yùn)行壓力為鹵代烴制冷劑的6～8倍，對(duì)設(shè)備要求高，且CO2配件的研發(fā)和生產(chǎn)技術(shù)多被歐洲發(fā)達(dá)國(guó)家掌握，如何使跨臨界CO2制冷系統(tǒng)在全球范圍內(nèi)更加高效、低廉的冷凍冷藏食品是未來(lái)研究的方向。

2.2 跨臨界CO2制冷循環(huán)系統(tǒng)在汽車空調(diào)中的應(yīng)用

由于環(huán)境問(wèn)題，為避免汽車空調(diào)行業(yè)面臨R134a替代困難的問(wèn)題，必須加大對(duì)環(huán)保制冷劑的研究力度。金紀(jì)峰等[31]研究了由微通道換熱器、氣液分離器等制冷設(shè)備組成的CO2跨臨界汽車空調(diào)系統(tǒng)，并對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了在線測(cè)試，發(fā)現(xiàn)制冷性能比R134a稍差，并測(cè)試了節(jié)流閥的開(kāi)度、CO2壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速等對(duì)CO2汽車空調(diào)性能產(chǎn)生的影響，該系統(tǒng)與傳熱效率非常高的微通道氣冷器相結(jié)合，提高了CO2汽車空調(diào)的制冷效率，并得出當(dāng)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速900 r/min，環(huán)境溫度25 ℃，系統(tǒng)COP達(dá)到最高為2.83。簡(jiǎn)林樺等[32]對(duì)CO2汽車空調(diào)中的氣冷器進(jìn)行了分析，用ANSYS軟件對(duì)CO2氣體冷卻器的換熱特性展開(kāi)了討論，研究了內(nèi)部速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)的變化，分別分析了排氣壓力、制冷劑流量等對(duì)氣體冷卻器的換熱影響，研究表明，減小氣冷器的CO2出口溫度時(shí)，排氣壓力的提高有助于增加制冷效率，通過(guò)增加冷卻水的流量來(lái)減小氣冷器的出口溫度，也有助于提高制冷系統(tǒng)的性能。葉禾等[33]從壓縮機(jī)、換熱器、膨脹閥等設(shè)備出發(fā)，對(duì)汽車CO2制冷系統(tǒng)部件進(jìn)行了狀況分析，并從理論上說(shuō)明了CO2制冷劑可以替代現(xiàn)有的鹵代烴制冷劑，但CO2制冷空調(diào)工作的環(huán)境壓力較高，對(duì)管路材料及其設(shè)備有較高的耐高壓要求。

為了提高CO2制冷空調(diào)的效率，Yu等[34]將不同比例的CO2和丙烷進(jìn)行混合，探究了不同比例下CO2和丙烷對(duì)CO2空調(diào)制冷效率的影響，并得出了CO2和丙烷的混合比例為3∶2時(shí)，此時(shí)系統(tǒng)COP達(dá)到最大值。CO2汽車空調(diào)系統(tǒng)中，壓縮機(jī)是耗能的主要部件，石明星等[35]建立了CO2汽車空調(diào)壓縮機(jī)穩(wěn)態(tài)模型，得出CO2的質(zhì)量流量、壓縮機(jī)的輸入功率、排氣溫度隨壓縮比的增加而增加。

2.3 跨臨界CO2制冷系統(tǒng)在熱泵技術(shù)中的應(yīng)用

熱泵是一種高效加熱裝置，可將能量由低溫處傳送到高溫處，工作原理是逆卡諾循環(huán)。目前CO2熱泵技術(shù)已開(kāi)始應(yīng)用于賓館、醫(yī)院、寫(xiě)字樓等場(chǎng)地[36]。以某賓館為例，按每年熱水需求量25 440 L，出水溫度65 ℃，進(jìn)水溫度15 ℃，楊德宇等[37]研究了不同熱源的熱水器年耗能量和年耗費(fèi)用，如表3所示。由表3可知，CO2熱泵熱水器的年實(shí)際耗能量和年運(yùn)營(yíng)費(fèi)用比其他類型的熱水器低，經(jīng)濟(jì)性能非常優(yōu)越。

葉箐箐等[18]分析了帶氣冷器的CO2熱泵系統(tǒng)，并對(duì)系統(tǒng)的特性進(jìn)行了預(yù)測(cè)，得出該系統(tǒng)比傳統(tǒng)的R134a系統(tǒng)節(jié)能23%。劉忠彥[13]應(yīng)用CFD軟件研究了CO2熱泵的蒸發(fā)器，并分析了該換熱器的換熱特性。易長(zhǎng)樂(lè)等[38]開(kāi)發(fā)了一種小型家用CO2熱泵系統(tǒng)，并對(duì)該系統(tǒng)的主要部件進(jìn)行了選型設(shè)計(jì)。CO2熱泵熱水器具有高效、環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)，車媛媛等[39]搭建了一套CO2熱泵熱水器循環(huán)裝置(圖4)，并對(duì)循環(huán)的參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算，通過(guò)改變循環(huán)水的進(jìn)口溫度、進(jìn)口流速等設(shè)計(jì)參數(shù)研究對(duì)系統(tǒng)性能的影響。陸軍亮等[40]研究了水源型CO2熱泵熱水器系統(tǒng)，測(cè)試了換熱器的進(jìn)水溫度對(duì)系統(tǒng)性能系數(shù)的影響。鄒春妹等[41]在跨臨界CO2熱泵熱水器中引入了噴射嘴，并對(duì)該CO2熱泵熱水裝置進(jìn)行了試驗(yàn)研究，分別分析了換熱效率、噴射效率等參數(shù)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生的影響。劉東岳等[42]對(duì)CO2熱泵熱水系統(tǒng)中毛細(xì)管的布置、內(nèi)外部影響因素進(jìn)行了分析，并對(duì)并聯(lián)的3條毛細(xì)管用于節(jié)流進(jìn)行了試驗(yàn)論證。Liu等[43]利用CO2變頻壓縮機(jī)制冷系統(tǒng)，對(duì)膨脹閥的開(kāi)度、冷熱水流量進(jìn)行調(diào)節(jié)，研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)壓縮機(jī)的頻率為50 Hz，膨脹閥的開(kāi)度為330脈沖，冷熱水流量分別為0.2，0.1 m3/h時(shí)，CO2熱泵COP達(dá)到最大。Song等[44]從理論和試驗(yàn)上研究了水溫對(duì)R134a和跨臨界CO2系統(tǒng)的影響，并得出在-20～7 ℃，水溫從15 ℃上升到32 ℃時(shí)，CO2熱泵系統(tǒng)能耗有所下降，此時(shí)供熱能力達(dá)到最佳。

表3 不同熱源熱水器的經(jīng)濟(jì)性對(duì)比?Table 3 Economic comparison of water heaters with different heat sources

? 熱源單價(jià)：a. 元/kg;b. 元/m3;c. 元/(kW·h)。

1. 節(jié)流閥 2. 內(nèi)部熱交換器 3. 氣體冷凝器 4. CO2壓縮機(jī) 5. 儲(chǔ)液器 6. 蒸發(fā)器

圖4 CO2跨臨界熱泵循環(huán)裝置圖

Figure 4 Diagram of CO2trans-critical heat pump circulator

CO2作為制冷劑應(yīng)用于熱泵系統(tǒng)，與其他常規(guī)制冷劑相比可以達(dá)到更高的排氣溫度，CO2壓縮機(jī)由于排氣壓力較高，壓縮比較小，因此，壓縮機(jī)的絕熱效率較高，更加節(jié)能。對(duì)CO2跨臨界系統(tǒng)的研究包括理論、試驗(yàn)研究、模型的建立，并利用中溫和低溫壓縮技術(shù)、過(guò)冷技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。CO2熱泵推廣面臨的首要問(wèn)題是系統(tǒng)壓力較高，對(duì)材料的要求及制造工藝更加嚴(yán)格，壓縮技術(shù)有待完善，未來(lái)的CO2熱泵技術(shù)可以與計(jì)算機(jī)控制深度融合，從而使CO2熱泵更加高效、穩(wěn)定、安全的運(yùn)行[45]。

3 結(jié)論與展望

由于CO2無(wú)毒無(wú)味，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，作為制冷劑時(shí)，在食品行業(yè)、汽車空調(diào)、熱泵中被逐漸采用，其中跨臨界CO2制冷循環(huán)在食品冷凍冷藏及商超領(lǐng)域發(fā)展迅速，并可以通過(guò)高溫冷凝熱的回收生成高品質(zhì)的熱源，實(shí)現(xiàn)安全、低碳、高效的利用價(jià)值；跨臨界CO2制冷循環(huán)應(yīng)用于汽車空調(diào)上不僅可以減少環(huán)境污染，還可以提高制冷系數(shù)，因此，跨臨界CO2循環(huán)汽車空調(diào)在未來(lái)有很大的應(yīng)用空間；CO2熱泵系統(tǒng)與普通的熱泵系統(tǒng)相比，跨臨界CO2熱泵系統(tǒng)可以一次性得到90 ℃的熱水，可以將低品位能源高效地轉(zhuǎn)化為高品位能源，在高溫?zé)岜妙I(lǐng)域有相當(dāng)大的優(yōu)勢(shì)，與其他類型熱水器相比，其經(jīng)濟(jì)性能非常優(yōu)越，但目前對(duì)家用熱泵與大型CO2熱泵的研究仍屬于空白部分，有相當(dāng)大的研究前景。

跨臨界CO2系統(tǒng)換熱器三維模型建立的研究較少，因此需進(jìn)一步展開(kāi)研究。此外，換熱器增強(qiáng)換熱也是未來(lái)研究的重點(diǎn)。CO2的臨界溫度低，排氣壓力高，節(jié)流損失比較大，因而對(duì)CO2和潤(rùn)滑油的相互作用及壓縮機(jī)材料的密封性是未來(lái)研究的熱點(diǎn)，以及開(kāi)發(fā)無(wú)油壓縮機(jī)和壓縮機(jī)的微型化設(shè)計(jì)也將是重點(diǎn)關(guān)注的方向?？傊诖罅Τ珜?dǎo)“綠色、環(huán)保、節(jié)能”的前提下，跨臨界CO2制冷系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)能源的節(jié)約，減少環(huán)境的破壞，符合環(huán)境友好型發(fā)展的需求。