二氧化碳在熱泵系統(tǒng)中的應(yīng)用

二氧化碳在熱泵系統(tǒng)中的應(yīng)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(wú)害的。無(wú)機(jī)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(shè)備更緊湊;高的流體密度使壓縮機(jī)進(jìn)一步小型化,連接管道變細(xì);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(duì)較低的流速下也可以產(chǎn)生湍流流動(dòng),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(jī)絕熱效率;同時(shí),系統(tǒng)的壓力高,在管道及換熱器中相對(duì)低的壓降值使得壓差影響變小?；贑O2用作工質(zhì)的這些優(yōu)點(diǎn),近年來(lái)美國(guó)、歐洲和日本等發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)的研究者們不斷嘗試將CO2應(yīng)用于各種可能的制冷、空調(diào)和熱泵系統(tǒng)。本文將主要對(duì)二氧化碳熱泵系統(tǒng)的原理、它的應(yīng)用前景和目前的開(kāi)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(shù)特點(diǎn)對(duì)CO2熱泵系統(tǒng)而言,首要的問(wèn)題是確定應(yīng)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(shuō),只有當(dāng)冷凝溫度低于30℃時(shí)CO2才可能采用與常規(guī)工質(zhì)相似的亞臨界循環(huán)。實(shí)際的熱泵運(yùn)行參數(shù)處于這個(gè)限定條件內(nèi)的可能性比較小,而且冷凝器換熱過(guò)程中的“收縮點(diǎn)(Pinchpoihnt)溫度對(duì)加熱過(guò)程的溫度分布也有一定的限制。當(dāng)熱匯(heatsink)平均溫度超過(guò)30℃時(shí),CO2熱泵系統(tǒng)只能采用跨臨界循環(huán)。該循環(huán)的特點(diǎn)是蒸發(fā)吸熱過(guò)程發(fā)生在亞臨界區(qū),而放熱過(guò)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(diǎn)是我們最關(guān)心的問(wèn)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(gè)明顯特點(diǎn):①放熱過(guò)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(jī)壓比減小(HFC134a為5.7,CO2為2.6),有利于提高壓縮機(jī)的絕熱效率,進(jìn)而提高循環(huán)的COP;③系統(tǒng)的運(yùn)行壓力高,這對(duì)系統(tǒng)的材料強(qiáng)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(méi)有什么大的區(qū)別,主要有四個(gè)部分即:壓縮機(jī)、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(shè)有回?zé)崞?、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(dòng)控制裝置和為了系統(tǒng)的安全增設(shè)的安全閥件等。2試驗(yàn)樣機(jī)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(yàn)樣機(jī),并對(duì)其有關(guān)性能進(jìn)行了測(cè)試。目前看來(lái),CO2熱泵熱水器、熱泵烘干機(jī)和除濕機(jī)有較好的開(kāi)發(fā)前景。2.1自適應(yīng)熱壓縮技術(shù)在發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū),熱水供應(yīng)十分普遍,而且24小時(shí)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(gè)國(guó)家和地區(qū)要求的溫度標(biāo)準(zhǔn)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(rèn)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(guó)研究開(kāi)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(wú)論從能效方面還是從環(huán)境保護(hù)方面均有明顯優(yōu)勢(shì)。從熱力學(xué)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(dá)到常規(guī)工質(zhì)難以實(shí)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(yùn)行。理論分析計(jì)算和對(duì)所開(kāi)發(fā)的樣機(jī)測(cè)試結(jié)果均證明了這一點(diǎn)。奧地利的Rieberer通過(guò)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的模擬計(jì)算結(jié)果表明:將10℃的水加熱到60℃時(shí),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(duì)所造的樣機(jī)的性能測(cè)試結(jié)果進(jìn)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(shí)熱水器樣機(jī)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(duì)改進(jìn)的CO2熱泵熱水器測(cè)試結(jié)果證明它的年平均COP值可以達(dá)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(gè)研究組對(duì)他們所建造的CO2熱泵熱水器現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試表明:提供65℃熱水時(shí),系統(tǒng)的年平均COP值為3.53;提供90℃熱水時(shí),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(shù)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(kāi)始計(jì)劃步入商業(yè)生產(chǎn)階段。我國(guó)的熱水使用與發(fā)達(dá)國(guó)家相比尚還有較大差距,隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)步發(fā)展,家家戶戶用上熱水也很快成為現(xiàn)實(shí),熱泵熱水器的市場(chǎng)潛力較大。2.2洗衣店常用的烘干機(jī)烘干機(jī)和除濕機(jī)是應(yīng)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(diǎn)溫度以下,析出水份。然后,被冷卻的空氣再進(jìn)入冷凝器中加熱后排出。德國(guó)的Schmidt和Kl?cker等人針對(duì)洗衣店中常用的烘干機(jī)進(jìn)行了系統(tǒng)的理論和實(shí)驗(yàn)研究工作。他們發(fā)現(xiàn)熱泵烘干機(jī)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(guò)對(duì)所建造的試驗(yàn)裝置的測(cè)試結(jié)果表明,CO2烘干機(jī)的COP值可達(dá)到6.5。家用或商業(yè)用熱泵烘干機(jī)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(guò)冷凝器或氣體冷卻器加熱后直接進(jìn)入供暖系統(tǒng)。因各個(gè)國(guó)家和地區(qū)所實(shí)行的標(biāo)準(zhǔn)不同,所研究開(kāi)發(fā)的CO2熱泵空調(diào)機(jī)組中供、回水溫度有多個(gè)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(dāng)供、回水溫度為90/70℃時(shí),熱泵機(jī)組的最優(yōu)COP值分別為1.8和3.5;供、回水溫度為55/45℃時(shí)COP值則分別為2.4和4.4,35/30℃時(shí)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(shì)。Brandes分析計(jì)算和對(duì)所建造的機(jī)組樣機(jī)測(cè)試證實(shí)了采用93/40℃的加熱曲線時(shí)系統(tǒng)的COP值高于70/50℃時(shí)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(guó)的天津大學(xué)對(duì)水加熱機(jī)組也進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。(2)溫度下加熱機(jī)組熱泵空調(diào)機(jī)組進(jìn)口空氣溫度等于房間回風(fēng)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(dá)到45和65℃。該類機(jī)組比水加熱機(jī)組的效率低。Richter等人對(duì)家用熱泵空調(diào)裝置的實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)室外溫度較高時(shí)CO2熱泵的供熱系數(shù)HPF(Heatperformancefactor)稍低于R410A熱泵,而當(dāng)室外溫度較低時(shí)兩者相當(dāng)。3應(yīng)該注意的是，在構(gòu)建2臺(tái)機(jī)組時(shí)，需要考慮的一些問(wèn)題3.1co熱泵裝置應(yīng)該明確任何一種工質(zhì)都有其優(yōu)缺點(diǎn),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(guò)輝煌的時(shí)期。在1900年和1930年間,發(fā)達(dá)國(guó)家的歌劇院、飯店和醫(yī)院中普遍采用CO2空調(diào)制冷設(shè)備。1930年世界上開(kāi)發(fā)出合成工質(zhì)氟里昂后,便開(kāi)始逐步淘汰二氧化碳制冷空調(diào)設(shè)備。1955年世界上最后一臺(tái)CO2制冷設(shè)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(duì)環(huán)境問(wèn)題的日益重視和有關(guān)氟里昂類物質(zhì)對(duì)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(shì)是其它常規(guī)工質(zhì)所無(wú)法比擬的,但是基于能效方面的改進(jìn)仍有大量研究工作需要深入,這將直接影響著未來(lái)CO2熱泵裝置的市場(chǎng)。開(kāi)發(fā)CO2熱泵裝置必須強(qiáng)調(diào)在其運(yùn)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(jìn),出現(xiàn)顧此失彼問(wèn)題。目前看來(lái),CO2熱泵熱水器、熱泵烘干機(jī)和除濕機(jī)有較好的開(kāi)發(fā)前景。3.2采用半封閉式壓縮機(jī)在相同的運(yùn)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(jī)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(jìn)排氣壓差(增壓3.5～7MPa)下,因此必須對(duì)壓縮機(jī)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。壓縮機(jī)的類型很多,究竟何種型式更適合于CO2呢?從研究報(bào)道看,新近開(kāi)發(fā)的CO2的壓縮機(jī)主要有:開(kāi)啟式的活塞式和斜盤(pán)式壓縮機(jī),半封閉活塞式壓縮機(jī),半封閉渦旋式壓縮機(jī),全封閉回轉(zhuǎn)式壓縮機(jī),全封閉渦旋式壓縮機(jī)等。從理論上探討了可行性的還有滑片式壓縮機(jī)?？偟目磥?lái),影響CO2壓縮機(jī)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(jī)的泄漏系數(shù)在相同的數(shù)量級(jí)上,它們均比活塞式壓縮機(jī)高出2個(gè)數(shù)量級(jí)左右,因此,比較合理的壓縮機(jī)設(shè)計(jì)是帶有曲軸或斜盤(pán)式傳動(dòng)的活塞式壓縮機(jī)。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(jī)相比,應(yīng)選取合適的沖程與缸徑比,以降低工質(zhì)通過(guò)由很多活塞環(huán)連接起來(lái)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(jī)的曲軸箱工作壓力很高。最大靜壓可能達(dá)到8MPa,這種情況下,采用半封閉壓縮機(jī)更為可取,可以避免軸封問(wèn)題。OfficineMarioDorin公司開(kāi)發(fā)的半封閉式壓縮機(jī)是最接近批量生產(chǎn)的產(chǎn)品,包括雙缸單級(jí)和兩級(jí)活塞式壓縮機(jī),單級(jí)壓縮機(jī)的輸氣量在0.5～10.7m3/h范圍內(nèi),兩級(jí)壓縮機(jī)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(jī)重量重,殼體厚,輸氣量相對(duì)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(dòng)特性,新開(kāi)發(fā)的CO2壓縮機(jī)均設(shè)計(jì)在高轉(zhuǎn)速下工作。這意味著在相同的壓縮機(jī)尺寸下,CO2壓縮機(jī)理論輸氣量是常規(guī)壓縮機(jī)的兩倍以上,從而有更高的價(jià)格與冷量比。日本DENSO公司制造出了一種活塞式壓縮機(jī)樣機(jī),并測(cè)試了它在各種不同的工況條件下的工作特性。當(dāng)CO2壓縮機(jī)工作在很高的壓力時(shí),用活塞環(huán)來(lái)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(kāi)發(fā)出一種封閉式兩級(jí)滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式CO2壓縮機(jī)樣機(jī)(額定輸出750W)。這種壓縮機(jī)的絕熱壓縮效率達(dá)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(guò)1000小時(shí)的耐久性試驗(yàn),每個(gè)運(yùn)動(dòng)部件的疲勞強(qiáng)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(jī)被用于4.5kw供熱量的熱泵熱水器樣機(jī)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(jī),并分別從實(shí)驗(yàn)和理論上進(jìn)行了分析。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看,壓縮機(jī)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(jī)效率卻低于50%。模擬計(jì)算發(fā)現(xiàn),止推軸承損失占?jí)嚎s機(jī)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(biāo)。理論上講,由于進(jìn)、排氣口壓差較大,渦旋式CO2壓縮機(jī)應(yīng)遠(yuǎn)比渦旋式R410A壓縮機(jī)的容積效率低些,但事實(shí)上,兩者之間的差別相當(dāng)小。Fukuta等人討論了CO2循環(huán)回路中采用滑片式壓縮機(jī)的可行性。經(jīng)過(guò)理論分析表明這種滑片式壓縮機(jī)具有一定的可行性。另外,他們還測(cè)試了改進(jìn)的兩級(jí)滑片式壓縮機(jī)和壓縮機(jī)-膨脹閥組合下的性能。這些設(shè)備均有較好的應(yīng)用潛力,即使在原來(lái)的余隙高度下,其性能達(dá)到了可以接受的程度。對(duì)壓縮機(jī)的制造和測(cè)試方面還未曾有報(bào)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(shè)計(jì)地更為緊湊、高效。對(duì)于氣體冷卻器/冷凝器,為了充分利用超臨界過(guò)程的溫度特性冷卻過(guò)程應(yīng)盡量采用逆流式換熱方式。當(dāng)加熱水時(shí),逆流熱交換方式是很容易實(shí)現(xiàn)的?，F(xiàn)有的一些CO2熱泵樣機(jī)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(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)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(diǎn)是管路長(zhǎng),水側(cè)和CO2側(cè)的壓力損失大,占地面積大。加熱空氣時(shí),由于空氣和超臨界CO2氣體的熱力學(xué)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。空氣/CO2冷卻器,所開(kāi)發(fā)的樣機(jī)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(kāi)發(fā)的帶百葉窗翅片管帶式換熱器,它的截面由多個(gè)微尺度通道構(gòu)成,每個(gè)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(shí)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(yīng)用到新的系統(tǒng)當(dāng)中。不同的熱源對(duì)蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)有不同的要求。空氣源熱泵樣機(jī)的蒸發(fā)器多采用管翅式換熱器和新開(kāi)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(qiáng)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(bào)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(dòng)阻力;機(jī)械熱力膨脹閥,可以把蒸發(fā)器出口過(guò)熱度控制為所設(shè)定的值;機(jī)械自動(dòng)調(diào)節(jié)閥,控制