淺談二氧化碳熱泵技術(shù)的發(fā)展

河南 李陽

淺談二氧化碳熱泵技術(shù)的發(fā)展

河南 李陽

當前環(huán)境問題已備受關(guān)注，其中臭氧層破壞和溫室效應問題已經(jīng)影響到人們的健康生活。在熱泵系統(tǒng)中，CFCs對臭氧層和大氣變暖有很大影響，而CO2作為大氣成分之一，其ODP為零，GWP相對較小，作為制冷工質(zhì)有其獨特的優(yōu)勢，成為世界各國學者和企業(yè)所研究的重點。

二氧化碳；熱泵技術(shù)；發(fā)展

引言

熱泵熱水器相對于燃氣熱水器、電熱水器和太陽能熱水器，具有安全、節(jié)能和安裝適用范圍廣的特點，因此，被稱為第四代熱水器。而熱泵熱水器所用的工質(zhì)中，R11和R114最高可獲得100℃以上的高溫熱水或蒸汽，R12可獲得80℃左右的熱水，R22可獲得60℃左右的熱水。但是，R11、R114和R12屬于CFCs類工質(zhì)，R22屬于HCFCs類工質(zhì)，對自然環(huán)境有很大的危害作用。自從世界各國簽訂《蒙特利爾議定書》和《京都議定書》以來，臭氧層破壞和溫室效應等環(huán)境問題越來越受到人們的重視，廣泛應用于制冷、空調(diào)和熱泵系統(tǒng)的氟利昂受到了限制及禁用，各國展開了氟利昂替代物質(zhì)的研究工作。普遍的觀點認為，自然工質(zhì)將是最終的替代方案，而自然工質(zhì)CO2以其對臭氧層不產(chǎn)生任何破壞，且溫室效應很小，無毒，價格低廉等優(yōu)勢，受到人們的關(guān)注。

一、二氧化碳工質(zhì)的優(yōu)點

表1-1幾種常用制冷劑主要性能的比較

從表中可以看出，與其他常用工質(zhì)相比，CO2工質(zhì)具有以下優(yōu)勢：

1.ODP為零，GWP值遠遠小于CFCs和HFCSs，符合環(huán)保要求。

2.CO2的分子量比較小，相同蒸發(fā)溫度下氣化潛熱大，因此單位容積制冷量也較大。

3.CO2工質(zhì)的絕熱指數(shù)達到1.33，在幾種潛在替代工質(zhì)中是最高的。因此壓縮機的排氣溫度較高，可滿足制取高溫熱水的需要。

二、二氧化碳工質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)

CO2工質(zhì)的循環(huán)有兩種形式，一種為亞臨界循環(huán)，一種為跨臨界循環(huán)。

1.亞臨界循環(huán)

圖1 CO2亞臨界循環(huán)

1850年，美國人Alexander Twining提出將CO2作為制冷劑應用于蒸汽壓縮系統(tǒng)中。19世紀末，CO2制冷系統(tǒng)大部分應用于船舶領(lǐng)域。到1919年，CO2制冷系統(tǒng)才開始應用于舒適性空調(diào)系統(tǒng)中，并逐漸應用于商業(yè)建筑和公共設施。

雖然CO2具有一定的優(yōu)勢，但在亞臨界循環(huán)中，相對于其他普通制冷劑，CO2制冷劑暴露出了臨界溫度低、臨界壓力高、制冷能力較差的弱點，導致其應用范圍小，難以推廣。20世紀30年代，以R12為代表的氟利昂制冷劑以其無毒、無可燃性、無刺激性、適中的壓力和高的制冷效率，取代了CO2在制冷方面的應用。

2.跨臨界循環(huán)

近年來，由于氟利昂制冷劑的溫室效應和對臭氧層破壞問題日益受到人們的關(guān)注。前國際制冷學會主席G.Lorentzen提出了跨臨界CO2循環(huán)系統(tǒng)。與亞臨界循環(huán)相比，其容積效率較高、單位容積制冷量大、工作壓力高，能夠使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，提高換熱效果，擴大了其應用范圍。因此，CO2工質(zhì)再一次受到人們的重視。目前，CO2作為工質(zhì)主要應用于汽車空調(diào)系統(tǒng)、熱泵系統(tǒng)和復疊式制冷系統(tǒng)。

三、國內(nèi)外CO2熱泵技術(shù)的研究現(xiàn)狀

1.國外的研究現(xiàn)狀

跨臨界CO2循環(huán)最早是由挪威NTNU/SINTEF能源研究所的Gustav Lorentzen教授提出，并對其在熱泵領(lǐng)域的應用進行了理論分析和試驗研究。研究結(jié)果表明在蒸發(fā)溫度為0℃，把9℃的水加熱到60℃時，CO2熱泵系統(tǒng)比電熱水器和燃氣熱水器節(jié)能75%以上，最高水溫可加熱到90℃。

德國在CO2應用于熱泵領(lǐng)域的研究最為廣泛深入。Dresden大學的H.Quack教授搭建了跨臨界CO2熱泵系統(tǒng)試驗臺，通過試驗分析了系統(tǒng)的熱力學性能和各種循環(huán)方式的計算方法，并對系統(tǒng)部件的設計、選取和組裝進行了研究，且研制了CO2膨脹機以降低系統(tǒng)的節(jié)流損失，提高系統(tǒng)的COP。美國Richer等人開發(fā)了家用熱泵空調(diào)器，與R410a相比，當室外溫度較高時，跨臨界CO2熱泵的供熱系數(shù)稍低；當室外溫度較低時，兩個系統(tǒng)的換熱系數(shù)幾乎相等。日本成功的將CO2熱泵熱水器推向了市場。2000年，日本的Denso公司制造了第一臺CO2熱泵熱水器。大金公司采用了滾動轉(zhuǎn)子式壓縮機，使CO2熱泵系統(tǒng)COP最高可達4.02；日本三洋公司采用了滾動活塞式壓縮機，COP提高了25%；松下電器采用了渦旋式壓縮機,COP比以前開發(fā)的兩級壓縮系統(tǒng)提高了102%～109%。目前，日本的CO2熱泵熱水器累計銷售量已達到幾百萬臺。

2.國內(nèi)的研究現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)多集中于CO2工質(zhì)的熱力學循環(huán)分析和跨臨界CO2熱泵系統(tǒng)試驗臺的搭建和系統(tǒng)分析，大多處于試驗階段。

國內(nèi)對CO2熱泵熱水器進行研究的主要單位有天津大學、上海交通大學、浙江大學和清華大學。1998年，天津大學熱能研究所首先對跨臨界CO2循環(huán)的機理進行分析，研制出了效率將近50%的第3代膨脹機，申請了十余項技術(shù)專利。他們還開展了跨臨界CO2熱泵采暖系統(tǒng)的設計、可行性分析、單級與雙級熱水系統(tǒng)運行參數(shù)對比分析等理論研究。

四、二氧化碳熱泵熱水器的研究方向

目前，CO2熱泵熱水器的研究主要是跨臨界CO2熱泵系統(tǒng)，以降低成本和提高系統(tǒng)效率為目的。

1.開發(fā)高效率CO2壓縮機。跨臨界CO2熱泵系統(tǒng)所用的壓縮機與常規(guī)壓縮機不同，它的工作壓力高，對制造壓縮機材料的強度、韌性要求更高。

2.開發(fā)高效跨臨界CO2熱泵系統(tǒng)換熱器。應根據(jù)自然工質(zhì)CO2的流動和傳熱特點，開發(fā)出高效的跨臨界CO2熱泵系統(tǒng)的換熱器，增加換熱器的換熱系數(shù)，進而提高系統(tǒng)的COP。

3.開發(fā)高效CO2膨脹機。由于CO2熱泵系統(tǒng)壓縮機的吸排氣壓差很大，節(jié)流過程中有很大的熱動力損失，所以應降低節(jié)流損失。可采用CO2膨脹機的輸出功驅(qū)動壓縮機完成壓縮過程。

結(jié)語

環(huán)保、節(jié)能的CO2熱泵熱水器代表著空調(diào)和熱水器行業(yè)的高端技術(shù)產(chǎn)品,將是行業(yè)發(fā)展的新趨勢。隨著國際上對HCFCs和HFCs物質(zhì)限制日期的臨近，跨臨界CO2熱泵系統(tǒng)必將代替?zhèn)鹘y(tǒng)的熱泵系統(tǒng)。

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（作者單位：河南省輕工業(yè)學校）

（編輯 王旸）