二氧化碳热泵技术

二氧化碳热泵技术摘要：CO2作为热泵工质在跨临界状态下循环，在气体冷却器中产生温度滑移，适合水的加热。在分析了CO2跨临界循环特点的基础上指出，CO2可与传统的制冷剂及其替代物相竞争，具有较高的制热效率。给出CO2热泵干燥系统的两种形式，并作简要分析。指出CO2作为热泵工质面临的问题。关键词：二氧化碳；跨临界循环；热泵热水器；热泵干燥1CO2工质概述1.1CO2工质发展史在1850年,Twing提出在蒸气压缩系统中采用CO2作为制冷剂并获英国专利。1869年Lowe第一次成功使用CO2应用于商业制冷机,证实了CO2作为制冷剂的可能性。1882年Linde设计开发了采用C02为工质的制冷机。1884年Raydt设计的CO2压缩制冰系统获得了英国专利。1884年Harrison也设计了一台采用CO2的制冷装置并获得了英国专利。1886年Windhausen设计的CO2压缩机获得了英国专利,并于1890年开始投人生产。随后C02制冷剂的使用有了快速的发展。20世纪40年代在英国的船上广泛采用了CO2压缩机。1931年,以R12为代表的CFCs制冷剂一经开发,便以其无毒、不可燃、不爆炸、无刺激性、适中的压力和较高的制冷效率,很快取代了CO2在制冷方面的位置,CO2逐渐不再被作为制冷剂使用,最后一艘使用CO2制冷机的船只在1950年停止工作。进人到20世纪末期,由于CFCs对于臭氧层和大气变暖的重要影响,为保护环境,实现CFCs替代成为全世界共同关注的问题。世界范围内的CFCs替代进程在不断加快。中国制冷空调行业的替代转换工作起始于上世纪90年代初。前国际制冷学会主席G.Lorentzen在1989～1994年大力提倡使用自然工质,特别是对于CO2的研究与推广应用上起了很好的推动作用。目前跨临界CO2热泵及其部件的开发研究已经成为制冷领域的热点之一[1]1.2CO2工质的性质常温下,CO2是一种无色、无嗅的气体。其相对分子量为44.01,临界压力为7.37MPa,临界温度为31.1℃,临界容积为0.00214m3/kg,比热容为0.833kJ/(kg.K),三相点温度为-56.57℃,三相点压力为416kPa,在101.325kPa下,其升华温度为-78.15℃,蒸发热573.27kJ/kg。CO2是碳的最高氧化状态,具有非常稳定的化学性质,既不可燃,也不助燃。作为制冷剂,人们希望其安全性、循环效率、价格等方面均佳,但实际上并不存在一种十全十美的制冷剂。与其它制冷剂相比,CO2也有其优势与不足。表1和表2列出的几种制冷剂性质的比较。表1几种制冷剂主要性能比较[2]表2几种制冷剂的毒性【2】由上表可以看出，CO2作为自然工质，与常用制冷剂相比具有独特的优势：(1)环境性能优良。CO2是自然界天然存在的物质,它的臭氧层破坏潜能(ODP)为零,其温室效应潜能极小(GWP=1)。而现在作为推荐替代工质的HFCs及其混合物,其ODP虽为零,但GWP却比C02高1000～2000倍。(2)自身费用低,无需回收或再生,操作与运行的费用也较低。(3)化学稳定性好,完全适用于普通的润滑油和通常的制造材料。(4)有利于减小装置体积,高的工作压力使得压缩机吸气比容较小,使得容积制冷量增大,使得压缩尺寸减小。流动和传热性能提高,减少了管道和热交换器的尺寸,从而使系统非常紧凑。(5)安全无毒,不可燃,即使在高温下也不分解产生有害气体。2CO2跨临界循环及特点由于CO2临界温度较低(31.1℃)，其热泵循环流程采用的是跨临界循环(系统循环原理图及t-s图见图1)。CO2跨临界循环时，压缩机的吸气压力(图1中1点)低于临界压力，蒸发温度也低于临界温度，循环的吸热过程在亚临界条件下进行，换热过程主要依靠潜热来完成。但是压缩机的排气压力(图1中2点)高于临界压力，换热过程依靠显热来完成，此时高压换热器不再称为冷凝器，而称为气体冷却器。由图2可以看出，CO2跨临界循环具有以下几个特点：(1)放热过程是一个伴随有较大温度滑移的变温过程，这正好与水加热时的温升相匹配，是一种特殊的洛伦兹循环，可以减少高压侧不可逆传热引起的能量损失，有利于提高循环系统的COP；(2)与常规制冷剂相比，CO2跨临界循环的压缩比较小，约为2.5～3.0，可以提高压缩机的运行效率，进而提高系统的性能系数；(3)系统的运行压力高，这对系统的材料强度、密封和管道连接等方面的要求更苛刻；(4)传统的亚临界系统，制冷剂在冷凝器出口的焓值仅是温度的函数，而CO2跨临界循环系统中，超临界压力状态下温度和压力彼此独立，所以高压侧压力对制冷剂焓值有影响，高压侧压力也会对制冷量、压缩机功耗和COP值产生影响，由图2可知在最佳排气压力下，循环系统的性能系数COP可达到最大【3】。(a)系统循环原理图（b）t-s图图1CO2跨临界循环图2制冷量、压缩机功耗、COP值与压缩机排气压力的关系3CO2热泵系统及其应用3.1热泵热水器CO2跨临界循环应用的另一个主要领域是热泵热水器,近年来CO2热泵热水器技术发展迅速。与常规的氟里昂热泵热水器相比,CO2热泵热水器能制取90℃的高温热水,而常规的氟里昂热泵热水器的热水温度一般只能达到55～65℃；同时CO2热泵的制热性能系数也比常规的氟里昂热泵循环高,可达到4.0以上。但是CO2制冷剂在热泵热水器系统中的压力要比常规的氟里昂系统R410A高很多,因此CO2热泵系统需要专门设计。表3给出了CO2热泵实际系统与氟里昂R410A系统中的主要参数对比情况。从表3可以看出,与R410A制冷剂相比,CO2热泵系统的高压压力达到12MPa,系统在这样的高压下运行,必须考虑系统承受高压的性能、高压保护、压缩机的选择、润滑油的选择等一系列问题。表3CO2制冷剂在热泵实际系统中的压力等参数[2]图3是挪威NTNU-SINTEF实验室关于二氧化碳热泵热水器试验系统图[4]。图中省去了各种控制阀和传感器。实际系统中，热源为工业废气、空气等，这里采用电加热乙二醇溶液来模拟热源，气体冷却器采用逆流流动。蒸发器是板壳式换热器，能承受较高的压力。节流阀开度根据高压侧的排气压力动态调节，使系统在最优高压侧压力下运行。图3二氧化碳热泵热水器试验系统示意图试验结果表明二氧化碳适合作为热泵热水器制冷工质。以空气作为热源，当供应热水温度为60℃时，二氧化碳热泵热水器的能量消耗比电或燃气热水器降低了75％。图4显示了制热系数随蒸发温度的变化情况[5]，水温从10℃升至60℃。蒸发温度升高，制热系数基本成线性规律上升。图4制热系数随蒸发温度变化曲线实际工程中应尽量提高蒸发温度。制热系数随出口水温升高而降低，图5显示了制热系数随热水温度变化情况[4]。当二氧化碳热泵热水器生产达到90℃热水时，可正常运行，但效率会降低。当蒸发温度为0℃，热水从60℃上升到80℃时，制热COP相应从4.3降至3.6[4]。图5制热系数与热水温度变化曲线图Saikawa等对二氧化碳热泵热水器的研究表明它的年平均COP可达到3。其他研究者对二氧化碳热泵热水器现场测试则表明：提供65℃热水，年平均COP为3.53；提供900℃热水，年平均COP为2.72【6】。试验和实践均表明：二氧化碳热泵热水器适合热水的制取，并具有较高的效率。表4给出了日本几家公司所生产的CO2热泵热水器的产品规格。表5给出了表4所列出耗电量和性能系数所测定的工况。关于CO2热泵热水器的测试标准,目前国际上还未统一，日本、欧洲和美国等国家各有相应的标准。表4热泵热水器的产品规格表5耗电量和性能系数所测定的工况3.2热泵干燥系统干燥是工农业生产中广泛使用且耗能巨大的加工工艺，发达国家干燥能耗占国家工业能耗的7％～15％，在我国一般干燥过程的能耗约占整个加工过程总能耗的10％[7]。自20世纪70年代初石油危机以来，世界各国均对干燥加工的节能技术展开了大量的研究，热泵干燥是在这种背景下产生的一种新型节能干燥技术。研究和应用实践表明，热泵干燥较常规气流干燥。在能源消耗和干燥成本方面具有明显的优势。热泵干燥系统的形式较多，从节能的角度出发，目前大多采用闭路式热泵干燥系统。图6是基本的CO2热泵干燥系统示意图，由热泵循环和空气循环组成。热泵循环由压缩机、气体冷却器、节流阀、蒸发器等组成。空气循环由风机、干燥室和辅助冷凝器等组成。图6基本的C02热泵干燥系统在图6所示的干燥系统中，由于节流阀的节流作用，使气体冷却器出来的CO2流体从超临界状态变成气液两相状态，节流损失远大于常规卤代烃工质的节流损失。为减少节流损失，第二种CO2热泵干燥形式在第一种形式的基础上，用膨胀机代替节流阀，如图7所示，其中膨胀机与压缩机同轴联接以回收部分膨胀功，减少压缩机的耗功。图3带膨胀机的C02热泵干燥系统CO2热泵干燥的循环过程由热泵循环和空气循环组成(见图6、7)，热泵循环用于对干燥介质(空气)在气体冷却器中加热和在蒸发器中降温除湿，提高空气的吸湿能力；空气循环提供空气流动的通道，使空气在系统中循环流动，完成对干燥物料的干燥除湿[8]。4存在的问题CO2工质在热泵中的应用研究才进行10几年的时间，目前还存在着许多有待突破和改进的地方：（1）新型高效CO2压缩机的开发与改进。例如,双级滚动活塞压缩机为代表的双级压缩机使结构更紧凑,系统布置更灵活,而且双级压缩会减小压差,减小泄露和机械损失,能够显著地提高系统效率和压缩机的效率,将是未来压缩机发展的一个方向。（2）膨胀-压缩机的研制。在CO2跨临界循环中,降低膨胀部分的损失,是解决效率的有效途径。利用膨胀机的输出功率驱动压缩机完成压缩过程,使膨胀机与压缩机组成一体而形成膨胀压缩机,这种膨胀压缩机将成为CO2循环中特有的组成部分。（3）高效跨临界循环热交换器的设计。针对CO2工质的流动和传热特性，设计出高效的CO2热泵热水器换热器，从而提高系统效率。（4）CO2系统安全性相关的研究需进一步加强。设计时需满足系统各个部件的承压要求，保证高压运行的安全性（5）先进控制方式的研究，从而使系统更加可靠、稳定，使用更加方便。（6）关于CO2热泵的测试标准，各国尚不统一。在研制出口产品时，需针对出口国的要求进行测试。参考文献[1]郭蓓，彭学院，邢子文．二氧化碳热泵热水器系统及压缩机的研发现状[J]．家电科技.2005，(9)：42—44．[2]袁秀玲.现代制冷空调理论应用与新技术[M].西安交通大学出版社.2009.[3]杨宗凌，陈汝东.CO2工质在热泵热水器中的应用[J].节能.2007，4；37-39.[4]PetterNeksa．CO2heatpumpwater：characteristics,systerndesignandexperimentalresults[J]．InternationalJournalofRefrigeration，2001，(1).[5]PetterNeksa．CO2heatpumpsystems[J]．InternationalJournalofRefrigeration，2002．421-427．[6]李小飞,陈汝东.CO2循环的特点及其在热泵热水器中的应用[J].流体机械.2005,33（2）：59-61.[7]王以清．节能环保型热泵干燥装置[J]．能源工程．2000，(5)：25．26[8]曾宪阳,马一太,李敏霞,刘圣春.二氧化碳热泵干燥系统的研究[J].FLUIDMACHINERY.2006,34(4):52-56.