PDF《环保型 CO》

第31卷第

4 期2001年7月东南大学学报(自然科学版)JOURNALOFS O U T H E A S T U N I V E R S I T Y( N a t u r a l S c i e n c e E d i t i o n ) V o l

3 1 N o

4 J u l y

2 0

0 1 环保型 C O 2跨临界制冷系统 黎立新 季建刚 乐维健 王仁德 ( 中国船舶重工集团公司第

7 研究院第

7 0

4 研究所,上海

2 0

0 0

3 1 ) 摘要:自然工质 C O 2是一种不对臭氧层产生破坏、 具有很小的温室效应系数的制冷剂.

本文介 绍了跨临界 C O 2制冷系统的构成和控制特点, 分析了影响其性能的主要因素, 设计了 C O

2 制 冷压缩机、 换热器、 节流机构的关键技术. 影响 C O

2 制冷压缩机性能的主要因素是泄漏, 影响 压缩机以及所有循环系统配件安全性的主要因素是其结构强度. C O

2 制冷系统换热器设计的 趋势是采用高流量密度的小管径和微通道换热器, 这有利于提高换热系数和承受高压. 节流阀 把高压侧压力节流到蒸发压力, 同时控制高压侧压力并使其随气体冷却器出口温度的变化而 变化, C O 2制冷系统调节特性与传统制冷系统不同. 关键词:制冷系统;

二氧化碳;

压缩机;

热交换器;

跨临界 中图分类号:T B

6 6 文献标识码:A 文章编号:1

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1 -

0 5

0 5 (

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0 1 )

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0 5 收稿日期:2

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0 4 . 作者简介:黎立新, 女,

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6 3 年生,高级工程师 . 基金项目:中国船舶重工集团公司第

7 研究院青年科技发展基金资助项目 (

0 0 Q J

0 5 ) . 由于制冷剂中氯原子对大气臭氧层有破坏作用, 《 蒙特利尔协议》 (

1 9

8 7年)规定 R

1 2等CFCs(氯氟 碳) 在制冷工质中被禁用, 危害程度较小的 R

2 2 等HCFCs(氢氯氟碳) 的禁用日期也一再提前. 目前已获应 用的 R

1 3

4 a , R

4 1

0 A , R

4 0

7 C等HFCs(氢氟碳) 仍是一类新的化学合成物, 它们不仅制造成本昂贵, 而且已被 证明能产生较为严重的温室效应. 每年从汽车和单元空调机组散发到大气中的碳氟化合物可能超过

1 0

5 t , 其对全球变暖的效果比

1 5 *

1 0

7 t 的CO2产生的效果要高. 大量来自电厂和油田的 C O 2可以回收用于制冷 系统. 另外, 随着研究的深入, 有可能证明 H F C s 在其它方面也有危害, 例如已有研究表明太阳光能在对流 层将 H F C s 分解为有毒的物质, 它们对环境的长期影响并不乐观. 因此, 在制冷系统中对地球生物圈中原 来就有的 自然工质 进行研究, 已成为近年来的前沿课题之一.

1 C O 2制冷 在空气、 水、 氨、 碳氢化合物及 C O

2 等自然工质中, N H

3 毒性大, 压缩机要放在远离人居住的机房;

另外, 当压缩比相当高时, 氨压缩机会产生爆炸;

空气、 水等作制冷剂都有很大的局限性. 目前 C O

2 被认为最 有可能适用于蒸发温度为 -

4 0 ~

1 0℃的各种常规制冷系统中, 特别适合于高居住密度区, 如汽车空调、 船 舱空调, 以及高温热泵热水、 干燥系统. C O 2与其它工质相比有如下特殊的优势: ①温室效应指数( G WP ) 很小, 是R134a的和 R

2 2 的千分之一;

②臭氧破坏指数( O D P ) 为0,可以从根本上解决对环境污染的问题;

③ 来源广泛, 价格低廉;

④压力比小, 单位容积制冷量高达

2 2 .

6 M J ? m

3 约为传统制冷剂的

5 ~

8 倍;

⑤无毒, 不 可燃, 对常见材料没有腐蚀性. 据国外文献介绍, 样机系统与同规格 R

1 2 制冷系统相比较, 管重可以减轻, 压缩机工作容积大大减小, 因而在制冷装置上的应用具有很大的潜力. 在20世纪

6 0 年代以前, C O 2因其特有的安全性及其它良好的性能, 曾经被作为制冷剂应用于制冷技 术特别是海上设备中. 当时采用普通的亚临界循环, 由于其临界温度较低(

3 1℃) , 因此当环境温度稍高 时, 制冷能力急剧下降, 功耗增大, 经济性受到严重影响, 后来被 C F C s 取代. 为克服上述缺陷, 改用有内部 回热的跨临界制冷循环, 使不可逆损失减小, 并可避开环境温度对系统性能的直接影响, 具有较好的经济 性. 虽然 C O 2跨临界制冷理论循环的 C O P ( c o e f f i c i e n t o f p e r f o r m a n c e ) 比传统制冷剂小, 但由于压比小和其优 良的物性特点, 因此在一般的空调工况范围内, 其实际循环的 C O P x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x 与传统制冷系统相差不大, 某些工况甚 至优于传统制冷系统. 国外对跨临界 C O 2制冷系统及其装置的研究已有

1 0 多年的时间, 挪威、 美国、 德国、 意大利等多家研 究机构都开展了这方面的工作, 他们研制出了 C O

2 汽车空调样机及高温热泵热水系统, 并开始研制 C O

2 坦克空调系统及军用环境控制装置. 国内对跨临界 C O 2制冷系统的研究起步较晚, 但也已取得了一些成果. 目前已经从几年前的循环性 能分析和计算, 发展到现在准备研制样机. 中国船舶重工集团公司第

7 研究院第

7 0

4 研究所已立项开展船 用CO2制冷系统研究, 由于 C O

2 固有的物性特点, 其工作压力高,C O

2 压缩机和换热器的工作特性、 设计 原则以及制造加工等将与常规压缩机和换热器有所不同, 所以需要做以下研究工作: ① C O

2 制冷系统流 程研究;

② C O 2制冷压缩机的关键技术研究;

③ C O 2紧凑高效换热器关键技术研究;

④ 系统控制与调节 装置的研究.

2 系统设计系统通常采用图

1 和图

2 所示具有回热的跨临界 C O

2 制冷循环形式, 按使 C O P最大的优化循环 参数设计制冷循环. 气体工质在压缩机中升至超临界压力, 在Ph图上为过程 f ―a , 然后进入气体冷却 器, 被冷却介质冷却( a ―b 过程) . 为提高 C O P , 出气体冷却器的气体在内部回热器进一步被压缩机回汽冷 却( b ―c 和e―f 过程) ;

然后经节流降压( c ―d过程) , 部分气体液化, 湿蒸汽进入蒸发器汽化( d ―e 过程) , 吸收周围介质热量而制冷. 储液器起汽液分离( 蒸发器出口不过热) 、 补充制冷剂等作用. 由于压缩终压高于临界压力, 故制冷系统中不采用冷凝器, 而是用气体冷却器. 采用节流阀对蒸发压 力进行调节;

利用空调器回风温度控制压缩机启、 停, 进行能量调节;

系统中设有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.

3 压缩机 制冷压缩机对整个制冷系统的效率和可靠性有主要影响. 衡量压缩机工作性能的指标有指示效率和 容积效率. 压缩过程的指示效率、 容积效率与气阀和气腔的压力损失、 汽缸泄漏、 汽体与汽缸传热等因素有 关. 从图

3 [

1 ] 可以看出吸气侧的压力损失对指示效率的影响比排气侧的要大, 这是因为: ① 吸气压力的降 低所引起的压缩指示功增加比排气压力增加引起的指示功的增加要大;

② 吸气压力降低使得吸气比容增 加, 容积效率降低, 从而指示效率降低. 试验结果说明, C O 2压缩机的压力损失对指示效率的影响比压力低 的普通制冷压缩机小得多. 因此, 即使没有采取特殊措施, 压缩机气阀的压力损失对指示效率和容积效率 影响很小. 通过对影响 C O 2压缩机工作过程各因素的分析, 泄漏被确认为是影响压缩机性能的最主要的因素. 因此, 需把泄漏封的长度减至最小. 要降低泄漏量就要减小密封长度, 并采用有效的密封措施, 这一思想就 是要设计长行程直径比的活塞式压缩机, 并采用活塞环密封的有油润滑方式, 其泄漏可以降到最低水平. 效率与行程直径比的关系见图

4 . 设计中困难之处是阀的流量较大而装阀的空间很小. 目前旋转式压缩机 被认为不适合作跨临界 C O 2制冷压缩机. 在开式压缩机中, 轴封泄漏是目前阻碍其实用化的主要原因.

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1 东南大学学报( 自然科学版) 第31卷模拟结果表明, 汽缸内传热对过程性能影响很小, 即没有因汽缸内传热而需要对 C O

2 压缩机的汽缸 几何参数特别限制的因素. 用CO2作为制冷剂, 压缩机以及所有循环系统的配........