2016, Vol. 32
目前,制冷行业正处于制冷剂替代的转型期.CO2作为天然制冷剂的代表,环保性能优良,是非常有潜力的替代制冷剂.由前国际制冷学会主席Lorentzen提出的跨临界CO2制冷循环,使CO2制冷系统的效率得到了很大的提高[1].因此,CO2制冷剂再次引起了人们的重视和研究热情.近年来,CO2制冷系统的研究发展非常迅速,尤其是跨临界循环,已经成为国内外学者竞相研究的热点.目前,超临界CO2制冷主要应用集中在以下几个方面:热泵热水器、汽车空调、商业食品冷冻冷藏等.超临界CO2循环应用于热泵热水器已经取得了成功,在很多国家已经进入商业化阶段,而在汽车空调和超市冷冻冷藏领域的发展还存在生产技术和安全性等方面的问题.国内外学者都对CO2制冷系统开展了大量的研究,并取得了很多研究成果.
1 跨临界CO2循环研究现状CO2作为制冷剂最早出现在十九世纪50年代,当时采用的是蒸汽压缩循环,用于船舶制冰.二十世纪20年代,CO2蒸汽压缩循环开始应用于空调系统中,当时的电影院和超市大多采用CO2空调.由于CO2临界温度低(31.1 ℃),临界压力高(7.38 MPa),当时的技术还不能达到跨临界循环的要求,只能采用亚临界循环,故用于制冷时需要温度很低的冷却介质(比如土壤、海水等),这不仅限制了CO2制冷系统的使用场合,而且亚临界循环效率也较低.在二十世纪20年代后期,以R11、R12为代表的氯氟烃(CFCs)类制冷剂开始出现,并以其循环效率高和对冷却介质要求低等特点,迅速占领了制冷和空调领域.在接下来的很长一段时间中,CO2几乎完全被合成制冷剂所取代.
直到二十世纪90年代,由于合成制冷剂被排放至大气中,分解出的氯离子会加速臭氧分解,而氯离子本身却不消耗,从而引起连锁恶性循环,导致臭氧层被破坏.臭氧层的破坏会使地球失去防护太阳紫外线的能力,这关系到人类的生存与发展.所以,全球开始限制合成制冷剂的使用,并在一定时限内完全停止使用.人们开始寻找新的环保制冷剂,由于CO2不破坏臭氧层,对环境的影响几乎为零,故CO2再次进入人们视野.前国际制冷学会主席Lorentzen十分推崇CO2制冷剂,认为CO2是非常有潜力的天然制冷剂,并提出了循环效率高、运行温度范围广的跨临界CO2循环.当时的生产技术已经可以满足跨临界CO2循环压力高的要求.最早的跨临界CO2循环系统是由Lorentzen等[2]搭建的跨临界CO2汽车空调系统,实验研究证明,该实验系统性能和当时的R12制冷系统性能相当.从此,越来越多的专家学者开始研究跨临界CO2循环.
由于跨临界CO2循环提出时间不长,各循环部件的设计和开发都还不能匹配CO2制冷剂.跨临界压力高,对机组内所有部件都提出了新的耐压要求.CO2物理化学性质的独特性,决定了其压缩、放热、节流和吸热过程都和其他制冷剂有区别.因此,要设计和开发出完全适合CO2的循环流程和各部件还需要很长的一段时间.随着研究的深入,跨临界CO2循环的运行性能、安全性等将会有很大的提高.国内外对于跨临界CO2循环的研究热点有很多,包括系统性能、循环流程优化、循环各主要部件的设计和开发、润滑油的匹配等.
1.1 跨临界CO2循环系统运行性能研究对跨临界CO2循环系统的研究旨在提高其运行性能,降低能耗,满足使用需求.国外在提高跨临界CO2循环系统运行性能方面展开了很多研究.
Sarkar[3]对采用纳米流体冷却的壳管式气体冷却器进行的性能研究发现,采用纳米流体冷却可以提高气体冷却器的效率,同时提高跨临界CO2循环系统的性能.
Ge等[4-5]对采用传统制冷剂的展示柜制冷系统的蒸发器进行了改进,使其更好地适用于跨临界CO2制冷系统,同时研究了在食品零售中跨临界CO2制冷系统的优化控制.
Evans等[6]对测试条件下采用跨临界CO2循环的商用展示柜的性能和能耗进行的实验测试和分析发现,展示柜形式的不同对其性能和能耗的影响很大.
Sawalha[7]从理论上分析了跨临界CO2循环用于超市制冷系统的可行性和经济性.
1.2 运行工况对跨临界CO2循环系统性能影响的研究运行工况(蒸发器或气体冷器侧换热条件)的变化会引起制冷设备运行性能的变化.在一些极限工况下设备将无法运行,即使运行,其性能也很低.因此,对机组进行不同运行工况下的运行性能研究能够了解机组对不同环境的适应情况,为设计在某些特定环境下工作的机组提供实验指导.国内在跨临界CO2循环系统运行工况对系统性能的影响方面展开了不少研究.
仇富强等[8]对空气源CO2热泵热水器最佳冷却工况进行了热力学分析,结果显示,冷却介质温度为定值时,CO2 热泵循环存在一个最佳冷却压力,与有无回热无关.
朱传芳等[9]研究了系统工况对微通道平行流气体冷却器换热性能的影响,结果显示,通过气体冷却器的CO2质量流量相同时,CO2流体实验压力越接近临界压力,则气体冷却器散热能力越强.
黎立新[10]对船用CO2制冷系统变工况进行了模拟和分析,得出了系统主要性能参数的变化规律,并在此基础上提出了可供设计CO2制冷压缩机参考的最大压差工况和最大功率工况.
梁志礼等[11]对CO2热泵系统变工况性能进行了实验研究,讨论了蒸发温度、高压侧压力、吸气过热度等参数对系统性能的影响.
黄冬平等[12]对CO2汽车空调器变工况性能进行了模拟和实验研究,在两种压缩机转速和两种气体冷却器空气进口温度进行不同组合的工况下进行了循环计算.结果表明,压缩机转速越高,或者气体冷却器空气进口温度越高,CO2汽车空调工况越恶劣,性能系数(COP)越低.
傅烈虎等[13]对带膨胀机的跨临界CO2循环变工况特性进行了实验研究,结果显示:循环存在一个最佳排气压力使COP达到最大值,且最佳排气压力对冷却器出口温度的变化比较敏感;随着蒸发温度的下降,单位质量制冷量先增大后减小.
1.3 充注量对小型跨临界CO2循环系统性能影响的研究小型制冷系统(冰箱、展示柜、家用热泵热水器等)一般不设置储液装置,且节流机构调节流量的作用有限(比如毛细管).这类小型制冷系统运行能效、稳定性受充注量的影响很大.充注量过多或过少都会降低系统运行性能.
郭朝红等[14]对一台制冷剂为R12的小型冷柜系统进行了确定最佳充注量的实验研究.
王文斌[15]对采用R22为工质的小型风冷热泵进行了充注量实验研究,发现最高制热量和最高COP对应的充注量是不同的.
近年来CO2制冷剂成为研究热点.针对CO2制冷系统的研究主要集中在循环改进、控制优化、强化换热和换热器设计、压缩机设计、润滑油等方面,而对CO2充注量的研究不多.
王栋等[16]对小型跨临界CO2循环机组进行了充注量实验研究,结果表明,充注量对系统运行性能的影响较大,且存在最佳充注量.
Cho等[17]对应用于热泵的跨临界CO2循环系统的制冷剂充注量对系统性能的影响进行了研究,结果表明,随着充注量的增加,气体冷却器和蒸发器内部压力会上升,从而影响系统性能,且CO2比传统制冷剂更易受充注量变化影响.
刘洪胜等[18]研究了CO2充注量对汽车空调性能的影响,结果表明,CO2 充注量对跨临界制冷系统的性能影响很大,且存在一个最佳CO2充注量,此时系统的COP最大.
1.4 跨临界CO2循环毛细管节流过程研究毛细管作为最简单、最便宜的节流装置,在小型制冷系统中得到了广泛的应用.对于小型跨临界CO2循环系统,也可以采用毛细管作为节流装置.在跨临界循环中,CO2节流过程是从超临界区开始,依次经过跨临界区、过冷区和亚临界区.节流过程比传统亚临界循环要复杂,研究跨临界CO2在毛细管内的节流过程,对为小型跨临界CO2循环系统选配合适的毛细管、提高运行效率均有指导意义.
Chen等[19]提出了一种新型的带非绝热毛细管的跨临界CO2循环,将毛细管与储液器或压缩机吸气管道焊接在一起,并对非绝热毛细管建立了一维均相流仿真模型,将毛细管内的流动分为超临界单相区、跨临界单相区和气液两相区三个区域,阐述了非绝热毛细管临界流声速判定方法,分析了不同管径毛细管在发生壅塞时的温度和熵分布.
Madsen 等[20]为了验证他们提出的毛细管一维稳态均相流模型的精确性进行了实验研究,但是实验工况变化范围很小.
Agrawal等[21]建立了毛细管一维稳态均相流模型,在单相区和两相区分别采用 Churchill 和 Lin 摩擦系数关联式,并且比较了4 个黏度模型分别对超临界CO2在毛细管内流动特性的影响.研究结果表明,不同黏度模型对结果影响不大,这与CFCs类制冷剂的结果不同.
Agrawal等[22]稳态模拟了跨临界CO2热泵系统制热和制冷两种工况,并将毛细管节流系统与带膨胀阀系统作了对比.结果表明,带毛细管的制冷系统对环境温度变化同样显示出一定的灵敏性和适应性,通常情况下都能使压力保持在最优压力附近,而不会有过大的波动.
曹小林等[23]模拟了不同工况下跨临界CO2循环系统绝热毛细管,研究了不同参数(入口压力、入口温度、质量流速、毛细管内径、蒸发温度等)对毛细管长度的影响.结果表明:毛细管长度与毛细管入口压力近似成正比,和毛细管入口温度近似成反比,蒸发温度对毛细管长度的影响相对较小,可以忽略.
Agrawal等[24]分别利用均相流模型和两流体模型模拟了跨临界CO2热泵绝热毛细管内的流动特性.模拟结果表明:两个模型的模拟结果最大偏差为8% ~ 11%;空隙组分受蒸气干度影响,且与蒸气干度的变化趋势一致;两相区CO2液相和气相速度差小于R22液相和气相速度差.
Yang等[25]采用无量纲神经网络算法对CO2毛细管和节流短管进行了数值模拟和实验研究,90%的模拟结果与实验值的误差在10%以内.
Hermes等[26]采用4种不同尺寸、不同材料的毛细管在不同工况下做实验,遗憾的是,由于当时建立测试台只是针对毛细管建立,无法满足跨临界CO2运行条件.
Silva等[27]对CO2毛细管进行了实验研究,测试台入口压力可达12 MPa,可实现跨临界CO2循环.
Wang等[28]采用两流体模型并考虑到亚稳态过程对盘状跨临界CO2绝热毛细管节流特性进行了数值模拟和对比,模型分别采用不同阻力关联式.结果显示:采用M & N关联式偏差最小,为4%;当毛细管盘状半径从40 mm变为600 mm时,CO2质量流量增加了7%.
由于CO2毛细管气液两相流动过程的复杂性和特殊性,影响其流动规律的因素又很多,特别是亚稳态现象的存在,因此,CO2毛细管内节流过程仍存在不少问题需要进一步研究.
2 跨临界CO2循环的应用和发展前景国内外学者对跨临界CO2循环在热泵、制冷和空调领域应用的研究一直在继续.目前跨临界CO2循环主要应用于汽车空调、热泵热水器和超市冷冻冷藏展示柜等方面.
2.1 应用于汽车空调方面跨临界CO2循环在汽车空调领域取得了很大进展,目前已经进入商业化阶段.跨临界CO2循环用于汽车空调的优势是压比低.压缩机运行效率高,容积制冷量大,机组体积小,适合用于空间有限的汽车.另外,CO2在超临界区优异的热物理性质使气体冷却器侧换热效率高,不可逆损失小.整个循环效率能赶上传统制冷剂(如R12、R22等)和其他用于汽车空调的替代制冷剂(R410a等).当应用于制热时,气体冷却器侧CO2换热时的温度滑移能很好地匹配空气温度的变化,能在冬天向车内提供足够的热量.
2004年,欧盟规定到2017年,禁止全球变暖潜能值(GWP)大于150的制冷剂应用于汽车空调[29].目前,汽车空调中采用较多的R134a的全球变暖潜能值(GWP)高达1 300,是必定会被淘汰的制冷剂,这也为CO2在汽车空调领域广泛使用提供了机遇.
Steven等[30]比较了CO2和R134a汽车空调在制冷工况下的性能.由于CO2在气体冷却器侧熵增较大,故循环效率低于R134a.
陈江平等[31]对跨临界CO2汽车空调系统的吸气换热器进行了优化设计,搭建了国内首台CO2汽车空调系统,测试样机制冷量为4.5 kW,与设计参数较为接近.
马富芹等[32]对CO2汽车空调采用紧凑式微通道换热器的设计进行了理论探讨,预测微通道换热器在汽车空调中会有很好的应用前景.
邓建强等[33]基于平均温差法确定超临界CO2剧烈变化的热物性,采用迭代方法对应用于跨临界CO2汽车空调的紧凑式微通道气体冷却器进行了设计,并对其性能进行了测试分析.
李程等[34]对微通道气体冷却器压降与传热特性进行了研究,通过微通道平行流式气体冷却器内超临界CO2的对流换热实验研究发现:在CO2近临界温度区局部换热系数K随着CO2流量及压力的增加而增大;在接近临界温度时CO2物理性能受压力和温度的影响较大,换热系数是远离临界区的7~9倍.
胡兵等[35]建立了CO2汽车空调系统模型,重点分析了中间换热器长度和节流机构流通面积对系统制冷量和COP的影响,得到了最优中间换热器长度和最优节流面积,并进行了性能测试,制冷量和COP的测试结果分别比仿真结果小18.2% 和13.6%.
由于跨临界CO2循环压力高,对系统内各部件都提出了更高的耐压要求.汽车经常处于颠簸运动的状态,故对制冷系统部件的抗震性有更高要求,这也是超临界CO2循环应用于汽车空调所面临的重要问题.目前,CO2汽车空调的价格较高,比采用其他制冷剂的成本高300美元左右.尽管如此,超临界CO2循环应用于汽车空调依然潜力巨大.
2.2 应用于热泵热水器方面在超临界区温度和压力相互独立,超临界CO2放热时存在温度滑移.跨临界CO2循环应用于热泵热水器时,气体冷却器侧换热效果更好,能提供温度更高的热水.CO2热泵热水器具有很高的运行效率,与电加热以及燃气热水器相比,CO2热泵热水器能降低75%的能耗.在日本CO2热泵热水器已经进入商业化阶段,2007年共售出超过100万台CO2热泵热水器,到2009年增加到200万台.在国内,CO2热泵热水器还处在研究阶段.
李蒙等[36]采用有限单元法建立了换热计算模型,对CO2热泵热水器微通道气体冷却器进行了仿真分析.
刘圣春等[37]建立了跨临界CO2热泵热水器实验系统,对CO2热泵热水器进行了不同季节工况下的实验研究.结果表明:该系统在夏季工况下运行时的性能系数和水流量均高于在其他季节工况下运行.当该系统运行于夏季工况,且气体冷却器侧出水温度达到65 ℃时,系统制热系数在3.45以上,若系统冷量同时被利用(即空调热水两用机),其综合性能系数可达5.9左右.
徐肖肖等[38]设计了一套带喷射器的跨临界CO2热泵热水器系统实验平台,并开发了相应的计算机测控系统,实验研究了冷却水体积流量和进口温度对系统性能的影响.在测试工况范围内喷射器效率最高达到34%,升压比最高达到1.165;在蒸发温度为-5 ℃时,制热系数达到3.0左右,带喷射器的跨临界CO2热泵热水器循环的压缩机压比与传统循环相比减少了12% ~14 %.
崔晓龙等[39]开发了一种以水为冷却介质带回热器的跨临界CO2商用热泵热水器实验系统,并进行了“一次加热”方式和“循环加热”方式多个工况的循环性能实验研究.实验结果表明:按照“循环加热”制取热水时,在气体冷却器侧出水温度为55 ℃时,系统平均制热系数为2.14,在出水温度为65 ℃时,系统平均制热系数为2.08;按照“一次加热”方式制取热水时,名义工况下出水温度为85 ℃时,系统平均制热系数为2.82,最大负荷工况下,出水温度为65 ℃时,系统平均制热系数为3.68,并得出了热泵热水器系统更适合于“一次加热”供水系统的结论.
唐黎明等[40]研制了跨临界CO2热泵热水器实验装置,维持蒸发温度一定,分别对常规系统、带回热器以及带回热器和喷射器的三种系统进行了制取不同温度热水的实验研究.结果表明,与常规系统相比,带回热器系统的制热效率提高约10%,而带回热器和喷射器系统的制热效率提高约20%.
陈琪等[41]搭建了空气源跨临界CO2热泵热水器试验台,分析了在一定工况下CO2质量流量、压比、制热量以及制热系数等参数的变化规律,并得出压缩机绝热效率与气体冷却器的热交换完善度是制约热泵热水器制热系数的两个重要因素.
吕静等[42]通过实验对比研究了“循环加热”和“一次加热”热水时,水箱水温对CO2热泵热水器性能的影响.实验结果表明:水箱水温对系统的性能有一定影响,并提出了水箱结构改进方案,使气体冷却器入口水温稳定在较低水平,可有效提高系统的性能.
CO2热泵热水器在日本成功商业化说明了CO2热泵技术已比较成熟,相信不久的将来,CO2热泵热水器将会在中国热水器市场有良好的发展.
2.3 应用于超市冷冻冷藏方面随着社会的发展,人们生活水平不断提高,生活节奏不断加快,超市作为日用百货的销售载体,在人们的生活中起到了非常重要的作用.超市业在中国有非常广阔的发展空间.超市销售的很多商品都需要保存在合适的温度环境里[43],超市业的发展带动了超市冷冻冷藏设备的发展.展示柜作为超市必备冷冻冷藏设备之一,在超市销售过程中扮演着重要的角色.跨临界CO2制冷系统的另一个主要应用领域是超市冷冻冷藏.一般商用冷藏展示柜采用的是传统的氟里昂(HFC)类制冷剂,比如R404a、R134a等.随着制冷剂替代的步伐越来越快,氟里昂(HFC)类制冷剂终将被替代.
采用CO2制冷系统的展示柜在日本、美国、欧洲等发达国家和地区的大型超市中普遍使用,国内也有不少超市制冷设备(包括展示柜)应用CO2作为制冷剂.可口可乐公司宣布到2015年,在全球可乐销售展示柜制冷系统中淘汰氯代烃类制冷剂,CO2则是理想的替代制冷剂之一.2005年全球正在使用的采用CO2作为制冷剂的可口可乐展示柜有0.85万台,到2008年有4万台,2010年有11万台,并且还在以较快的速度上升[44].随着人们环保意识的增强,研究在展示柜制冷系统中采用天然工质CO2作为制冷剂有着重要的环保意义和实用价值.在超市冷冻冷藏领域CO2会有巨大的发展空间.CO2和传统制冷剂相比有着突出的环保优势,而超临界CO2循环的应用也大大提高了CO2制冷系统的性能.研究显示,超临界CO2制冷系统替代R134a应用于展示柜,不仅环保,而且其系统性能也有所提高[45].目前对用于冷藏展示柜的商用跨临界CO2制冷系统(如冷柜、冰箱等)研究的文献较少,但其巨大的发展前景必然使其成为一个研究热点.
王栋等[45]从理论上介绍了跨临界CO2蒸气压缩式制冷循环,对实验室现有超临界CO2制冷实验系统进行了一系列研究,并与常用制冷剂的循环进行了对比后认为,CO2制冷循环取代传统制冷循环应用于展示柜可大大提高系统制冷效率.
张华等[46]设计了用于可口可乐展示柜的CO2小型集成式制冷系统,并对原型样机进行了测试,得出了不同CO2充注量下的小型集成式制冷系统性能指标对比:在充注量为405 g时,制冷系数最大,为1.0;当箱内平均温度从40.2 ℃下降至3.3 ℃时,所花费时间为1 362 min,约合23 h.并对所得实验数据进行了对比和分析,提出了性能优化方案,验证了优化方案的可行性.
王栋等[16]利用一套小型跨临界CO2冷藏展示柜制冷系统进行了不同充注量的实验研究,讨论了充注量对小型跨临界CO2冷藏展示柜制冷系统的吸排气压力、运行功率、吸排气温度的影响,并分析了出现准(假)临界状态的原因,指出充注量对小型跨临界CO2冷藏展示柜制冷系统的运行性能有较大影响,且存在着一个最佳充注量,并可通过实验测得.
3 结论近年来,跨临界CO2循环制冷系统的研究发展非常迅速,已经成为国内外学者竞相研究的热点.本文综述了跨临界CO2循环的国内外研究现状及其商业应用研究和发展前景,总结了跨临界CO2循环应用于热泵热水器、汽车空调和超市冷冻冷藏领域的研究情况.目前,跨临界CO2循环的商业应用都还处于起步阶段,某些技术参数还不能和使用传统制冷剂相比.由于跨临界CO2循环提出时间不长,循环各部件的设计和开发都还不完善.但随着各项研究的深入,跨临界CO2循环的运行性能、安全性等指标将会有很大的提高,发展潜力巨大.
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