二氧化碳在熱泵系統(tǒng)中的應用

二氧化碳在熱泵系統(tǒng)中的應用

其他熱物特性二氧化碳是地球生物圈的組成部分之一。它是無害的。無機性。odp（oxydevice）為零，世界供暖潛在值為gwp（全球爐渣）為1。除了環(huán)境方面的友好性外,CO2還具有優(yōu)良的熱物性質(zhì)。如:CO2的容積制冷量是HCFC22的5倍,高的容積制冷量使設備更緊湊;高的流體密度使壓縮機進一步小型化,連接管道變細;它的粘度較低,在-40℃下二氧化碳液體粘度是5℃水的粘度的八分之一,即便在相對較低的流速下也可以產(chǎn)生湍流流動,有很好的傳熱性能;采用CO2后,循環(huán)系統(tǒng)具有較小的壓力比,可以提高壓縮機絕熱效率;同時,系統(tǒng)的壓力高,在管道及換熱器中相對低的壓降值使得壓差影響變小。基于CO2用作工質(zhì)的這些優(yōu)點,近年來美國、歐洲和日本等發(fā)達國家和地區(qū)的研究者們不斷嘗試將CO2應用于各種可能的制冷、空調(diào)和熱泵系統(tǒng)。本文將主要對二氧化碳熱泵系統(tǒng)的原理、它的應用前景和目前的開發(fā)研制情況作一系統(tǒng)的介紹。1co熱泵系統(tǒng)采用跨臨界循環(huán)的技術特點對CO2熱泵系統(tǒng)而言,首要的問題是確定應該采用什么樣的循環(huán)。單從熱物性方面講,CO2與常規(guī)工質(zhì)相比有較大差異,它的臨界溫度較低,僅為31.1℃。換句話說,只有當冷凝溫度低于30℃時CO2才可能采用與常規(guī)工質(zhì)相似的亞臨界循環(huán)。實際的熱泵運行參數(shù)處于這個限定條件內(nèi)的可能性比較小,而且冷凝器換熱過程中的“收縮點(Pinchpoihnt)溫度對加熱過程的溫度分布也有一定的限制。當熱匯(heatsink)平均溫度超過30℃時,CO2熱泵系統(tǒng)只能采用跨臨界循環(huán)。該循環(huán)的特點是蒸發(fā)吸熱過程發(fā)生在亞臨界區(qū),而放熱過程發(fā)生在超臨界區(qū)。采用跨臨界循環(huán)的CO2熱泵系統(tǒng)與常規(guī)工質(zhì)的熱泵系統(tǒng)相比有那些優(yōu)缺點是我們最關心的問題,并將決定那些熱泵裝置適合使用CO2工質(zhì)。為便于比較,圖1和圖2分別表示出CO2跨臨界循環(huán)和HFC134a的循環(huán)?？梢钥闯鯟O2跨臨界循環(huán)具有以下幾個明顯特點:①放熱過程中工質(zhì)和熱匯(水或空氣)之間的溫度分布曲線更加接近,溫差不可逆損失減小,這有利于提高循環(huán)系統(tǒng)的COP;②壓縮機壓比減小(HFC134a為5.7,CO2為2.6),有利于提高壓縮機的絕熱效率,進而提高循環(huán)的COP;③系統(tǒng)的運行壓力高,這對系統(tǒng)的材料強度、密封和管道連接等方面的要求更苛刻。CO2熱泵系統(tǒng)的基本組成與常規(guī)工質(zhì)的熱泵系統(tǒng)沒有什么大的區(qū)別,主要有四個部分即:壓縮機、冷凝器/氣體冷卻器、蒸發(fā)器和節(jié)流裝置。此外,有的熱泵裝置還設有回熱器、油分離器和汽液分離器以及其它一些輔助部分,如:控制系統(tǒng)高壓側(cè)壓力的自動控制裝置和為了系統(tǒng)的安全增設的安全閥件等。2試驗樣機的研制那些熱泵裝置可以采用CO2,許多研究者從理論上做了大量的研究工作,有的研究單位還建造了一些試驗樣機,并對其有關性能進行了測試。目前看來,CO2熱泵熱水器、熱泵烘干機和除濕機有較好的開發(fā)前景。2.1自適應熱壓縮技術在發(fā)達國家和地區(qū),熱水供應十分普遍,而且24小時不間斷。家用熱水器一般是將溫度為6-14℃的地下水加熱到60℃左右(注:各個國家和地區(qū)要求的溫度標準不同,如:歐洲為60℃,日本為65℃),而工業(yè)用熱水器則要求加熱到90℃左右。CO2熱泵熱水器是目前公認的各方面優(yōu)于常規(guī)工質(zhì)的熱泵熱水裝置,也是世界各國研究開發(fā)較多的裝置。與常規(guī)工質(zhì)的亞臨界循環(huán)相比CO2熱泵熱水器無論從能效方面還是從環(huán)境保護方面均有明顯優(yōu)勢。從熱力學角度看,由于采用了跨臨界循環(huán),一方面降低了傳熱溫差,另一方面可以使熱水的出口溫度達到常規(guī)工質(zhì)難以實現(xiàn)的90℃高溫,即便在冬季室外空氣溫度較低的環(huán)境條件下系統(tǒng)也可以有效運行。理論分析計算和對所開發(fā)的樣機測試結(jié)果均證明了這一點。奧地利的Rieberer通過對整個系統(tǒng)的模擬計算結(jié)果表明:將10℃的水加熱到60℃時,CO2熱泵熱水器的COP值為4.6,比HFC134a熱水器高出15%。挪威的Neks?!等人對所造的樣機的性能測試結(jié)果進一步證明了CO2熱泵熱水器在0℃的蒸發(fā)溫度下,水從9℃加熱到60℃時熱水器樣機的COP值為4.3;并且可以提供90℃的熱水;與電加熱熱水器和天然氣加熱器相比能耗降低75%。日本的Saikawa等人對改進的CO2熱泵熱水器測試結(jié)果證明它的年平均COP值可以達到3,即使在寒冷地區(qū)-20℃的環(huán)境溫度下仍可以提供90℃熱水。日本的另一個研究組對他們所建造的CO2熱泵熱水器現(xiàn)場測試表明:提供65℃熱水時,系統(tǒng)的年平均COP值為3.53;提供90℃熱水時,年平均COP為2.72;與熱水鍋爐相比CO2熱水器可減少約40%的CO2的排放量。HCFC22是目前熱泵熱水器中主要使用的工質(zhì)。從技術上講,CO2用于熱水器替代HCFC22比較成熟。在歐洲和日本,新的CO2系統(tǒng)已經(jīng)開始計劃步入商業(yè)生產(chǎn)階段。我國的熱水使用與發(fā)達國家相比尚還有較大差距,隨著我國經(jīng)濟的穩(wěn)步發(fā)展,家家戶戶用上熱水也很快成為現(xiàn)實,熱泵熱水器的市場潛力較大。2.2洗衣店常用的烘干機烘干機和除濕機是應用熱泵系統(tǒng)的理想裝置。濕空氣在蒸發(fā)器中被冷卻到露點溫度以下,析出水份。然后,被冷卻的空氣再進入冷凝器中加熱后排出。德國的Schmidt和Kl?cker等人針對洗衣店中常用的烘干機進行了系統(tǒng)的理論和實驗研究工作。他們發(fā)現(xiàn)熱泵烘干機中使用CO2工質(zhì)在能效和除濕能力方面均優(yōu)于其它工質(zhì)。理論分析表明CO2系統(tǒng)比HFC134a系統(tǒng)的COP值高7%左右。通過對所建造的試驗裝置的測試結(jié)果表明,CO2烘干機的COP值可達到6.5。家用或商業(yè)用熱泵烘干機與直接加熱式烘干裝置相比約有65%的節(jié)能潛力。2.3建成后的空調(diào)(1)供熱回水溫度在這類裝置中,水經(jīng)過冷凝器或氣體冷卻器加熱后直接進入供暖系統(tǒng)。因各個國家和地區(qū)所實行的標準不同,所研究開發(fā)的CO2熱泵空調(diào)機組中供、回水溫度有多個溫度水平,如90/70℃,55/45℃和35/30℃;90/70℃,70/50℃,50/40℃和35/30。環(huán)境溫度在-12到12℃條件下,當供、回水溫度為90/70℃時,熱泵機組的最優(yōu)COP值分別為1.8和3.5;供、回水溫度為55/45℃時COP值則分別為2.4和4.4,35/30℃時COP則分別為3.5和4.9。單從能效方面看,CO2在這類系統(tǒng)中并不比其它替代工質(zhì)(如HC290)有優(yōu)勢。Brandes分析計算和對所建造的機組樣機測試證實了采用93/40℃的加熱曲線時系統(tǒng)的COP值高于70/50℃時系統(tǒng)的COP值,前者的季節(jié)性能系數(shù)SPF(seasonalperformancefactor)高出后者14%。值得一提的是,在我國的天津大學對水加熱機組也進行了實驗研究。(2)溫度下加熱機組熱泵空調(diào)機組進口空氣溫度等于房間回風的溫度,如居室和辦公室內(nèi)的空氣溫度在19-21℃,工業(yè)企業(yè)要求在15-18℃,而加熱器出口的空氣溫度分別要求達到45和65℃。該類機組比水加熱機組的效率低。Richter等人對家用熱泵空調(diào)裝置的實驗研究發(fā)現(xiàn)當室外溫度較高時CO2熱泵的供熱系數(shù)HPF(Heatperformancefactor)稍低于R410A熱泵,而當室外溫度較低時兩者相當。3應該注意的是，在構(gòu)建2臺機組時，需要考慮的一些問題3.1co熱泵裝置應該明確任何一種工質(zhì)都有其優(yōu)缺點,不可能十全十美,CO2也不例外。從制冷工質(zhì)的使用歷史看CO2曾有過輝煌的時期。在1900年和1930年間,發(fā)達國家的歌劇院、飯店和醫(yī)院中普遍采用CO2空調(diào)制冷設備。1930年世界上開發(fā)出合成工質(zhì)氟里昂后,便開始逐步淘汰二氧化碳制冷空調(diào)設備。1955年世界上最后一臺CO2制冷設備停止使用。究其原因主要是CO2系統(tǒng)的能源效率低于氟里昂類工質(zhì)系統(tǒng)。隨著人們對環(huán)境問題的日益重視和有關氟里昂類物質(zhì)對環(huán)境破環(huán)作用方面了解的深入,天然工質(zhì)CO2再次受到了重視。CO2在環(huán)保方面的優(yōu)勢是其它常規(guī)工質(zhì)所無法比擬的,但是基于能效方面的改進仍有大量研究工作需要深入,這將直接影響著未來CO2熱泵裝置的市場。開發(fā)CO2熱泵裝置必須強調(diào)在其運行工況條件下是否具有可接受的循環(huán)性能系數(shù)COP值。不要盲目跟進,出現(xiàn)顧此失彼問題。目前看來,CO2熱泵熱水器、熱泵烘干機和除濕機有較好的開發(fā)前景。3.2采用半封閉式壓縮機在相同的運行工況條件下,CO2與常規(guī)工質(zhì)的熱物性有較大差異,CO2壓縮機工作在更高的壓力、更大的單位容積制冷量、更小的壓比以及更大的進排氣壓差(增壓3.5～7MPa)下,因此必須對壓縮機進行重新設計。壓縮機的類型很多,究竟何種型式更適合于CO2呢?從研究報道看,新近開發(fā)的CO2的壓縮機主要有:開啟式的活塞式和斜盤式壓縮機,半封閉活塞式壓縮機,半封閉渦旋式壓縮機,全封閉回轉(zhuǎn)式壓縮機,全封閉渦旋式壓縮機等。從理論上探討了可行性的還有滑片式壓縮機。總的看來,影響CO2壓縮機效率的主要因素是由高壓差所造成的泄漏捐失?；剞D(zhuǎn)式、渦旋式和螺桿式壓縮機的泄漏系數(shù)在相同的數(shù)量級上,它們均比活塞式壓縮機高出2個數(shù)量級左右,因此,比較合理的壓縮機設計是帶有曲軸或斜盤式傳動的活塞式壓縮機。氣缸數(shù)量要盡可能少,以便獲得較高的容積效率。和常規(guī)的制冷壓縮機相比,應選取合適的沖程與缸徑比,以降低工質(zhì)通過由很多活塞環(huán)連接起來的活塞和氣缸之間的CO2泄漏量。由于在高壓條件下CO2具有較大的密度,可以選用小氣缸直徑以減小軸承推力。壓縮機的曲軸箱工作壓力很高。最大靜壓可能達到8MPa,這種情況下,采用半封閉壓縮機更為可取,可以避免軸封問題。OfficineMarioDorin公司開發(fā)的半封閉式壓縮機是最接近批量生產(chǎn)的產(chǎn)品,包括雙缸單級和兩級活塞式壓縮機,單級壓縮機的輸氣量在0.5～10.7m3/h范圍內(nèi),兩級壓縮機則在0.6～12.7m3/h范圍內(nèi),額定轉(zhuǎn)速為2900r/min(50Hz)。由于CO2壓縮機重量重,殼體厚,輸氣量相對較小,在2900和3500r/min(50/60Hz)的轉(zhuǎn)速下仍具有較好的噪聲特性和震動特性,新開發(fā)的CO2壓縮機均設計在高轉(zhuǎn)速下工作。這意味著在相同的壓縮機尺寸下,CO2壓縮機理論輸氣量是常規(guī)壓縮機的兩倍以上,從而有更高的價格與冷量比。日本DENSO公司制造出了一種活塞式壓縮機樣機,并測試了它在各種不同的工況條件下的工作特性。當CO2壓縮機工作在很高的壓力時,用活塞環(huán)來密封效果很好,活塞余隙的氣體泄漏量也很小,基本可以忽略。SANYO開發(fā)出一種封閉式兩級滾動轉(zhuǎn)子式CO2壓縮機樣機(額定輸出750W)。這種壓縮機的絕熱壓縮效率達80%以上(高壓9MPa,低壓3MPa,吸入氣體溫度35℃的條件下)。它可用于家用熱泵熱水器裝置。經(jīng)過1000小時的耐久性試驗,每個運動部件的疲勞強度都比較令人滿意。由DENSO公司生產(chǎn)的半封閉渦旋式壓縮機被用于4.5kw供熱量的熱泵熱水器樣機中。日本的Matsushita電氣工業(yè)有限公司也研制出一種小容量封閉渦旋壓縮機,并分別從實驗和理論上進行了分析。從實驗結(jié)果看,壓縮機容積效率和絕熱效率隨著轉(zhuǎn)速的提高而提高。容積效率在80%左右,而壓縮機效率卻低于50%。模擬計算發(fā)現(xiàn),止推軸承損失占壓縮機損失的40%左右,該公司已經(jīng)將減少止推軸承損失作為下一步研究目標。理論上講,由于進、排氣口壓差較大,渦旋式CO2壓縮機應遠比渦旋式R410A壓縮機的容積效率低些,但事實上,兩者之間的差別相當小。Fukuta等人討論了CO2循環(huán)回路中采用滑片式壓縮機的可行性。經(jīng)過理論分析表明這種滑片式壓縮機具有一定的可行性。另外,他們還測試了改進的兩級滑片式壓縮機和壓縮機-膨脹閥組合下的性能。這些設備均有較好的應用潛力,即使在原來的余隙高度下,其性能達到了可以接受的程度。對壓縮機的制造和測試方面還未曾有報道。換熱器方面,由于高壓條件下有更好的傳熱特性和更高的容積制冷量,這使得CO2熱泵系統(tǒng)中的換熱器可以設計地更為緊湊、高效。對于氣體冷卻器/冷凝器,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。當加熱水時,逆流熱交換方式是很容易實現(xiàn)的。現(xiàn)有的一些CO2熱泵樣機中,水/CO2冷卻器主要有套管式和殼管式兩種類型的換熱器。套管式換熱器是一種簡單、經(jīng)濟的逆流式氣體冷卻器。這種型式的氣體冷卻器可以方便地接入系統(tǒng)回路中,而且加工制作也比較容易。它的最大缺點是管路長,水側(cè)和CO2側(cè)的壓力損失大,占地面積大。加熱空氣時,由于空氣和超臨界CO2氣體的熱力學性質(zhì)差異較大,交叉流或者交叉逆流混合換熱方式比較可行?？諝?CO2冷卻器,所開發(fā)的樣機中,一類是交叉流型式的管翅式換熱器,另一類是交叉逆流式,即新開發(fā)的帶百葉窗翅片管帶式換熱器,它的截面由多個微尺度通道構(gòu)成,每個小通道直徑為0.8mm,所用的材料為銅鋁合金。至于蒸發(fā)器,因其工作壓力一般低于5.1MPa(15℃時的飽和壓力),將其它熱泵系統(tǒng)中的一些蒸發(fā)器稍加改造就可以應用到新的系統(tǒng)當中。不同的熱源對蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)有不同的要求?？諝庠礋岜脴訖C的蒸發(fā)器多采用管翅式換熱器和新開發(fā)的帶百葉窗翅片的管帶式換熱器。水源熱泵蒸發(fā)器可以選用套管式、管翅式、管殼式以及板式換熱器等等。節(jié)流閥方面,由于高的工作壓力,在材質(zhì)強度方面要求比普通的節(jié)流閥更高。DANFOSS,EGELHOF,FLITSCH等公司已經(jīng)研制出一些用于跨臨界CO2系統(tǒng)中的膨脹閥。DANFOSS公司報道了在CO2系統(tǒng)中可用的膨脹閥:電子膨脹閥,可以根據(jù)不同的工況條件電子調(diào)節(jié)工質(zhì)的流動阻力;機械熱力膨脹閥,可以把蒸發(fā)器出口過熱度控制為所設定的值;機械自動調(diào)節(jié)閥,控制