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CO2工質(zhì)在熱泵熱水器中的應(yīng)用
摘要
分析了CO2的性質(zhì)和跨臨界循環(huán)的特點(diǎn)，介紹了CO2工質(zhì)在熱泵熱水器中的研究與應(yīng)用發(fā)展現(xiàn)狀，探討了其目前所面臨的問題。與傳統(tǒng)制冷劑相比，CO2在熱泵熱水器中的應(yīng)用具有廣闊的發(fā)展前景。
關(guān)鍵詞：二氧化碳 跨臨界循環(huán) 熱泵熱水器
一、CO2的性質(zhì)
CO2是一種綠色環(huán)保的天然工質(zhì)，使用CO2作為熱泵熱水器制冷劑具有較多優(yōu)點(diǎn)：(1)環(huán)境性能優(yōu)良。ODP為零，且GWP很小，約為R134a和R22的千分之一。(2)單位容積制冷量大。其容積制冷量約為R22的5倍。(3)具有優(yōu)良的流動(dòng)和傳熱特性。(4)來源廣泛，價(jià)格低廉。(5)化學(xué)穩(wěn)定性好，完全適用于普通的潤滑油和通常的制造材料。(6)安全無毒，不可燃。(7)絕熱指數(shù)高。雖然可能存在使壓縮機(jī)排氣溫度偏高的問題，但符合制取高溫?zé)崴囊蟆?8)臨界溫度低。因此循環(huán)一般在跨臨界狀態(tài)下運(yùn)行。正因?yàn)镃O2這些優(yōu)點(diǎn)，前國際制冷學(xué)會(huì)主席G．Lorentzen認(rèn)為它是無可取代的制冷工質(zhì)，并提出跨臨界循環(huán)原理，指出其在熱泵領(lǐng)域?qū)l(fā)揮重要作用[1]。
二、CO2跨臨界循環(huán)及特點(diǎn)
由于CO2臨界溫度較低(31．1℃)，其熱泵循環(huán)流程采用的是跨臨界循環(huán)。CO2跨臨界循環(huán)時(shí)，壓縮機(jī)的吸氣壓力低于臨界壓力，蒸發(fā)溫度也低于臨界溫度，循環(huán)的吸熱過程在亞臨界條件下進(jìn)行，換熱過程主要依靠潛熱來完成。但是壓縮機(jī)的排氣壓力高于臨界壓力，換熱過程依靠顯熱來完成，此時(shí)高壓換熱器不再稱為冷凝器，而稱為氣體冷卻器。CO2跨臨界循環(huán)具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：(1)放熱過程是一個(gè)伴隨有較大溫度滑移的變溫過程，這正好與水加熱時(shí)的溫升相匹配，是一種特殊的洛倫茲循環(huán)，可以減少高壓側(cè)不可逆?zhèn)鳠嵋鸬哪芰繐p失，有利于提高循環(huán)系統(tǒng)的COP；(2)與常規(guī)制冷劑相比，CO2跨臨界循環(huán)的壓縮比較小，約為2．5～3．0，可以提高壓縮機(jī)的運(yùn)行效率，進(jìn)而提高系統(tǒng)的性能系數(shù)；(3)系統(tǒng)的運(yùn)行壓力高，這對系統(tǒng)的材料強(qiáng)度、密封和管道連接等方面的要求更苛刻；(4)傳統(tǒng)的亞臨界系統(tǒng)，制冷劑在冷凝器出口的焓值僅是溫度的函數(shù)，而CO2跨臨界循環(huán)系統(tǒng)中，超臨界壓力狀態(tài)下溫度和壓力彼此獨(dú)立，所以高壓側(cè)壓力對制冷劑焓值有影響，高壓側(cè)壓力也會(huì)對制冷量、壓縮機(jī)功耗和COP值產(chǎn)生影響[2]，在最佳排氣壓力下，循環(huán)系統(tǒng)的性能系數(shù)COP可達(dá)
1
到最大。
三、CO2熱泵熱水器的研究與發(fā)展現(xiàn)狀
1994年，挪威SINTEF能源研究所的G．Lorentzen與Neksa Petter等人率先對cch跨臨界循環(huán)在熱泵上的應(yīng)用作了理論和實(shí)驗(yàn)上的研究。他們制作了CO2熱泵熱水器樣機(jī)，并對樣機(jī)進(jìn)行性能測試，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值高達(dá)4.3，其能量消耗比電或燃?xì)庀到y(tǒng)降低了75％|[3]，并且可以提供90℃的高溫?zé)崴W地利的Rieberer對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行模擬計(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R134a熱泵熱水器高出15％[4]。德國Dresden大學(xué)的P．Heyl等人[5]對C02跨臨界循環(huán)熱泵的熱力學(xué)性能進(jìn)行分析，對各種循環(huán)方式的計(jì)算方法，系統(tǒng)部件的設(shè)計(jì)、選取和組裝原則等方面進(jìn)行了研究，并在Dresden大學(xué)建立了CO2：跨臨界循環(huán)熱泵試驗(yàn)臺(tái)，對不同裝置中的計(jì)算和評價(jià)方法進(jìn)行分析和討論。日本電力工業(yè)中央研究院(CRIEPI)與東京電力公司(TEPCO)及DENSO公司的M．Saikawa，K．Hashimoto，K．Kusakari等人[6,7]于1998年9月開始合作，對CO2熱泵熱水器的基礎(chǔ)理論進(jìn)行研究，得出CO2熱泵熱水器的性能高于傳統(tǒng)工質(zhì)熱泵的結(jié)論。1999年，M．Saikawa，K．Hashimoto等人建起了CO2熱泵熱水器原型機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)。2000年，他們叉對原型機(jī)進(jìn)行了改進(jìn)。改進(jìn)的CO2熱泵熱水器；結(jié)果證明它的年平均COP值可以達(dá)到3.0，即使在寒冷地區(qū)一20℃的環(huán)境溫度下仍可以提供高達(dá)90℃熱水。2001年1月再次對其進(jìn)行改進(jìn)，并且已經(jīng)于2002年推向了市場，銷售量穩(wěn)步上升。日本三洋電器公司研發(fā)總部生態(tài)能源系統(tǒng)研究中心的HirosN Mukaiyam等人[8]惻研制了一種采用帶變頻電動(dòng)機(jī)的雙級滾動(dòng)活塞壓縮機(jī)的家用熱泵熱水器。為防止除霜后的水重新結(jié)冰，他們將從氣體冷卻器出來的高壓工質(zhì)通到室外蒸發(fā)器的底部，即使在較冷的地區(qū)測試也沒有發(fā)現(xiàn)水重結(jié)冰的現(xiàn)象。并且他們還研究發(fā)現(xiàn)CO2熱泵熱水器總有效溫室效應(yīng)指數(shù)比其他方式的熱水器降低了近一半。國內(nèi)對CO2熱泵熱水器的研究也已經(jīng)開始。天津大學(xué)在國家自然科學(xué)重點(diǎn)基金的資助下，對CO2跨臨界循環(huán)系統(tǒng)在熱泵中的應(yīng)用進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究，并且建立了熱泵實(shí)驗(yàn)臺(tái)。他們先后對單級加熱與雙級加熱兩種形式的CO2，跨臨界循環(huán)熱泵熱水系統(tǒng)進(jìn)行了分析對比[9]，對CO2跨臨界水一水熱泵供熱系統(tǒng)進(jìn)行了研究[10]，對CO2跨臨界膨脹機(jī)做了測試和特性分析[11,12]，其研究成果對CO2熱泵熱水器的系統(tǒng)改善、性能優(yōu)化等方面作出了一定貢獻(xiàn)。西安交通大學(xué)壓縮機(jī)研究所于2003年與美國聯(lián)合技術(shù)公司展開合作研究，建立了CO2跨臨界制冷系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)，研制出自由活塞式、滑片式兩種膨脹機(jī)一壓縮機(jī)組。上海交通大學(xué)的丁國良等人建立了CO2跨臨界循環(huán)系統(tǒng)的仿真模型，對幾種不同的CO2跨臨界循環(huán)的性能進(jìn)行了比較[15]。除此之外，還有許多其他院校、單位[13,14,16]也對CO2在熱泵熱水器中的應(yīng)用進(jìn)行了多方面的深入研究工作。
四、C02熱泵熱水器面臨的問題
CO2工質(zhì)在熱泵熱水器中的應(yīng)用研究才進(jìn)行10年左右的時(shí)間，目前還存在著許多有待突破和改進(jìn)的地方：(1)高效率壓縮機(jī)的研制與開發(fā)。CO2熱泵熱水器壓縮機(jī)的工作壓力高，吸排氣壓差大，這使得壓縮機(jī)設(shè)計(jì)中存在一定的難度。由于雙級壓縮機(jī)不但可以使系統(tǒng)更緊湊、靈活，而且可以減小壓差，減小泄露和機(jī)械損失，同時(shí)能夠提高系統(tǒng)效率，因此它將是未來CO2壓縮機(jī)的一個(gè)發(fā)展方向。(2)高效跨臨界循環(huán)熱交換器的設(shè)計(jì)。針對工質(zhì)的流動(dòng)和傳熱特性，設(shè)計(jì)出高效的CO2熱泵熱水器換熱器，從而提高系統(tǒng)效率。但是目前工質(zhì)流動(dòng)和換熱性能的研究尚不成熟，沒有通用的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式，部分流動(dòng)和換熱機(jī)理尚不明了，這有待于進(jìn)一步的研究。(3)高效膨脹機(jī)的開發(fā)。由于氣體冷卻器出口端與蒸發(fā)端的壓差較大，因此降低膨脹部分的損失是提高系統(tǒng)效率的有效途徑。利用膨脹機(jī)的輸出功率驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)完成壓縮過程，設(shè)計(jì)能勝任兩相膨脹的高效率的膨脹機(jī)，就成了另一個(gè)重要的、需要突破的關(guān)鍵問題。(4)CO2系統(tǒng)安全性相關(guān)的研究需進(jìn)一步加強(qiáng)。一是設(shè)計(jì)時(shí)需滿足系統(tǒng)各個(gè)部件的承壓要求，保證高壓運(yùn)行的安全性；二是要加強(qiáng)研究CO2和潤滑油的相互作用，以及CO2與橡膠的滲透作用，避免泄露，提高安全性。(5)先進(jìn)控制方式的研究，從而使系統(tǒng)更加可靠、穩(wěn)定，使用更加方便。(6)不斷降低系統(tǒng)及部件成本，從而降低CO2熱泵熱水器的價(jià)格。CO2熱泵熱水器系統(tǒng)中一些關(guān)鍵設(shè)備目前尚處于研制階段，成本較高，解決產(chǎn)品的價(jià)格問題是CO2熱泵熱水器推向市場的前提條件。(7)關(guān)于CO2熱泵熱水器的測試標(biāo)準(zhǔn)，各國尚不統(tǒng)一。在研制出口產(chǎn)品時(shí)，需針對出口國的要求進(jìn)行測試。
五、結(jié)語
CO2是熱泵系統(tǒng)工質(zhì)替代中最有潛力的天然工質(zhì)之一，它無毒、無味、不可燃，而且對環(huán)境友好[17]；同時(shí)CO2跨臨界循環(huán)的放熱過程伴隨有較大的溫度滑移，這正好與變溫?zé)嵩聪嗥ヅ?；除此之外，CO2熱泵熱水器還可以提供高達(dá)90℃的高溫?zé)崴?，因此它在熱泵熱水器方面的?yīng)用具有其他工質(zhì)所無法比擬的優(yōu)勢。國外，特別是日本，已經(jīng)對CO2在熱泵熱水器中的應(yīng)用進(jìn)行了大量的深入研究，并已開發(fā)出相應(yīng)的產(chǎn)品，其市場占有率穩(wěn)步上升。目前，CO2熱泵熱水器所面臨的問題主要在于繼續(xù)提高效率和不斷降低成本。因此根據(jù)CO2的特性，開發(fā)出適于C島熱泵熱水器的高效率壓縮機(jī)、換熱器等部件，以及加強(qiáng)對系統(tǒng)控制方面的研究將是今后工作的重點(diǎn)。
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