下载文档原格式
两级节流跨临界CO2引射制冷系统性能模拟及实验研究CO2作为一种天然制冷剂,其ODP值为0、GWP值为1,非常符合我们对环境保护的要求。
传统跨临界二氧化碳制冷系统压力高,节流损失较大,因此提升系统COP意义重大。
本文采用针阀和引射器两种节流装置对系统进行两级节流,其中第一节流装置用来控制高压侧压力,第二节流装置控制蒸发温度并回收部分膨胀功。
本文主要对系统中的第二节流装置引射器进行了数值模拟和实验研究,研究了不同工况条件下的系统性能,分析了系统性能的影响因素;实验对比了第二节流装置采用引射器和使用传统节流装置对系统性能的影响。
本文使用ANSYS CFX对不同尺寸的引射器内部流动及性能进行了数值模拟,分别模拟了不同引射器进口压力条件下引射器内部速度场、温度场、压力场及引射比。
模拟结果表明:二氧化碳在引射器中速度整体上呈先增加后减小的趋势;压力、温度在第二喷嘴喉部处出现快速下降;对喷嘴距分别为0mm、9mm、15mm 的引射器内部的速度分布、压力分布、温度分布及引射比等参数的模拟。
结果表明,喷嘴距为9mm时引射器的引射比最大。
同时,对混合室长度分别为92mm、124mm的引射器模拟结果表明,混合室长度为124mm的引射器性能高于于混合室长度92mm的引射器性能。
实验数据表明,在固定蒸发压力和气冷器出口温度时,压缩机功耗随排气压力的增加呈增加趋势,制冷量及系统性能系数随排气压力的增加呈先增加后减小的趋势,在排气压力为9MPa时系统性能达到最值。
对于不同的工况条件,系统性能系数随喷嘴距的增加呈先增加后减小的趋势,在喷嘴距为9mm时系统性能系数取得最大值。
混合室长度分别为92mm、124mm的引射器实验数据表明,使用混合室长度为124mm引射器的系统性能系数大于混合室长度92mm引射器的系统性能系数。
这些结论与数值模拟结论是一致的,但引射器引射比模拟值要高于实验值。
引射器节流与传统节流的比较结果表明,在相同的实验工况条件下,使用引射器节流装置减少了的二氧化碳节流损失,提升了二氧化碳制冷系统性能。
CO2跨临界循环在热泵热水器中的应用（郑州轻工业学院机电工程学院）摘要全球正面临着严重的温室效应和臭氧层破坏问题，各国都致力于研究出氟利昂的替代制冷剂。
CO2是一种天然工质，它优于其它常用制冷剂的性能表现正好符合现在的环境要求，是热泵热水器系统最具潜力的替代工质之一。
分析目前市场上出现的各种热水供应设备，将CO2和其他制冷剂做性能比较，给出了CO2跨临界循环的典型流程和特点；对CO2跨临界特性、设备的开发以及循环的可靠性和安全性进行综合分析。
说明CO2跨临界循环在热泵热水器中应用的优越性，以及该技术在国内的应用前景和方向。
关键词二氧化碳跨临界循环热泵热水器A Study on The Application of CO2 Transcritical Cycle inHeat Pump Water Heater(College of Mechanical and Electrical Engineering in Zhengzhou University of LightIndustry)Abstract We are facing serious whole world green-house effect and the ozone layer destroyed in recent years, every country is focusing on the research of a replaced refrigerant of the HFC.CO2is a natural substance, it has a more excellent performance than the other refrigerants, which is competent for the enviromental request nowadays. So it can be the most potential refrigerant in heat pump water heater to replace the HFC. By analysing a series of devices, providing hot water, saled in the markets, and comparing CO2 with the the other refrigerants, this article tells the typical diagram and the characteristic of the CO2transcritical cycle and anlyses the properties of CO2refrigeration transcritical cycle, the equipment exploitation and the security and reliability of the CO2transcritical system.The aim is to introduce the superiority of the application of CO2 transcritical cycle in heat pump water heater, and tell us the potentiality and the direction of CO2 transcritical cycle technology in China. Keywords CO2 transcritical cycle heat pump water heater0前言二氧化碳作为制冷剂已经超过100年。
跨临界循环二氧化碳制冷系统研究作者：胡国威来源：《城市建设理论研究》2012年第36期摘要：本文对CO2跨临界制冷循环的典型流程与特点进行了阐述；并从超临界CO2特性的研究、CO2制冷设备的研究和开发以及CO2跨临界循环系统安全和可靠性方面展开论述，分析了二氧化碳跨临界循环制冷的发展趋势。
关键词：二氧化碳；跨临界循环；制冷中图分类号：TQ116.3文献标识码： A 文章编号：前言：作为最早的制冷剂之一，CO2在19世纪得到了广泛的应用。
到19世纪30年代，世界上约80%的船舶采用了CO2制冷，但是当时的CO2制冷效率不够高，功耗极大，并逐渐被同期出现的以R12为代表的氟氯烃制冷剂代替。
近年来，制冷剂对臭氧层破坏加剧，且造成了全球温室效应等诸多环保问题，CO2作为制冷剂重新出现在公众视野中。
本文将对CO2跨临界循环制冷的研究现状和进展进行介绍。
一、CO2跨临界制冷循环流程及其特点CO2跨临界制冷循环基本流程CO2跨临界制冷系统流程图如图1所示，压缩机对气体工质进行压缩，使其压力升至超临界压力之上，（f—a过程），进而在气体冷却器内由冷却介质对其进行冷却（a—b过程）；为使制冷压缩机的性能系数（COP）有所提高，在内部回热器中，压缩机将进一步对从气体冷却器中释放的气体进行回气冷却（b—c,e—f过程）；最后进行节流降压（c—d过程），部分液体发生液化，在进入蒸发器后，湿蒸气发生汽化（d—e过程）进而对附近的介质热量进行吸收，最终达到了制冷目的。
储液器的作用是进行液气分离并负责制冷剂的补充。
图1 CO2跨临界制冷系统流程图本系统的最显著特点是工质的吸热和放热过程在相对应的亚临界区和超临界区分别进行，压缩机的吸气压力要比临界压力低，临界温度高于蒸发温度，循环吸热过程依然在亚临界状态下发生，通过潜热完成换热过程。
但是临界压力低于压缩机的排气压力，所以工质的冷凝过程不同于其在亚临界状态下的过程，而是通过显热实现换热过程。
超临界二氧化碳动力循环与氦动力循环的比较目前，世界上正在建设和研究的高温气冷堆都是使用He作为工质，这是因为He具有很好的稳定性、化学相容性及热传导性。
但是，He作为工质存在一些不足，例如动力循环需要较高的温度、难于压缩等，给反应堆和换热部件的结构材料、叶轮机械的设计带来很多困难。
出于降低反应堆结构材料要求、减少技术难度、提高反应堆的安全性与经济性等各方面的考虑，有学者进行了选取CO2作为循环工质的研究。
CO2虽然在稳定性、热传导性方面比He稍差，但CO2具有合适的临界参数，不需要很高的循环温度就可以达到满意的效率，且具有压缩性好、储量丰富等优点。
采用CO2作为循环工质可以降低循环温度和压缩功，从而提高反应堆的安全性，同时降低反应堆造价。
超临界CO2的闭式布雷顿循环被推荐在铅冷快堆及钠冷快堆中使用。
1.二氧化碳布雷顿循环分析<1）二氧化碳布雷顿循环CO2与He在动力循环中最大的不同点就是气体性质随压力、温度的变化差别很大<表1-1）。
高压<7.5 MPa）环境中，CO2的导热系数λ、定压比热容cp和压缩因子z均与低压<0.1 MPa）下的参数有很大差异；在循环工况下，He循环可以视为理想气体循环，除密度外，其余参数变化不大。
动力循环的工况，CO2的工作参数在其临界点<7.377 MPa，31℃）附近；因此，CO2动力循环除与He循环有相同的决定因素外，还取决于动力循环的不同实际工况，即超临界压力、跨临界压力及亚临界压力3种循环工况<图1-1）。
超临界循环：循环压力及温度均在临界参数以上；跨临界循环：循环高压侧压力高于临界压力，低压侧压力低于临界压力；亚临界压力循环：循环压力均低于临界压力，工作于气相区。
b5E2RGbCAP表1-1 CO2和He热物性比较<35℃）工质P/MPaρ/kg·m-3λ/W·(m·K>-1CP/kJ·(kg·K>-1zCO27.5277.60.03532 5.93060.4630.1 1.950.014970.8280.879 He7.511.320.1604 5.198 1.0330.10.1560.1571 5.1980.999 <2）CO2简单循环与He循环的对比分析以英国改进型气冷堆<AGR）为例。
单一C02跨临界压缩机运行制冷技术简况技术优势:该循环系统的最大特点就是工质的吸、放热过程分别在亚临界区和超临界区进行。
压缩机的吸气压力低于临界压力,蒸发温度也低于临界温度,循环的吸热过程仍在亚临界条件下进行,换热过程主要是依靠潜热来完成。
但是压缩机的排气压力高于临界压力,工质的冷凝过程与在亚临界状态下完全不同,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。
在以空气为热源、热汇的制冷和热泵系统(主要是汽车空调以及家用空调)中,CO2循环在跨临界条件下运行,其工作压力虽然较高,但压比却很低,压缩机的效率相对较高;流体在超临界条件下的特殊热物理性质使它在流动和换热方面都具有无与伦比的优势,超临界流体优良的传热和热力学特性使得换热器的效率也很高,这就使得整个系统的能效较高,完全可与传统的制冷剂(如R12、R22等)及其现有的替代物(如R134a、R410A等)竞争。
加上CO2在气体冷却器中大的温度变化,使得气体冷却器进口空气温度与出口制冷剂温度可能非常接近,这自然可减少高压侧不可逆传热引起的损失。
由于CO2的临界温度低,为31, ℃因此, 制冷循环采用跨临界制冷循环时,其排热过程不是一个冷凝过程,压缩机的排气压力与冷却温度是两个独立的参数,改变高压侧压力将影响制冷量、压缩机耗工量及系统的COP。
研究分析表明,高压侧压力变化时,循环的COP 存在着一个最大值,因此,CO2跨临界制冷循环在对不同工况下,存在对应于最大COP 值的最佳排气压力。
CO2 在气体冷却器中较大的温度变化,正好适合于水的加热,从而使热泵的效率较高。
传统空调系统大多把冷凝热当作废热而直接排向大气,既造成能量的浪费又产生环境的局部热污染。
而对跨临界循环,由于超临界区工质密度在不断增加,循环的放热过程必将有较大的温度滑移,这种温度滑移正好与所需的变温热源相匹配,是一种特殊的劳伦兹循环,其用于热回收时,必将有较高的放热效率,因而用于较高温度和较大温差需要的热回收时具有独特的优势。
CO2跨临界（逆）循环的热力学分析时第19卷第6期工程热物理1998年11月JOURNALOFENGINEERINGTHERMOPHYSICS,r0l19.NO6NOV..1998CO2跨临界(逆)循环的热力学分析6I\马一太√吕灿仁(天津大学热能研究所天津300072)关键词co(R744),跨临界循环,热泵,回热器,膨胀机冉1)f乏未●.'...'.....…_..'一-1前言世界各国开展了寻求CFC和HCFC替代物的广泛研究.到目前这项研究已有了实质性的进展.主要提出了包括R134a在内的若干HFC及其混合物来替代R12,1%502和R22等,并且已开始商业化生产.但人们已发现这些新工质并没有达到"长期"替代物的要求,大部分HFC都有较高的温室效应和某些缺陷.随着世界范围制冷空调技术的应用和发展,对各种制冷工质的需求量逐年上升,每年达到数十万吨的消耗量,其中绝大部分将扩散到大气中去.这些物质的寿命或长或短,都会增加温室效应,或分解产生其它的副作用.人类大规模生产地球上本来不存在的气态物质,最终要破坏地球的生态平衡.作为制冷剂,在上世纪末至本世纪三十年代前CO2(R744),氨(R717),SO2(R764),氯甲烷(R40)等曾被广泛应用.由于上述除CO2之外的工质都有毒性或可燃性,无毒不燃的CO.在民用制冷和船用制冷等方面有其不可替代的优势.据文献记载,英国的HiglandChief商船在1890年安装了第一台CO2制冷机,从此CO2制冷机开始在海运轮船上普及.到1930年,80%船舶采用CO2制冷机,其余的20%则用氨制冷机,最后一艘配有CO2制冷机的轮船是在1950年退役的.CO2用于空调机较晚.它在1919年出现在剧院和商业空调,1927年用于办公楼, 1930年用于民用空调.当臭氧层破坏基本有了解决途径之后,温室效应引起人们较大的关注.CO是温室气体,但从分子角度看,各种HFC的温室效应是CO2的1000---2000倍,大量生产和应用HFC必将加速全球变暖的趋势.已故的前国际制冷学会主席G.Lorentzen曾发表多篇论文,大力提倡使用自然制冷工质,包括氨,碳氢化合物和CO2.他认为CO2是"无可取代的制冷剂",可望在制冷和热泵中发挥作用.挪威SINTEF研究所率先进行汽车空调用CO2作为制冷剂的实验研究,样机实验已得出较好的结果,德国也开展CO2工质汽车空调和热泵应用的研究.2C02热力学性质及优势采用CO2为逆循环工质是基于几方面的考虑.首先CO2是自然界存在的物质.它的臭氧层破坏势ODP值为零,其温室效应势GWP值也很低.实际上,CO2可来源于国家自然科学基金资助项目.车文曾于1997年u月在洛阳召开的中国工程熟物理学会工程热力学与能源利用学术会议上宣读修改稿于1998年1月13日收到.工程熟物理l9卷工业废气,对它加以利用并不增加其在大气中的浓度.另外,作为自然工质的CO2安全的物质,无毒不燃,容易获得,价格便宜,并与目前常用的材料相容,其热物性数据比较成熟.CO2有较低的临界温度和较高的工作压力,用于逆循环的放热过程可处于超临界区,具有较大的温度滑移,该放热过程可以和变温热源相匹配,因此是一种特殊的劳伦兹循环,亦可称三角循环.该循环更适合于以水为热源的热泵系统,以实现提供较高温度的热量输出并有较高的用能效率.这些独特的优势使CO2可作为CFCsHCFCs和HFCs的长期替代物,有非常光明的应用前景.3CO2跨临界循环(TranscriticalCycle)及其最大COP图1给出CO2逆循环系统原理图,它与普通制冷循环基本相似.所不同的是,压缩机的排气压力在临界压力之上,工质在超临界区经定压放热,如图2的1-2-3—4—1.此类循环有时也称为超临界循环(SupercrltlcalCycle).这是当前C02制冷循环研究中最为活跃的循环方式.在跨临界循环或超临界循环时,高压端换热器不叫冷凝器,而称气体冷却器(GasCoder).蒸发器图1简单CO2循环系统4,(a)T一5-图(b)P—h图图2不同压缩比下的CO2循环与外界冷却流体的温度有关.CO2在高压下冷却到终温,可有不同的压缩比,其COP值随压缩比P2/只有较大变化.图2为不同压比下的循环热力图,在一定的压缩比下其COP达最大值,见图3.在典型的空调工况下,=7.2.C,=32.C403o耋252.01510517l92I232527压缩比图3CO2跨临界循环的大G0P504540353o253035404550/℃图4最大G0P和的关系T3=40.c,并用理想压缩机,最大COP:3.61.计算表明,COP随的增加迅速下降,并随的增加而增加,见图4. 在本文中所有CO2的COP都是在给定条件下的最大值.4C02的回热循环对CO2来说,减少节流损失的有效途径之一就是采用回热循环.计算表明,当回热器中蒸气过热温度为25.C时,COP可提高6%,但压缩机的吸气量因过热度的提高而下降.见图5的相对值月与月d.6期马一太菩:c02跨临界(逆)循环的热力学分析6675C02双级压缩循环示于图6的双级压缩系统可有效地降低排气温度与单级压缩相似,在一定的压缩比尸4/下可达COP最大值.计算时中间压力=,/马××∈式中∈=1.0一l_2,根据不同工况进行调整,以保证=图7给出的结果指出,在相同的工况下,双级压缩比单级压缩的COP提高12～l4%.111OtJ.9《t1.807图5回热循环相对00P和吸气量与回热度DT1的关系图6双级压缩系统热力图6用膨胀机回收膨胀功图7单级和双级压缩系统的G0P理论上讲,在制冷循环中可以用膨胀机代替节流阀,以回收工质从高压到低压过程的膨胀功,原理图见图8.但这在传统的亚临界逆循环中几乎没有采用.原因是多方面的,如膨胀机工作在两相流条件下,膨胀功相对数量较小,工质的容积膨胀比很大(一般20—40),这样的膨胀机实现起来有许多技术上的困难.CO2跨临界循环的膨胀机同样也面临着许多难题,但比常规工质更具有可行性.如cO2的容积膨胀比是常规工质的十分之一,仅为2—4;其膨胀功所占的比例也较大,回收起来更有效益.如果设膨胀机的效率为0.65,压缩机的绝热效率为0.8,电机效率为0.9,采用四种循环模型:(1)简单循环,(2)单级压缩回热循环,嘭(3)双级压缩回热循环,(4)用膨胀气体冷却器机的单级压缩循环.在相同的条蔫发器件下,其循环实际cDP依次提高,图8有膨胀机的单级如图9所示-其中第(4)种模型是压缩系统一个很有研究和应用前景的方向图9四种模型的G0P值随的变化关系7热回收一C02循环的优势几乎所有空调系统都把冷凝熟释放到环境中,这是极大的浪费.但在传统空调系统的冷凝温度太低不便于回收.如果适当提高冷凝温度,空调系统可同时用于空气调节和热回收,COP会随之下降考虑一热泵系统,其热回收温度为一较高水平,如65.c.对霉工程热物理l9卷于R22循环,设=70.C,和与上述相同,计算得COPfL22=3.226.对于CO2循环COPco=3.725,其比值为1.12.可见在此系统中CO2可发挥重要作用.多年来人们在研究热泵循环时一直在寻求一种理想的工质,希望在蒸发过程中有较小的相变温差,以和自然界的低温热源相匹配;在冷凝过程中有较大的相变温差,以适应热泵采暖,热泵干燥等梯级放热的要求.CO2的跨临界循环正好能达到这一要求.8结论本文从热力学循环分析角度揭示了CO2跨(超)临界循环的特性,分析可得出:(1)COz具有优良的热力特性和环境特性,其跨临界循环有独特的热力学特性.(2)采用双级压缩回热循环,CO2循环的COP值可以和R22,R134a等常规循环相接近.(3)因Co2在跨临界循环中有很小的容积膨胀比和较大的膨胀功,其单级压缩亦可得到较高的COP,研究实现用膨胀机代替节流阀有非常重要的意义.(4)分析表明CO2跨临界循环可在热泵余热回收系统中发挥大的作用,达到冷热联供.致谢作者感谢美国伊利诺大学空调制冷研究中心主任ClarkW.Bullard对论文研究工作提供的方便和建议.参考文献1w_lJi&nHMotz.PrinciplesofRefrigeration,Nickerson&CollinsCo.Chicago. 1932GuatavLocentzcn,JosteinPettersen.ANewEl丑cientandEnvironmentallyBenignSystemforCarAi卜ConditioningInt.JRefrig.16r1:2l4【司Jc~teinPettersenAnEfficientNewAutomobileAi卜ConditioningSystemDasedonCO2VaporCompressionASHARE.Tra珊.1994.057MSonnekalb.JKohle~.AI卜ConditioningUnitUsingCOaa日RefrigerantInstalledinaBus.Intern~tionaIConferen∞oROzoneProtectionTechnologies.0ct21-23.1996Washington[5]JWertenbacb,JMaue.COaRefrigerationSysteminAutomobileAi卜Conditi.ning.InternationaI ConfexenceonOzoneProtectionTechnologies.Oct2I_231996Wemhington THERMoDYNAMICANALYSIS0FC0,TRANSCRITICALCYCLEMAYitaiYANGZhaoL寸Canreu(Therma/EnergyResearv~ht如TianfinUniverslT/ard~300072)AbstractCo2isasafenatrualrefHgerantwhichhadbeenandwillbewidelyusedinaircondi—tioningandheatpumpsystemsThethernodynamicanalysisoftheC02transcritiealcycle ispresentedinthispaper.TheresultshowsthattheC02cyclesoffersheatrecoverybenefit asahepumpsystem.ItispossiblethattheCOPvalueofC02cycleCancompetewith thoseofR22orR134a-ftwostagecompressionsystemoranexpandersystemareused. KeywordsCO2(R744),transcrlticulcycle,heatpump1expander。
二氧化碳跨临界循环的理论分析与研究乔丽李树林西安建筑科技大学710055摘要：本文主要对自然工质二氧化碳的替代进行研究。
对其热力性质、循环特性进行分析研究，以求进一步完善R744循环。
关键词：自然工质跨临界循环热泵气体冷却器Theoretical Studies and analysis on Transcritical CO2 CyclesAbstract: This paper studies the CO2which one of natural refrigerant, analyzes its thermal properties, the character of CO2 cycle, to make transcritical CO2 cycle more perfectly.Keywords: natural refrigerant, transcritical system, heat pump, gas cooler1前言当前环境问题已成为一个重要的全球问题，其中臭氧层破坏和温室效应问题直接关系到人类的健康和生存，引起了人们的高度重视。
在制冷及热泵装置中广泛使用的CFCs、HCFCs工质是引起臭氧层破坏的主要原因，而且，这些工质为温室气体，已列入逐步被淘汰之列。
制冷空调行业为了适应CFCs和HCFCs制冷工质的淘汰，纷纷转轨使用HFCs，人们一直认为HFCs 是CFCs制冷工质的长期替代物。
现在《京都议定书》又将HFCs列入了温室气体清单中，要对它们的排放加以控制。
国内外制冷空调行业均在探索如何总结历史经验，寻求正确、科学地解决由于环保要求提出的制冷工质替代问题，力争少走弯路。
为了应对环保要求的挑战，在寻找、开发替代制冷工质的过程中，逐渐形成了两种替代路线：即以美国、日本为首的国家仍主张使用HFCs[1]，包括开发纯组分的新一代制冷工质或二元、三元共沸和非共沸混合物；德国、瑞士等欧洲国家主张使用自然工质，包括HCs、CO2、NH3等。
