中文摘要 本文以目前國際上制冷熱泵研究的關(guān)鍵問題開發(fā)c o ：膨脹機(jī)這前沿性課 題為研究對象，以開發(fā)高效率的c 0 2 膨脹機(jī)為目的，從而使c 0 2 跨臨界循環(huán)不僅具 有環(huán)保優(yōu)勢，同時節(jié)約能源。本文的研究為其實(shí)用化提供理論基礎(chǔ)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。 通過對采用回?zé)崞鳌⑻岣邏嚎s機(jī)效率、提高換熱系數(shù)、利用膨脹機(jī)和優(yōu)化循環(huán) 等方法的比較發(fā)現(xiàn)，利用膨脹機(jī)可大幅度地提高c 0 2 跨臨界系統(tǒng)性能系數(shù)。對膨脹 過程進(jìn)行不可逆熱力學(xué)分析，根據(jù)c 0 2 跨l | 每界循環(huán)中膨脹過程不同初始參數(shù)，建立 了膨脹過程中的流體流動的物理模型和泄漏模型，以及壓力波的傳播速度模型。這 些模型的建立為膨脹機(jī)的模擬提供理論基礎(chǔ)。利用膨脹機(jī)理論模型對膨脹機(jī)的運(yùn)行 特性進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)膨脹機(jī)的運(yùn)行參數(shù)存在最佳點(diǎn)使膨脹機(jī)的輸出功效率達(dá)到最大。 在原有滑板滾動活塞膨脹機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，對滑板膨脹機(jī)進(jìn)行重新設(shè)計， 開發(fā)了第二代滑板滾動活塞膨脹機(jī)并進(jìn)行了理論分析。通過與原有滑板型膨脹機(jī)的 對比，發(fā)現(xiàn)利用新型滑板可減小不可逆損失，新型滑板膨脹機(jī)的理論效率高于原有 滑板型膨脹機(jī)。開發(fā)了c 0 2 擺動轉(zhuǎn)子膨脹機(jī)，對擺動轉(zhuǎn)子膨脹機(jī)進(jìn)行了動力學(xué)和不 可逆損失的研究，計算表明擺動轉(zhuǎn)子膨脹機(jī)的泄漏損失很小，其理論效率高于新型 滑板滾動活塞膨脹機(jī)。對擺動轉(zhuǎn)子進(jìn)行了有限元受力分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)擺動轉(zhuǎn)子的最 大應(yīng)力和變形發(fā)生在擺桿基部，數(shù)值并不很大，通過選擇適宜的材料和合理設(shè)計， 擺動轉(zhuǎn)子是非常適合在c 0 2 跨臨界循環(huán)高壓差環(huán)境下工作。 對膨脹機(jī)的回收方式進(jìn)行了較全面的分析，比較了各種形式的優(yōu)缺點(diǎn)和可行性。 提出發(fā)電方式可用于大型的系統(tǒng)，輸出的電量可以驅(qū)動小型的設(shè)備。在小型系統(tǒng)中， 壓縮膨脹機(jī)較為有利。對壓縮膨脹機(jī)在系統(tǒng)的布置方式進(jìn)行了理論研究，研究表明 壓縮膨脹機(jī)提供雙級壓縮的第二級壓縮形式的系統(tǒng)循環(huán)性能系數(shù)接近最優(yōu)值，與主 壓縮機(jī)同軸雙級壓縮循環(huán)方式可以最大限度的提高系統(tǒng)的能效。選擇了壓縮膨脹機(jī) 的開發(fā)形式，給出了具體的設(shè)計思路。分析了偏心輪軸的相位角對壓縮膨脹機(jī)運(yùn)行 的影響，以及軸的受力情況。 對丌發(fā)的c 0 2 跨臨界循環(huán)原有型滑板膨脹機(jī)、新型滑板滾動活塞膨脹機(jī)和擺動 轉(zhuǎn)子膨脹機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。三個樣機(jī)都能平穩(wěn)運(yùn)行。測試的新型滑板滾動活塞膨 脹機(jī)的效率在3 5 4 7 之間。擺動轉(zhuǎn)子膨脹機(jī)的效率則在3 3 4 4 之間，都高 于原有型滑板膨脹機(jī)的效率，說明為減小泄漏的設(shè)計是有效的。通過實(shí)驗(yàn)得到膨脹 機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行特性，系統(tǒng)參數(shù)存在最優(yōu)匹配的問題。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了膨脹機(jī)存在最佳參 數(shù)使膨脹機(jī)的輸出效率達(dá)到最大的理論分析結(jié)論。 關(guān)鍵詞：c 0 2 跨l 臨界循環(huán)滾動活塞膨脹機(jī)擺動轉(zhuǎn)子膨脹機(jī)壓縮膨脹機(jī) 本課題得到高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項科研基金( n o d 0 2 0 0 1 0 5 ) 和天津大學(xué)“教育 振興行動計劃”( 9 8 5 ) 的資助。 i i a b s t r a c t t h e d e v e l o p m e n to f t h ec a r b o nd i o x i d ee x p a n d e r ，w h i c hi sn o wt h ek e y t e c h n o l o g y o f t h e r e f r i g e r a t i o na n d h e a tp u m p r e s e a r c h ，i st h es u b j e c to f t h ed i s s e r t a t i o n t h i ss t u d yi s o nt h ep u r p o s eo fd e s i g n i n gah i g h l ye f f i c i e n tc a r b o nd i o x i d ee x p a n d e r e m p l o y i n ga n e x p a n d e r , t h e c a r b o nd i o x i d et r a n s c r i f i c a l c y c l e n o t o n l y h a v et h e a d v a n t a g e o f e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o nb u ta l s os a v ee n e r g y s ot h i sp a p e rp r e s e n t sb o t ht h e o r e t i c a l a n a l y s i sa n dp r a c t i c a l 。e x p e r i e n c ef o ri t sa p p l i c a t i o n c o m p a r i s o n s o fd i f f e r e n tm e a s u r e ss u c ha su s i n gi n t e m a lh e a te x c h a n g e r ，i m p r o v i n g c o m p r e s s o re f f i c i e n c y , i n c r e a s i n g t h ec o e f f i c i e n to ft h eh e a t t r a n s f e r s ，a d o p t i n g a n e x p a n d e r a n do p t i m i z i n gt h ec y c l e ，s h o wt h a tt h eu t i l i z a t i o no ft h ee x p a n d e ri nt h ec a r b o n d i o x i d et r a n s c r i t i c a ls y s t e mc a ni m p r o v et h ec o e f f i c i e n to fp e r f o r m a n c eo ft h es y s t e m t h ee x p a n s i o np r o c e s si nt h ec a r b o nd i o x i d et r a n s c r i t i c a lc y c l ei sa n a l y z e db a s e do nt h e i r r e v e r s i b l e t h e r m o d y n a m i c s a c c o r d i n gt o v a r i o u si n l e t p a r a m e t e r s o ft h ee x p a n s i o n p r o c e s s ，t h em o d e l so fl e a k a g e ，f l u i df l o wa n d t h es p r e a dv e l o c i t yo ft h ep r e s s u r ew a v e a r es e tu p o nt h eb a s i so ft h et h e o r e t i c a le x p a n d e rm o d e l ，t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h e p e r f o r m a n c e a r ea n a l y z e d t h e r ee x i s tt h eo p t i m a lp a r a m e t e r st om a x i m i z et h ee f f i c i e n c y o f t h ee x p a n d e r t h es e c o n dg e n e r a t i o ne x p a n d e rw i 血t h er e d e s i g n e db l a d ei s d e v e l o p e do nt h e b a s i so f t h ef o r m e r r o l l i n gp i s t o ne x p a n d e ra n d i t st h e o r e t i c a la n a l y s i sh a sb e e nm a d e t h e e x p a n d e rw i t ht h e n e wb l a d er u n sw e l l 、i 也l e s si r r e v e r s i b l el o s sa n di t st h e o r e t i c a l e f f i c i e n c y i s h i g h e rc o m p a r e d 、) l ，i t l lt h ef o r m e ro n e i na d d i t i o n as w i n ge x p a n d e ri s d e v e l o p e da n ds t u d i e di nt h er e s p e c to f k i n e t i c sa n dt h ei r r e v e r s i b l el o s s e s t h er e s u l t s i l l u s t r a t et h a tt h e r ei sq u i t eal i t t l el e a k a g el o s si nt h i sk i n do f e x p a n d e ra n d i t st h e o r e t i c a l e f f i c i e n c yi sh i g h e rt h a nt h a to ft h er o l l i n gp i s t o ne x p a n d e rw i t han e wb l a d e ，b yt h e m e a n so f t h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，t h es t r e s sa n a l y s i so f t h es w i n g p i s t o nh a sb e e nd o n e ， t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h em a x i m u ms t r e s sa n dt h em o s tg r i e v o u sd i s t o r t i o nt a k ep l a c e a tt h eb a s eo ft h ep i s t o nb l a d e ，h o w e v e rt h ee x t r e m ev a l u ei sn o tt h a tl a r g e ，s oi ti sq u i t ef i t f o rt h es w i n gp i s t o nt op e r f o r mu n d e rh i g hp r e s s u r ed i s p a r i t yb yc h o o s i n gt h eo p t i m a l m a t e r i a la n dr e a s o n a b l ed e s i g n i nt h i sp a p e r , t h em e t h o d so ft h ep o w e rr e c o v e r yo ft h ee x p a n d e rh a v eb e e nw e l l d i s c u s s e d t h em e r i t s ，d e m e r i t sa n df e a s i b i l i t yo fv a r i o u st y p e sh a v eb e e np r e s e n t e dt h e t y p eo fg e n e r a t i n ge l e c t r i c i t yi s s u i t a b l ef o rt h es y s t e mw i t i ll a r g ec a p a c i t y ，a n di t s o u t p u t i i i o ft h eg e n e r a t o rc a nd r i v es o m es m a l le q u i p m e n t s t h ee x p a n d e r c o m p r e s s o ri sf a v o r a b l e f o rt h es y s t e mw i t hs m a l lc a p a c i t y t h ea r r a n g e m e n t so ft h ee x p a n d e r - c o m p r e s s o ri nt h e s y s t e ma r es t u d i e d t h er e s e a r c hs h o w s t h a tt h ec o e f f i c i e n to fp e r f o r m a n c eo ft h es y s t e m c a n a p p r o a c h t h eo p t i m u mv a l u ew h e nt h ee x p a n d e r c o m p r e s s o rs u p p l i e st h es e c o n ds t a g e c o m p r e s s i o nf o rt h et w o - s t a g ec o m p r e s s i o ns y s t e m w h e nt h ee x p a n d e ri s c o n n e c t e dt o t h em a i n c o m p r e s s o ri nt h et w o s t a g ec o m p r e s s i o ns y s t e m ，t h ec o e f f i c i e n to f p e r i b r m a n c e o ft h e s y s t e m c a nr e a c ht h e h i g h e s tp o i n t t h ed e v e l o p e d s t r u c t u r eo ft h e e x p a n d e r c o m p r e s s o ra n d t h ed e s i g np h i l o s o p h ya r ep r e s e n t e di nd e t a i l t h ei n f l u e n c e so f b o t ht h ep h a s eo ft w oc r a n k - s h a f t sa n dt h es t r e n g t ho nt h es h a f to nt h ef u n c t i o no ft h e e x p a n d e r c o m p r e s s o r a r ea n a l y z e d t h e e x p e r i m e n t s o nt h e r o l l i n gp i s t o ne x p a n d e rw i t h c o n v e n t i o n a lb l a d e ，t h e r e d e s i g n e dr o l l i n gp i s t o ne x p a n d e r a n dt h e s w i n ge x p a n d e r i nt h ec a r b o nd i o x i d e t r a n s c r i t i c a lc y c l eh a v eb e e nc o n d u c t e d t h r e ep r o t o t y p e sc a np e r f o r ms t e a d i l y t h et e s t e f f i c i e n c yo f t h er o l l i n gp i s t o ne x p a n d e rw i t hn e wb l a d ei sf r o m3 5 t o4 7 ，w h i l et h a t o ft h es w i n ge x p a n d e ri sf r o m3 3 t o4 4 ，t h e ya r eh i g h e rt h a nt h a to ft h er o l l i n gp i s t o n e x p a n d e r w i t hac o n v e n t i o n a lb l a d e t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tt h ed e s i g n i se f f e c t i v ei nr e d u c i n gl e a k a g el o s s b yt h et e s t i n g ，t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ep e r f o r m a n c e o ft h e s y s t e m w i t ha 1 1 e x p a n d e ra r eo b t a i n e d t h e r e a r eo p t i m i z a t i o na n dm a t c h i n g p r o b l e m si nt h es y s t e m t h ee x p e r i m e n t sv e r i f yt h et h e o r e t i c a lc o n c l u s i o nt h a tt h e r ei sa n o p t i m a lp a r a m e t e rf o r t h eh i 曲e s te f f i c i e n c yi nt h ee x p a n d e r k e y w o r d s ：c a r b o nd i o x i d et r a n s c r i t i c a lc y c l e r o l l i n gp i s t o ne x p a n d e r s w i n ge x p a n d e re x p a n d e r c o m p r e s s o r i v 獨(dú)創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝之處外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā) 表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得墨洼盤鱟或其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位 或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在 論文中作了明確的說明并表示了謝意。 學(xué)位論文作者簽名：夸匆叉錠簽字日期：。多年月鄉(xiāng)。日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解苤鲞盤莖有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定。 特授權(quán)墨鲞盤鱟可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢 索，并采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編以供查閱和借閱。同意學(xué) 校向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁盤。 ( 保密的學(xué)位論文在解密后適用本授權(quán)說明) 學(xué)位論文作者簽名：奢匆叉錠 簽字日期： ?？诙吣暝露郿 日 靳簽名：璺，一人 簽字日期：刎年占月雪。日 第一章緒論 1 1 c o ：制冷劑的發(fā)展 1 1 1 研究背景 第一章緒論 1 6 0 多年的制冷發(fā)展歷史中，已經(jīng)有5 0 多種物質(zhì)被用于壓縮式制冷和熱泵裝置 的制冷工質(zhì)，并獲得了不同程度的成功。在p e r k i n s ( 1 8 3 4 ) 發(fā)明的世界第一臺制冷 裝置中和隨后h a r r i s o n ( 1 8 5 6 ) 制冷裝置中，首先應(yīng)用乙醚( r 7 4 7 ) 作為制冷工質(zhì)。 自1 9 世紀(jì)7 0 年代以后，性能更優(yōu)越的化合物如c 0 2 、n h 3 、s 0 2 等被引入到制冷空 調(diào)領(lǐng)域，并且應(yīng)用了相當(dāng)長的時間。自1 9 2 9 年美國通用公司合成c f c l 2 ，氟里昂系 列鹵代烴化合物，因其優(yōu)良的熱力特性，無毒，不燃等性質(zhì)，在制冷空調(diào)領(lǐng)域開始 獲得了廣泛的應(yīng)用并很快取代了傳統(tǒng)的自然制冷工質(zhì)。 在1 9 7 4 年，美國的兩位科學(xué)家m o l i n a 和r o w l a n d 提出了一個假說，大量使用 的氟里昂揮發(fā)到大氣后，當(dāng)上升到平流層時，受到強(qiáng)烈的太陽紫外線的照射，含氯 的氟里昂分子便游離出氯原子，而氯原子可以催化臭氧分子，且在反應(yīng)中氯原子被 不斷的放出，使臭氧層遭到破壞。這是個連鎖反應(yīng)，一個c l 原子，能使數(shù)萬個 0 3 分解，而且氟里昂的大氣壽命平均為百年以上，它們達(dá)到平流層( 臭氧層) 后， 紫外線照射下，就會產(chǎn)生以上反應(yīng)。 國際社會為保護(hù)大氣臭氧層，1 9 8 5 年，締結(jié)了保護(hù)臭氧層維也納公約。1 9 8 7 年，締結(jié)了關(guān)于消耗臭氧層物質(zhì)的蒙特利爾議定書，是旨在保護(hù)地球平流層臭氧 的國際環(huán)保協(xié)定，1 9 8 9 年1 月生效，此是全球合作的開端。1 9 9 0 年6 月通過了倫敦 修正案。鑒于對臭氧層破壞的觀測與研究結(jié)果，發(fā)現(xiàn)幾乎全球都存在臭氧層的破壞 現(xiàn)象，于是在1 9 9 2 年1 1 月的丹麥哥本哈根召開締約國第4 次大會提出加速受控物 質(zhì)的淘汰進(jìn)程，要求1 9 9 6 年1 月1 日起發(fā)達(dá)國家停止使用c f c s ，1 9 9 3 年，通過哥 本哈根修正案。1 9 9 5 年1 2 月7 日，、在維也納舉行了締約國會議，規(guī)定了加速禁用 時間表，通過了維也納修正案。1 9 9 6 年1 1 月，在哥斯達(dá)黎加召開的第八次締約國 會議上，又進(jìn)一步明確，發(fā)展中國家c f c 類物質(zhì)消耗量：9 9 年應(yīng)凍結(jié)在9 5 9 7 年 的平均水平上。發(fā)展中國家要求2 0 0 7 年1 月1 日起削減8 5 ，2 0 1 0 年1 月1 日，完 全禁止在新生產(chǎn)的制冷設(shè)備中使用。對h c f c 類物質(zhì)規(guī)定h c f c 2 2 發(fā)達(dá)國家從1 9 9 6 年凍結(jié)生產(chǎn)量，到2 0 0 4 年減少3 5 ，2 0 2 0 年停用，發(fā)展中國家則可用至2 0 4 0 年， 對h c f c l 2 3 也規(guī)定2 0 1 0 年新設(shè)備停止供應(yīng)，2 0 3 0 年維修設(shè)備停止供應(yīng)。禁止生產(chǎn) 和使用c f c s 是大勢所趨，而且還相當(dāng)緊迫。 為確定制冷劑對環(huán)境的影響，確定兩個指標(biāo)來評價制冷劑，即對臭氧層的破壞 天津大學(xué)博士論文 勢和溫室效應(yīng)。對破壞臭氧層的破壞勢以o d p 值表示( t h e o z o n e d e p l e t i o n p o t e n t i a l ) 并以c f c - 1 1 的o d p 值為基準(zhǔn)，規(guī)定為1 ，溫室效應(yīng)則是以g w p ( t h eg l o b a l w a r m i n gp o t e n t i a l1 表示，并以c 0 2 的值為基準(zhǔn)，規(guī)定為l 。 在制冷劑的替代工質(zhì)的選擇上可分為兩種，一種為合成的替代物，另一種是天 然工質(zhì)，如表1 1 所列的制冷劑替代情況。 表卜1 制冷劑替代情況 用途制冷劑人工制冷劑替代物自然工質(zhì) 大型離心式冷水 c f c 一1 lh c f c 一1 2 3乩0 機(jī)組c f c - 1 2 、r 5 0 0h f c l 3 4 an 如 h c f c 一2 2h f c 混合制冷劑r 4 0 7 低溫冷凍冷藏機(jī)c f c 一1 2 、c 一1 3 4 an h s c 0 2 絹 r 5 0 2 ，h c f c 一2 2 h c f c 混合物，如r 4 0 8 a 、t h r 0 4n h 。 h f c 混合物如r 4 0 4 a 、r 5 0 7 ar 2 9 0 c 0 2 冰箱冷柜c f c - 1 2h f c 一1 3 4 a h c 及其混合物，如 h c f c 混合制冷劑，如r 4 0 i a 。r 6 0 0 a ( 異丁烷) 汽車空調(diào) c f c - 1 2 h f c 一1 3 4 a ，r 4 0 1c 0 2 家用空調(diào)、樓宇 h c f c 一2 2 h f c 混合制冷劑如，r 4 0 7 c ( 非共沸)c 0 z 及r 2 9 0 ( 丙 空調(diào)系統(tǒng)r 4 1 0 a ( 亞共沸) r 4 1 7 a烷) 、n h 。 另外其它的工質(zhì)如r e 2 1 8 ( c f 3 0 c f 2 c f 3 ) 、c f 3 s c f 3 、r 1 6 1 ( c h 3 c h 2 f ) 、 r e l 7 0 ，r 1 3 1 l ，r 2 4 5 c a ，r 2 4 5 c “3 3 8 m c e p ，r 2 3 6 f a 及混合物r 2 3 6 f “1 3 4 a r 6 0 0 a ， h f e 2 4 5 ( 五氟甲基醚) 等工質(zhì)還處于研究階段，大多數(shù)人工制冷劑都存在毒性、可 燃性、穩(wěn)定性等問題。天然工質(zhì)包括n h 3 、c 0 2 、水、碳?xì)浠衔锖涂諝狻?自1 9 8 7 年蒙特利爾議定書制定以來，o d p = 0 的h f c s 作為較有前景的替 代工質(zhì)已經(jīng)開發(fā)研究了十幾年，h f c s 制冷荊相繼投入市場并越來越得到推廣應(yīng)用。 但有材料表明h f c s 的大量使用，會使周圍環(huán)境的中這些物質(zhì)含量升高，影響 到植物的生長。而且它在大氣中的另一個副作用是溫室效應(yīng)，雖然在大氣中的濃度 并不高但產(chǎn)生的后果是不容忽視的。在1 9 9 7 年1 2 月聯(lián)合國氣候變化框架公約締約 國第三次會議又通過了京都議定書，從保護(hù)全球氣候變暖的角度把h f c s 列入要 限制的6 種溫室氣體的計劃中。因此，h f c s 只能是一種中期替代而不是能長久使用 的制冷劑。這一協(xié)議也使解決臭氧耗損最終歸并到氣候保護(hù)這一目標(biāo)。 臭氧層耗減和全球溫暖化進(jìn)程的加劇，已成為日益嚴(yán)峻的全球環(huán)境問題。隨著 世界制冷空調(diào)技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展，對制冷工質(zhì)的需求量逐年上升，每年達(dá)到百萬噸 第一章緒論 級的消耗量。使用的人工合成類制冷工質(zhì)的絕大部分將擴(kuò)散到大氣中去，有的物質(zhì) 在大氣中存留數(shù)百年，有的物質(zhì)分解后會產(chǎn)生其它副作用或是分解出有害物質(zhì)，始 終對地球的生態(tài)環(huán)境存在著潛在的危險。由于在制冷空調(diào)行業(yè)廣泛采用的氟里昂類 人工合成制冷工質(zhì)對臭氧層有破壞作用及產(chǎn)生溫室效應(yīng)，使制冷與空調(diào)行業(yè)面臨嚴(yán) 重挑戰(zhàn)。尋找高效、綠色環(huán)保制冷工質(zhì)已成為當(dāng)前國際社會共同關(guān)注的問題。在研 究、開發(fā)和使用人工合成的制冷工質(zhì)替代物同時，應(yīng)正確執(zhí)行蒙特利爾議定書 與京都協(xié)議的要求。 1 1 2 自然工質(zhì) 從對環(huán)境的長期安全來看，應(yīng)盡量避免使用那些最終會排放到生物圈中的非自 然工質(zhì)。選擇一直存在于大氣中的、對生物界無害的自然工質(zhì)是非常安全的。各種 不同的自然工質(zhì)中，水、氨、c 0 2 、空氣和碳?xì)浠衔锊⒕哂刑囟ǖ奈锢硇再|(zhì)，都 曾作為制冷劑被使用過。氨、碳?xì)浠衔? 丙烷、異丁烷及其混合物) 、空氣和c 0 2 等工質(zhì)在常規(guī)的制冷溫度范圍內(nèi)( 一5 0 一1 0 ) 是適用的，它們幾乎適宜于制冷空 調(diào)領(lǐng)域的所有場合，是最具應(yīng)用前景的自然制冷工質(zhì)。在高溫?zé)岜妙I(lǐng)域，水作為 種制冷工質(zhì)也開始得到重視和研究。自然工質(zhì)被已故前國際制冷學(xué)會主席g l o r e n t z e n 2 j 稱為解決環(huán)境問題的最終方案。 氨工質(zhì)有可燃性和毒性，目前只在工業(yè)冷凍系統(tǒng)中使用，而且氨與普通潤滑油 不溶，系統(tǒng)設(shè)計較復(fù)雜。水具有良好的環(huán)境特性，但水壓縮機(jī)最好是離心式壓縮機(jī)， 一般采用兩級和三級壓縮，仍處樣機(jī)階段，而且水制冷設(shè)備體積相當(dāng)大，對小型的 制冷系統(tǒng)則無法應(yīng)用。碳?xì)浠衔锟扇迹鳛橹评鋭?，其充灌量受到限制，因此?氫化合物不能應(yīng)用到大型的系統(tǒng)中。由表1 2 和表1 3 可以看出c 0 2 具有良好的物 理性質(zhì)和熱力學(xué)性質(zhì)，特別是對于特殊場合應(yīng)用是非常理想的。 在不同的制冷空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域，自然工質(zhì)是完全可以勝任工質(zhì)替代要求的， 而且會在不同的領(lǐng)域發(fā)揮其自身優(yōu)勢。在未來的制冷空調(diào)領(lǐng)域g f 入自然工質(zhì)，所面 臨的問題是如何建立安全、可靠的系統(tǒng)，并使其在效率和投資兩方面與傳統(tǒng)工質(zhì)系 統(tǒng)競爭。隨著對自然工質(zhì)性質(zhì)研究的不斷深入和技術(shù)的不斷進(jìn)步，現(xiàn)階段所存在的 許多關(guān)鍵性問題將會得到逐步解決。 1 1 3 近年來c 0 2 制冷技術(shù)的動態(tài) 作為一種已經(jīng)使用過且已證明對環(huán)境無害的制冷工質(zhì)，c 0 2 又一次引起了人們 的重視。1 9 8 9 年，挪威s i n t e f 研究所的o l o r e n t z e n 、j p e t t e r s o n 等人率先發(fā)起重 新起用c 0 2 作為制冷荊針對c 0 2 臨界溫度較低的特點(diǎn)，g l o r e n t z e n 提出跨臨界 制冷循環(huán)理論，為證實(shí)此理論，建立了c 0 2 汽車空調(diào)實(shí)驗(yàn)臺，進(jìn)行測試，得到滿意 天津大學(xué)博士論文 的結(jié)果1 3 】。 表卜2 工質(zhì)熱力特性指標(biāo) n h t c 3 h bc 0 2h 2 0 編號h c f c - 2 2h f c 1 3 4 a r 7 1 7r 2 9 0r 7 4 4r 7 1 8 相對價格比 l3 5o20 101很小 臨界溫度( 1 9 61 0 l0 01 3 2 4 49 6 8 33 l0 63 7 4 1 4 臨界壓力( k p a ) 4 9 7 75 04 0 6 66 71 1 27 74 2 5 69 77 3 7 76 52 2 04 8 比熱k j k g k11 61 3 0 846 9 925 7 925 3 9l8 6 8 0 比容m 3 k g 00 0 0 7 7 8 300 0 0 7 7 2 l0 0 0 1 5 6 60 0 0 1 8 9 3o0 0 1 0 7 30 0 0 1 0 9 1 飽和壓力( b a r )4 9 7 22 9 2 94 3 0 24 7 7 93 48 50 0 0 6 1 1 2 溫 導(dǎo)熱系數(shù), m k0 1 0 0 100 9 9 4 20 5 3 90 1 0 9 10 1 1 1 505 6 7 2 度 牯度k g m s 00 0 0 1 9 0 20 0 0 0 3 3 0 600 0 0 1 8 9 60 0 0 0 1 3 500 0 0 1 0 4 50o 叭7 6 6 時 單位容積制冷量4 3 4 42 8 6 04 3 6 03 8 7 0 2 2 6 0 01 2 1 3 表1 - 3 安全、環(huán)境指標(biāo) n h 3c 3 h ec 0 2h 2 0 a i r 工質(zhì)h c f c 2 2h f c 1 3 4 a r 7 1 7r 2 9 0r 7 4 4r 7 1 8r 7 2 9 分子量8 64 71 0 2 0 31 70 3“14 40 11 80 22 89 7 標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)( ) 4 0 7 62 6 1 4，3 3 3 3- 4 2 1 77 85 21 0 0 01 9 44 t l v t w a ( p p m ) 1 0 0 01 0 0 02 52 5 0 05 0 0 0 l f l ( ) 無無1 4 8無無無無 毒性+ a 1a 1b 2a 3a 1a l o d p0 0 3 4000000 g w p ( 1 0 0 年)1 9 0 01 6 0 0 l- 2 0 l 5 0 c 0 2 制冷劑是自然工質(zhì)，自然界天然存在的物質(zhì)，不破壞臭氧層，溫室效應(yīng)指 數(shù)( g w p ) 為1 ，對人體健康與居住環(huán)境無短、中、長之害處，用它做制冷劑正好回收 了本來要排向大氣的廢物，故不需回收或再處理，安全無毒，不可燃，即便在高溫 下也不分解產(chǎn)生有害氣體。c 0 2 具有極佳的熱力性質(zhì)，單位容積制冷量大于普通制 冷劑而且氣體密度高，流體粘度低，可降低使用的管路與壓縮機(jī)尺寸，而使系統(tǒng)重 量減輕、結(jié)構(gòu)緊湊、體積小。另外，化學(xué)穩(wěn)定性好，完全適合于普通的潤滑劑和通 常的制造材料。c o ：制冷循環(huán)的壓縮e e 要比常規(guī)工質(zhì)制冷循環(huán)低，壓縮機(jī)的容積效 第一章緒論 率可維持在較高的水平。在幾種常用的自然工質(zhì)中，可以說c 0 2 最具競爭力，在可 燃性和毒性有嚴(yán)格限制的場合，c 0 2 是最理想的【4 。g l o r e n t z e n 認(rèn)為c 0 2 是“無可 取代的制冷工質(zhì)”。 在過去的十多年里，多家組織資助自然工質(zhì)的研究，包括國際制冷研究會i i r ( t h e i n t e r n a t i o n a li n s t i t u t eo f r e f r i g e r a t i o n1 9 9 3 ，1 9 9 4 ，1 9 9 6 ，1 9 9 8 ，2 0 0 0 ) ，國際制冷聯(lián)合會 ( i e a ) t h ei n t e r n a t i o n a le n e r g ya s s o c i a t i o n ，( 1 9 9 5 ，1 9 9 6 ，1 9 9 9 ) 。i e a 資助了一個3 年的項 目a n n e x 2 2 “，在自然工質(zhì)壓縮系統(tǒng)包括8 個國家參加涉及2 0 個c 0 2 制冷項目。s t e n e 的報告和i e a 的兩次會議以及：l e a 最終的報告都報告了世界范圍內(nèi)自然工質(zhì)項目的 狀況。i e a 從1 9 9 9 年開始的a n n e x 2 7 項目 6 l 主題是選擇c 0 2 作為壓縮系統(tǒng)制冷劑，涉 及的全部是c 0 2 制冷項目，參加國家為5 個，于2 0 0 2 年提交全部報告。美國空調(diào)制冷 研究所a r t i ( a i r - c o n d i t i o n e r r e s e a r c h t e c h n o l o g y i n s t i t u t e ) 介入了2 1 c r p r o g r a m f 為 了2 1 世紀(jì)的h v a c r 研究) ，研究主要集中在可替代工質(zhì)的設(shè)備，其中涉及c 0 2 傳熱 與傳質(zhì)研究和c 0 2 壓縮機(jī)及膨脹機(jī)的開發(fā)和研制嘰 1 2c 0 2 跨臨界循環(huán)特點(diǎn)及應(yīng)用現(xiàn)狀 1 2 1 c 0 2 跨臨界循環(huán)特點(diǎn) 1 ) c 0 2 由于其臨界溫度較低，所以用于夏季制冷工況時，宜采用跨臨界循環(huán)的方式， 排熱過程是在超臨界工況下進(jìn)行的，整個放熟過程沒有相變現(xiàn)象的產(chǎn)生。壓縮機(jī)的 排氣溫度較高( 可達(dá)到1 0 0 以上) ，并且放熱過程為一變溫過程，有較大的溫度滑 移。這種溫度滑移正好與所需的變溫?zé)嵩聪嗥ヅ?，是一種特殊的勞倫茲循環(huán)，用于 熱回收時，有較高的放熱效率。 2 ) 對于c 0 2 跨臨界循環(huán)，當(dāng)蒸發(fā)溫度一定時，循環(huán)效率主要受氣體冷卻器出口溫度 和排氣壓力的影響。當(dāng)氣體冷卻器出口溫度保持不變時，隨著高壓側(cè)壓力的變化， 循環(huán)系統(tǒng)的c o p 存在著最大值日j ，對應(yīng)于該點(diǎn)的壓力，稱為最優(yōu)高壓側(cè)壓力。就典 型工況而言，研究表明，最優(yōu)壓力一般為1 0 m p a 左右。這一特性，使c 0 2 跨臨界循 環(huán)比常規(guī)工質(zhì)亞臨界循環(huán)更適合于系統(tǒng)的動態(tài)容量調(diào)節(jié)特性。 3 ) c 0 2 作為制冷工質(zhì)的主要缺點(diǎn)是運(yùn)行壓力較高和循環(huán)效率較低【9 j 。分析表明，在 現(xiàn)有的技術(shù)條件下，即使采用普通的材料，c 0 2 制冷循環(huán)系統(tǒng)在其運(yùn)行壓力條件下， 安全性是完全可以保證的【1o 】。實(shí)際上，設(shè)備的破裂強(qiáng)度和壓力與容積的乘積有關(guān)。 由于c 0 2 的單位容積冷量比常規(guī)制冷工質(zhì)大很多( 見表1 - 1 ) ，因此，其壓力與容積 的乘積與常規(guī)工質(zhì)差別并不大，設(shè)備內(nèi)氣體的爆炸能量也基本相同。而且，相對于 動力發(fā)電和石油化工行業(yè)的工作壓力，c 0 2 跨臨界循環(huán)的工作壓力并不能算高。較 高的運(yùn)行工作壓力，并不會成為c 0 2 作為制冷工質(zhì)推廣應(yīng)用的障礙。 天津大學(xué)博士論文 4 ) 理論分析和實(shí)驗(yàn)研究證實(shí)i l lj ，c 0 2 單級壓縮跨臨界循環(huán)的循環(huán)效率c o p 要低于 r 2 2 、r 1 3 4 a 等傳統(tǒng)工質(zhì)的循環(huán)效率，這也是c 0 2 跨臨界循環(huán)的一個主要缺點(diǎn)。針 對循環(huán)效率的缺點(diǎn)，可通過采用雙級壓縮和采用膨脹機(jī)回收一部分膨脹功的措施加 以改善，其中采用膨脹機(jī)循環(huán)，是提高c 0 2 跨臨界循環(huán)c o p 的根本性措施 1 2 , 1 3 。 對r 1 2 、r 1 3 4 a 等傳統(tǒng)工質(zhì)的亞臨界循環(huán)而言，由于其較大的膨脹比( 2 0 4 0 ) 和較 低的膨脹功回收比例( 1 0 2 0 ) ，采用膨脹機(jī)循環(huán)既不經(jīng)濟(jì)，也很不容易實(shí)現(xiàn)。對 c 0 2 跨臨界循環(huán)來說，由于其膨脹比小( 2 4 ) ，而膨脹功大( 占壓縮功的2 5 一3 0 ) ， 其循環(huán)效率提高的幅度遠(yuǎn)高于常規(guī)工質(zhì)。理論分析i l2 j 表明，采用膨脹機(jī)，c 0 2 跨臨 界循環(huán)的效率要高于常規(guī)工質(zhì)的節(jié)流膨脹循環(huán)。 12 2 c 0 2 跨臨界循環(huán)的應(yīng)用研究 1 2 21 汽車空調(diào)系統(tǒng) c 0 2 跨臨界循環(huán)由于排熱溫度高、氣體冷卻器的換熱性能好，因此比較適合汽 車空調(diào)這種惡劣的工作環(huán)境。除此以外，c 0 2 系統(tǒng)在熱泵方面的特殊優(yōu)越性，可以 解決現(xiàn)代汽車冬天不能向車廂提供足夠熱量的缺陷。 1 9 9 3 年，挪威的s i n t e f 研究所g l o r e n t z e n 與j p e t t e r s e n ，首先發(fā)表了將c 0 2 冷媒 應(yīng)用在汽車空調(diào)系統(tǒng)上，并開發(fā)了能與r 1 2 性能相近的c 0 2 車用空調(diào)機(jī)的實(shí)驗(yàn)室樣 機(jī)。德國k a s s e l 大學(xué)的j k o h l e r 等人 1 4 1 也開展y c 0 2 工質(zhì)汽車空調(diào)和熱泵的應(yīng)用研 究，1 9 9 6 年8 月，第一臺公共汽車空調(diào)樣機(jī)在車上通過現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)且運(yùn)行良好。v d a ( v e r b a n dd e ra u t o m o b i l ei n d u s t r i e s ) 一個德國聯(lián)合研究組、由7 個汽車制造商聯(lián)合 ( a u d i 、b m w 、d a i m l e rc h y s l e r 、f o r d 、o p e l 、p o r s e h e 和v o l k s w a g e ) 決定2 0 0 6 年開 始執(zhí)行汽車空調(diào)采用c 0 2 為制冷劑1 1 5 1 。此外，丹麥的j h o i s t 等人 t 6 1 在丹佛斯建立了 c 0 2 跨臨界汽車空調(diào)實(shí)驗(yàn)臺，對系統(tǒng)的調(diào)節(jié)部件進(jìn)行分析與研究。m a r y l a n d 大學(xué)的 c e e e 研究中, l , m a r c u s p r e i s s n e r 等人【”7 】對c 0 2 汽車空調(diào)弄【 r 1 3 4 a 系統(tǒng)在怠速和行駛 條件下( 1 0 0 0 1 8 0 0 r p m ) 進(jìn)行了比較，制冷量從低于r 1 3 4 a 系統(tǒng)1 3 ，到高于r 1 3 4 a 系統(tǒng)2 0 ，而c 0 2 系統(tǒng)的c o p 卿j 從低于r 1 3 4 a 系統(tǒng)1 1 到低于r 1 3 4 a 系統(tǒng)2 3 。美 國a i rc o n d i t i o n i n ga n dr e f r i g e r a t i o nc e n t e r ( a c r c ) 的y i ne ta 1 ，b o e w ee ta 1 和b e a v e r e ta 1 等人1 1 8 , 1 9 1 采用微通道換熱器，對c 0 2 樣機(jī)在相同體積和空氣側(cè)換熱器壓降的情況 下與r 1 3 4 a 汽車空調(diào)進(jìn)行了分析比較。w e m e rs t a d t m o l l e r 和j u e r g e nk u n e s c h 2 0 1 對c 0 2 汽車空調(diào)氣體冷卻器材料的設(shè)計特性進(jìn)行研究，分析一個典型的由鋁擠壓成多流程 外廓，用銅焊接頭形成緊密連接的氣體冷卻器換熱器材料低強(qiáng)度的原因。c a r l o b u r k h a r d t 2 1 1 開發(fā)設(shè)計了適用于c 0 2 汽車空調(diào)使用的金屬軟管。2 0 0 3 年1 月d e n s o k a r i y a j a p a n 與t o y o t o 汽車公司開發(fā)出世界上的第一臺使用自然工質(zhì)的汽車空調(diào)【l 5 1 。 第一章緒論 國內(nèi)上海交通大學(xué)的陳芝久、丁國良教授【2 2 1 進(jìn)行t c o ：汽車空調(diào)的仿真研究，根據(jù) 美國空調(diào)制冷中心關(guān)于二氧化碳汽車空調(diào)制冷裝置樣機(jī)及其實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立起了穩(wěn)態(tài) 集中參數(shù)模型，并對c 0 2 汽車空調(diào)系統(tǒng)強(qiáng)度進(jìn)行了分析。 1 222 熱泵系統(tǒng) c 0 2 跨臨界循環(huán)氣體冷卻器所具有的較高排氣溫度和較大的溫度滑移可與冷卻 介質(zhì)的溫升過程相匹配，以及氣體冷卻器出口溫度越低，系統(tǒng)性能越好等特性，非 常適用于熱水系統(tǒng)。 熱泵領(lǐng)域的研究也是由挪威s i n t e f 研 究所rn e k s f i 等人率先發(fā)起1 2 ”。他們對熱泵 熱水器的特性、循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計進(jìn)行了理論分 析與實(shí)驗(yàn)研究，樣機(jī)如圖1 - 1 ，熱泵熱水器 加熱量為5 0 k w , 可提供5 0 9 0 熱水， c o p 為4 - - 5 。n e k s a t 等人【2 4 】研究了熱泵熱 水器的應(yīng)用。德國f k w 制冷熱泵研究中心 的b r a n d e sa n dk r u s e 口5 1 探討了c 0 2 跨臨界 圖i - ic 0 2 熱泵系統(tǒng) 循環(huán)熱泵代替鍋爐在采暖系統(tǒng)中應(yīng)用的可 行性。挪威n t n u ，s i n t e f t 2 6 】聯(lián)合開發(fā)鹽水c 0 2 熱泵系統(tǒng)，可既提供熱水，又提供 低溫地板采暖。同時研究分析了利用此系統(tǒng)加熱空氣采暖的可行性。熱泵系統(tǒng)被設(shè) 計為兩級加熱系統(tǒng)，帶輔助加熱器。通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，6 5k w 的c 0 2 熱泵系統(tǒng)可提供 5 0 的采暖負(fù)荷，并能完全滿足6 0 8 0 的熱水需求。2 0 0 2 年日本d e n s o 、 s a n y o 、d a i k i n 、m i t i s u b i s h i e 2 7 1 等著名的制