跨临界二氧化碳热泵——系统原理图

二氧化碳跨临界循环制冷CO 2作为制冷剂的应用历史•CO 2作为最早的制冷剂之一，在19世纪末到20世纪30年代得到了普遍的应用，到1930年，80%的船舶采用CO 2制冷。

•但由于当时采用的CO 2亚临界循环制冷效率低，特别是当环境温度稍高时，CO 2的制冷能力急剧下降，且功耗增大。

•同时，以R12为代表的CFC 或氟氯烃制冷剂的出现，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等特点，很快取代了CO 2在安全制冷剂方面的位置。

•近年来，制冷剂对臭氧层的破坏和全球温室效应等环保问题日益突出，而CO 2跨临界制冷循环的提出，CO 2作为制冷剂开始重新得到重视•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。

CO作为制冷工质的优缺点2优点•良好的安全性和化学稳定性•具有与制冷循环和设备相适应的热物理性质•CO2优良的流动和传热特性•CO2制冷循环的压缩比较常规工质制冷循环低缺点•运行压力高•循环效率低带回热器和不带回热器的CO 2跨临界单级循环进行理论分析和实验性能测试2•典型的CO 2跨临界单级循环主要由压缩机、气体冷却器、节流阀和蒸发器组成．图1和图2分别给出了CO 2跨临界单级循环原理图和细图．图l 中：低压气态制冷剂经压缩机被压缩成高压气态制冷剂(过程l 一2)，经气体冷却器进行定压放热(过程2—3)，然后经节流阀进行节流降压(过程3—4)，低压液态制冷剂在蒸发器内进行定压吸热(过程4一1)，最后回到压缩机，从而完成一个循环．2•制冷循环增设回热器，可以减小节流损失、增大制冷量，从而提高系统性能．图3和图4分别给出了带回热器的CO 2跨临界单级循环原理图和细图．两个循环性能对比分析•图5给出了两个循环COP随蒸发温度的变化．随着蒸发温度的增加，两个循环COP均呈增加趋势，蒸发温度越高，系统性能越优；•在整个蒸发温度变化范围内，带回热器循环平均性能要比不带回热器循环提高4．55％左右；•对于理想压缩机循环，系统性能要比实际循环性能高33．3％以上，但这种理想循环是不存在的．•图6给出了两个循环COP 随气体冷却器出口温度的变化．•随着气体冷却器出门温度的增加，两个循环COP均呈下降趋势，温度越高，系统性能越差；•在气体冷却器出口温度变化范围内，带回热器循环平均性能要比不带回热器循环提高5．23％左右．•两个循环COP 随压缩机排气温度的变化，见图7．•在排气温度变化范围内，相同对比条件下，带回热器CO 2跨临界单级循环系统COP 要高于不带回热器循环，且带回热器单级循环排气温度要稍高些．•无论带回热器还是不带回热器循环，随着压缩机效率提高，系统COP 均变大，压缩机排气温度均有所降低，不带回热器循环降低幅度较大．•由图7还可以看出，两个单级循环都存在一个最优排气温度，使得在此温度下系统COP 最大，带回热器循环对应最优排气温度要高于不带回热器循环最优排气温度．结论•(1)在蒸发温度变化范围内，带回热器循环平均性能要比不带回热器循环提高约4．55％；在气体冷却器出口温度变化范围内，带回热器循环平均性能要比不带回热器循环提高约5．23％；相同对比条件下，带回热器CO跨临界单级循环系统COP高于不2带回热器循环的，且带回热器单级循环最优排气温度稍高些．•(2)两种单级循环的制热量、制冷量、制热COP和制冷COP，均随压缩机排气压力增加存在极值；随冷却水流量、冷冻水流量以及冷冻水进口温度增加而增加，随冷却水进口温度增加而下降．•(3)相同测试工况下，带回热器循环系统具有较高的性能．其中，制热量和制冷量分别比不带回热器的单级循环平均高约3．33％和5．35％，制热COP和制冷COP分别提高约11．36％和14．29％．CO2跨临界循环的应用前景与研究进展•1、汽车空调•2、热泵•3、食品冷藏•4、循环系统关键设备的研究进展•1、汽车空调•过去汽车空调中一般使用CFC12作为制冷工质，这使得汽车空调制冷剂的排放量在所有氟利昂的排放中占有相当大的比例。

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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。

CO2跨临界循环热泵热水器实验研究李敏霞 龚文瑾 刘秋菊 马一太 鞠小雨天津大学热能研究所 300072Email: tjmxli@摘要：本文对CO2跨临界循环热泵热水器进行了实验研究，测定了压缩机功率，同时对热水器在不同工况下的工作情况进行了测试，发现在热水器在环境温度越高，其效率越高，在夏季，此热水器会有比较高的效率。

在出水温度为60o C 时，系统COP可达到3.0以上，但入水温度越高越不利于系统效率，因此适合于直流式供水系统。

如果CO2跨临界循环热泵热水器的制冷与热水功能同时利用，系统总效率可达5.0以上。

关键词：CO2跨临界循环，热泵热水器，COP1 引言CO2作为制冷剂具有独特的优势，加上目前的国际大环境，使得许多研究所和相关厂商对其工质系统作出了大量的深入的研究工作。

CO2跨临界循环气体冷却器所具有的较高排气温度和较大的温度滑移可与冷却介质的温升过程相匹配，以及气体冷却器出口温度越低，系统性能越好等特性，非常适用于热水系统。

CO2热泵热水器替代传统的电热水器可以削减CO2排放，据估算如果采用CO2热泵热水器代电热水器，每年可减少CO2排放量为几千万吨。

CO2热泵热水器从而得到了广泛和深远的发展，特别是在发达国家和地区。

20时世纪九十年代，挪威SINTEF能源研究所的G.Lorentzen 与Neksa Petter等人率先对CO2跨临界循环在热泵上的应用作了理论和实验上的研究。

研究表明，CO2跨临界循环不仅具有高的供热系数，而且系统紧凑，产生的热水温度高。

实验结果表明,在蒸发温度为0℃时，水温可以从9℃加热到60℃，其热泵系数可高达4.3。

同时，比起电热水器和燃气热水器，它的能耗可降低75％ [1、2]。

此外，他们发现CO2热泵系统比传统热泵热水器更为显著的优点是它易于提供90℃的热水。

日本是发展CO2热泵热水器最快的国家，它地处寒冷地带，全年中使用热水器的时间长。

据统计，在家庭中30%的能量为热水器所消耗。

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1 CO2工质概述1.1 CO2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19 50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]1.2 CO2工质的性质常温下,CO2是一种无色、无嗅的气体。

科技与创新┃Science and Technology&Innovation2020年第03期文章编号：2095－6835（2020）03－0080－02高效节能环保跨临界CO2热泵技术李林凤，王明，马瑞军，李宁，刘玉峰（北京大学包头创新研究院热能工程研究所，内蒙古包头014010）摘要：跨临界CO2热泵以CO2作为制冷剂，由回热器、气体冷却器、压缩机、蒸发器、气液分离器等各个部件组成，是一种新型的热资源回收利用的设施，具有效率高、运行成本低、应用范围广、稳定性和可靠性高、环保性良好等诸多优点，有着广阔的市场空间和应用前景。

关键词：跨临界；CO2热泵；节能；环保中图分类号：TU831文献标识码：A DOI：10.15913/ki.kjycx.2020.03.0311引言节能和环保是21世纪科技领域永不褪色两大议题。

余热回收是节约能源的一大重要途径，热泵技术在余热回收领域应用广泛，但受制冷剂的制约不能大范围推广应用，传统制冷剂如CFCs、HCFCs等对地球臭氧层造成破坏，导致温室效应比较严重，其在环保要求越来越严格的今天受到越来越多的限制。

因此，研发一种以高效、绿色环保为制冷剂工质的新型热泵技术是解决节能和环保问题的关键，其研究开发应用推广迫在眉睫。

自然制冷剂CO2作为传统制冷剂工质的替代物重新兴起[1]。

采用CO2工质作为制冷剂的跨临界热泵机组，因其对环境无污染、无破坏，系统运行稳定、设备紧凑并具有较高的系统能效比，作为一种高效、节能、环保的新型技术被广泛地开发和应用。

因此，跨临界CO2热泵机组具有较强的市场竞争力，有着广阔的市场空间和前景[2-3]。

2跨临界CO2热泵技术跨临界CO2热泵机组是一种热量转移装置，可以将从周围环境中吸取的热量传递给被加热的对象。

跨临界CO2热泵工作时，通过自身消耗一部分能量，把环境介质中储存的能量加以利用，对通过传热工质循环系统提高的温度进行利用，而整个热泵机组自身消耗的一部分能量占输出功的比例很小，因此，采用跨临界CO2热泵技术可以充分利用低品位能源，节约大量高品位能源。

基金项目：国家海水鱼产业技术体系（编号：ＣＡＲＳ ４７）；上海市科委公共服务平台建设项目（编号：２０ＤＺ２２９２２００，１９ＤＺ２２８４０００）作者简介：刘孝厅，男，上海海洋大学在读硕士研究生。

通信作者：谢晶（１９６８—），女，上海海洋大学教授，博士。

Ｅ ｍａｉｌ：ｊｘｉｅ＠ｓｈｏｕ．ｅｄｕ．ｃｎ收稿日期：２０２２ １０ １７ 改回日期：２０２３ ０２ １５犇犗犐：１０．１３６５２／犼．狊狆犼狓．１００３．５７８８．２０２２．８０９２６［文章编号］１００３ ５７８８（２０２３）０５ ００７０ ０７ＣＯ２热泵最优排气压力理论分析与试验ＴｈｅｏｒｅｔｉｃａｌａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｔｕｄｙｏｎｏｐｔｉｍａｌｅｘｈａｕｓｔｐｒｅｓｓｕｒｅｆｏｒＣＯ２ｈｅａｔｐｕｍｐ刘孝厅１，２犔犐犝犡犻犪狅 狋犻狀犵１，２　顾　众１，２犌犝犣犺狅狀犵１，２　谢　晶１，２，３，４犡犐犈犑犻狀犵１，２，３，４（１．上海海洋大学食品学院，上海　２０１３０６；２．上海冷链装备性能与节能评价专业技术服务平台，上海　２０１３０６；３．上海水产品加工及贮藏工程技术研究中心，上海　２０１３０６；４．食品科学与工程国家级实验教学示范中心〔上海海洋大学〕，上海　２０１３０６）（１．犆狅犾犾犲犵犲狅犳犉狅狅犱犛犮犻犲狀犮犲犪狀犱犜犲犮犺狀狅犾狅犵狔，犛犺犪狀犵犺犪犻犗犮犲犪狀犝狀犻狏犲狉狊犻狋狔，犛犺犪狀犵犺犪犻２０１３０６，犆犺犻狀犪；２．犛犺犪狀犵犺犪犻犘狉狅犳犲狊狊犻狅狀犪犾犜犲犮犺狀狅犾狅犵狔犛犲狉狏犻犮犲犘犾犪狋犳狅狉犿狅狀犆狅犾犱犆犺犪犻狀犈狇狌犻狆犿犲狀狋犘犲狉犳狅狉犿犪狀犮犲犪狀犱犈狀犲狉犵狔犛犪狏犻狀犵犈狏犪犾狌犪狋犻狅狀，犛犺犪狀犵犺犪犻２０１３０６，犆犺犻狀犪；３．犛犺犪狀犵犺犪犻犈狀犵犻狀犲犲狉犻狀犵犚犲狊犲犪狉犮犺犆犲狀狋犲狉狅犳犃狇狌犪狋犻犮犘狉狅犱狌犮狋犘狉狅犮犲狊狊犻狀犵牔犘狉犲狊犲狉狏犪狋犻狅狀，犛犺犪狀犵犺犪犻２０１３０６，犆犺犻狀犪；４．犖犪狋犻狅狀犪犾犈狓狆犲狉犻犿犲狀狋犪犾犜犲犪犮犺犻狀犵犇犲犿狅狀狊狋狉犪狋犻狅狀犆犲狀狋犲狉犳狅狉犉狅狅犱犛犮犻犲狀犮犲犪狀犱犈狀犵犻狀犲犲狉犻狀犵〔犛犺犪狀犵犺犪犻犗犮犲犪狀犝狀犻狏犲狉狊犻狋狔〕，犛犺犪狀犵犺犪犻２０１３０６，犆犺犻狀犪）摘要：目的：优化热泵系统性能，探讨二氧化碳系统在不同工况下的最优排气压力。

基于CO2跨临界循环的地下水源热泵系统山东建筑大学热能工程学院李夏杰王泽龙王强摘要：根据CO2与地下水源热泵系统的工作原理，提出了基于CO2跨临界循环的水源热泵系统，并阐述了CO2热泵系统的构成和控制特点，利用地下水源热泵系统作为冷热量来源，通过气体冷却器与室内部分连接。

在实际运行中，可以有三种运行模式，即利用地下水源的制热，利用地下水源的制冷和利用地下水源的采冷模式。

本系统在满足用户对制冷需求的同时，也充分体现了其节能及环保的优势。

关键词：跨临界循环 CO2系统，地源热泵引言：能源和环保是人类生存和发展的两大主题，是全球关注问题，因此，中国城市化的发展一方面迫切需要减少城市燃煤采暖造成的污染，另一方面对空调采暖降温提出了更多要求；其次，地源是绿色环保的自然能源，无污染、可再生，以其为热源的地源热泵系统因起高效节能、环保等特性，近年来发展迅速，技术日益成熟；再者，天然工质CO2作制冷剂，臭氧层破坏效应（ODPS）为0，温室效应（GWPS）相对较小，其来源广泛，无毒，以其为制冷剂的的跨临界循环的二氧化碳系统因其优良的环保特性、良好的传热特性、较低的流动阻力以及相当大的单位制冷量等特性，重新在制冷领域得到广泛关注和研究。

1、系统组成基于CO2跨临界循环的地下源热泵系统包括CO2跨临界循环系统模块和间接地下水换热系统模块，CO2模块由都灵半封闭式压缩机，套管式气体冷却器，板翅式内部换热器，套管式蒸发器，低压侧气液分离器，内平衡式热力膨胀阀，过滤器等部件组成；间接地下水换热系统部分，地上质量流量计，水泵等部件组成。

对于二氧化碳跨临界系统模块,高压侧压力大于CO2临界压力，故制冷系统中不采用冷凝器，而是用气体冷却器。

气体冷却器采用水冷却，蒸发器设计为水一水冷却器。

由于是水冷式，运行中应保证水以及工质的清洁程度满足要求，以防换热设备结垢、压缩机损坏和节流阀管道堵塞等问题的产生。

采用节流阀对蒸发压力进行调节,利用冷媒水出口温度或空调器回风温度控制压缩机启、停，进行能量调节；系统中设置了压缩机排气压力保护、排气温度保护以及油温保护等装置，确保系统的安全运行。