明士去明尸本人鄭重我所呈交的是我個(gè)人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究，作取得的研究成果。盡所，除了文中特別加標(biāo)注和致謝的地方外， ， 或?yàn)槭褂眠^的成果與我一同工作的同志對(duì)本做的所有貢獻(xiàn)均己在中作了明確的說明并表示了致謝。申請(qǐng)與資料若有不實(shí)之處本人承擔(dān)一切相關(guān)責(zé)任。關(guān) 使 的說

日期年Ob月06本人完全了解西安建筑科技大學(xué)有關(guān)保 、使用的定，雪貯 學(xué)校保留送交論文的復(fù)印件，允許被查閱和借閱學(xué)校可以公雪貯’的全部或部分內(nèi)容可以采用影印、縮印或者其 保存（的在后應(yīng)遵守此規(guī) 作者簽

導(dǎo)師樣日期t>6.p.注請(qǐng)將此頁附 首頁西西安二氧化碳跨臨界循環(huán)在熱泵熱水機(jī)組的應(yīng)用研

專業(yè)z導(dǎo)師

喬麗李樹林教授 CCsHCCsHCsHCCs。世界各國的初步研究表明二氧化碳跨臨界循環(huán)裝置適用于熱泵熱水系統(tǒng)，具有很大的發(fā)展前途。R744工質(zhì)的歷史及研究現(xiàn)狀。COP的、較全面的評(píng)價(jià)。壓側(cè)壓力的方法。 跨臨界循 熱 氣體冷卻StudiesonTranscriticalC02CyclesAdoptedinHeatPumpWaterBeater

Specialty:Heating,VentilationandA讓Conditioning QiaoLi Prof.LiAtpresent,environmentalproblemshave eaglobalone,amongthemozonedepletionandgreenhouseeffectwhich盯ecloselyrelatedtoepeople’shealthandlifehavedrawnagreatattention.DischargeofCFCsandHCFCswidelyusedinre企igeratingequipmentsisoneof也em離jorreasonsforozonedepletionandgreenhouseeffectaswell,andwillbephasedout.AlternativerefrigerantHFCsisnotaproperone.Forlongtermconsideration,naturalrefrigerantisthemostsatisfiedsubstitutes.ηiefeasibilityinvestigationaroundtheworldshowedattranscriticalC02cyclesiswanningeffectSincetheinvestigationjustbeginsmuchworkneedstobedone.ThispaperstudiestheC02whichoneofnaturalrefrigerant, yzesitsthermalproperties,thecharacterofC02cycle,tomaketranscriticalC02cyclemoreperfect,andyzestheeconomicfactors也attranscriticalC02cycleusedinheatpw丑pwaterheater.First,thispaperyzesthesignification,thepurpose,thecircumstanceofalternativerefrigerantinglobal,theemphasisofsubstitution,thenrefertoatthenaturalre企igerantistheonlykindwaytoenvironment.ThispaperalsointroducesthehistoryofC02出re仕igerant.Inviewofthefactthattheevaluationofare企igerantonlybyitssimplethermodynamicalcycleysisisanone-sidedapproach,thecomprehensiveevaluationofC02refrigerantisconductedintermsofenvironment,safety,thermophysicalcharacters,compressorefficiency,priceandsoon.Basedonairconditioningcyclesimulations,theinfluenceofthesystemtemperatureandgascooleroutlettemperatureonthecycleCOPintranscripticalC02isyzed.Itisshown也atanoptimalheatr司ectionpressureexitsto且 COP.Then,thepaperyzeshowtoderivetheoptimalheatrejectionThefeasibility,theadvantage,theeconomicalfactorareyzedbycomparisonwithotherkindsofwaterheater,suchasnaturalgas,oil-fired,andsoon.Then,yzedtheexergyefficiencyofthesystem.:naturalrerigerant,transcriticalC02cycle,heatpump,gas西安西安 第1章緒論 . .. 制冷工質(zhì)替代問題的提出. . 保護(hù)大氣的國際行動(dòng). .... 《關(guān)于破壞臭氧層物質(zhì)的蒙特利爾議定書》 ..《議定書》 國內(nèi)外制冷工質(zhì)替代的方向

·· ..二氧化碳作為制冷工質(zhì)的歷史及研究現(xiàn)狀. 第2章二氧化碳工質(zhì)的綜合評(píng)價(jià). 環(huán)境和安全性能 ······· 2.1. GWP和 安全...

...熱物理性質(zhì)和傳輸性能

... .

熱力學(xué)性質(zhì)與循環(huán)性能的關(guān) · .. 傳輸性質(zhì)與循環(huán)性能的關(guān)系········ 壓降與飽和溫度降的關(guān)系

其它因素

... 來源和價(jià)格 ····· 穩(wěn)定性和相 ... 第3章二氧化碳跨臨界循環(huán)分析 二氧化碳跨臨界循環(huán)模擬...

二氧化碳跨臨界制冷循環(huán)最優(yōu)高壓側(cè)壓力問 蒸發(fā)溫度Te和氣體冷卻器出口溫度T4對(duì)循環(huán)性能的影響 二氧化碳跨臨界循環(huán)方式·········... 西安西安本章小結(jié).. . 二氧化碳跨臨界熱泵型熱水機(jī)特點(diǎn).. ... 二氧化碳跨臨界熱泵型熱水機(jī)理論分 二氧化碳跨臨界熱泵型熱水機(jī)熱力經(jīng)濟(jì)性指 . 曹 二氧化碳跨臨界熱泵熱水機(jī)性能分析 幾種加熱方式經(jīng)濟(jì)性分析 ’ 本章 第5章二氧化碳跨臨界系統(tǒng)熱力學(xué)分 ... 二氧化碳跨臨界循環(huán)炯分析 ... 二氧化碳跨臨界循環(huán)系統(tǒng)火用分析結(jié)果 二氧化碳跨臨界熱泵熱水機(jī)組各參數(shù)對(duì)系統(tǒng)炯效率的影 本章小結(jié) . 6章結(jié)論與展結(jié)論..

·

. ... .謝.. 參考文獻(xiàn) . 附錄攻讀階段.... .. v西安西安1章緒，從1834年人波爾金斯（Perkins）試制成功了第一臺(tái)以乙隧為制冷劑的蒸， 為現(xiàn)活不可缺少的一部分盡冷方式有許多種，如吸收式制冷、吸附式制u血液”發(fā)全球每年制冷劑消耗量達(dá)數(shù)百萬噸左右［30）無論制冷劑的回收工作做的多么氣可以達(dá)幾十年甚至幾百年。制冷工質(zhì)替代問題的提自2030CFCsHCFCs201974年，美國學(xué)者S?RowlandM?MolinaCFCs臭氧（03）是一種在地球大氣中的氣體，分布在離地面 60km高度的大氣 流層這一分布區(qū)域叫做臭氧層臭氧能吸 輻射波長在300nm以下的紫外線 主要是部分 （波長段320290nm）和全部uv-c（波長小于290nm）的紫外線促使這些物質(zhì)化學(xué)分子破裂釋放出氯原子這些氯原子與臭氧發(fā)生化學(xué)Cl+03→Cl0+02ClO+O→Cl+02在化學(xué)反應(yīng)中氯原子只起催化劑的作用本身并沒有消耗 被紫外線破壞并產(chǎn)生氧氣但這個(gè)過程和與之相反的反應(yīng) （從氧到臭氧〉在地球的整個(gè)歷史中一直同時(shí)存在并處于平衡狀態(tài)所以在人工合成的化學(xué)品出現(xiàn)前，PAGEPAGE2大氣中的臭氧量一直保持相對(duì)不變盡管一定量的紫外輻射對(duì)生命來說是必要的但過量的紫外輻射卻非常不利如使患皮膚癌的可能性增加，使患白內(nèi)障的機(jī)會(huì)增多破體免疫系統(tǒng)降低農(nóng)作物產(chǎn)量和使質(zhì)量劣化等等。1985年2英國南極隊(duì)隊(duì)長法曼(J·Farman）首次從1977年起就發(fā)現(xiàn)南極洲上空的臭氧總量在每年9月下旬開始迅速減少一半左右形成臭氧空洞持續(xù)到 11 逐漸恢復(fù)這一引起了世界性的隨后世界上多個(gè)國家對(duì)全球各個(gè)地面觀測站保存的歷史記錄進(jìn)行分析進(jìn)步證實(shí)了大氣臭氧總量正在減少并主要發(fā)生在臭氧層［）臭氧層與人們的生活關(guān) 是人類賴以生存的“保護(hù)傘”臭氧層消耗引起世界范圍內(nèi)學(xué)者和專家的高度重視。 此外，，科學(xué)研究發(fā)CFCs和HCFCs物質(zhì)為溫室氣體，可以增強(qiáng)地球溫室效。 蒸氣、二氧化碳、大部分制冷工質(zhì)和其他氣體都為溫室氣體，可以產(chǎn)生溫室效應(yīng)。，對(duì)于生命來說室效應(yīng)是很重溫室氣體過量排放會(huì)使大氣成分發(fā)生變化地球表面的平均溫度升高暖將造成自然災(zāi)害頻發(fā)疾病橫行海平面上升淡水供應(yīng)緊張這些對(duì)地球來說將是性的。臭氧層破壞和全球氣候變化是當(dāng)前世界所的主要環(huán)境問題CFCs和HCFCs物質(zhì)破壞臭氧層加溫室效應(yīng)使臭氧層減薄對(duì)全球氣候變暖有定作用，引起了國際反響大氣資源是人類共有的資源是人類生存和發(fā)展的最根本和淘汰CFCsHCFCs保護(hù)大氣資源成為世界各國和地區(qū)的共同保護(hù)大氣的國際行《關(guān)于破壞臭氧層物質(zhì)保護(hù)臭氧層的全球合作始于1985年保護(hù)臭氧層維也納公約的協(xié)商與締結(jié)。在聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署CUNEP）的倡議下，1987年9月16日24個(gè)工業(yè)國（包括歐洲經(jīng)濟(jì)）在蒙特利爾簽署了《關(guān)于破壞臭氧層物質(zhì)的蒙特利爾議定書》，限制使用對(duì)臭氧層有破壞作用的物質(zhì)國際上正式規(guī)定了逐步削減CFC物質(zhì)生產(chǎn)與消費(fèi)的日程表緊接著蒙特利爾會(huì)議又在海牙、赫爾辛基、倫敦、內(nèi)羅畢、和等地舉行了會(huì)議多次修訂了《蒙特利爾議定書》的內(nèi)容締約國大會(huì)先后通過了《倫敦》（1990年〉、《 》（1993年）《蒙特利爾》 （1999年），這些不僅逐步擴(kuò)大了對(duì)消耗臭氧層PAGEPAGE5O質(zhì)ODS 定了限用日程表而且還加快了淘汰的步伐。因?yàn)槌粞鯇拥钠茐目偭康膰?yán)重性和緊迫性變得越來越清楚了的國家，制定了逐步禁用DS的時(shí)刻表。我國已于1991年正式宣布加入經(jīng)修訂的《蒙特利爾議定書》，并1993年提出了《中國消耗臭氧層物質(zhì)逐步淘汰國家方案》到目前為止得到大部分締約國認(rèn)可的 特利爾議定書》及其后的倫敦和詳細(xì)規(guī)定了發(fā)達(dá)國家與發(fā)展中國家ODS的不同的淘汰期限：O1CFCs工發(fā)達(dá)國家己從1996年1月1日起生產(chǎn)和使用發(fā)展中國家將要求(1)；2年的平均水平削50%;(3)200711削減85%201011日，削減100%。)HCFCs工對(duì)發(fā)達(dá)1996年起凍結(jié)生產(chǎn)量，2004年開始削2020年新設(shè)備中設(shè)備中的HCFCs可使用到2030發(fā)展中2016年開始凍結(jié)生產(chǎn)量2040年完全停用。《蒙特利爾議定書》及其對(duì)HCFC物質(zhì)的禁限要求一直在作調(diào)整。歐洲HCFCs態(tài)度比較積極。《議定書年在巴西里約熱內(nèi)盧簽署的《氣候變化框架公約》中己對(duì)全球變暖總量進(jìn)行了討論年月在東京召開的《氣候變化框架公約》第次締約國會(huì)議上簽署了《議定書》（KyotoProtocol)。在該議定書中確認(rèn)了溫室氣體對(duì)全球氣候變化的影響明確了C02甲炕Cl-LJ、NiO、SF6氯氟侄類CFCs含氫氯氟侄類HCFCs 和氫氟經(jīng)HFCs 等“溫室氣體(GreenhouseGases）”的范圍并要求發(fā)達(dá)國家首先將溫室氣體的排放量凍結(jié)在20世紀(jì)90年代的水平，進(jìn)而20082012年期間在此凍結(jié)水平基礎(chǔ)上將溫室氣體排放量削減5.2%，發(fā)展中國家沒有減排義務(wù)。1998年中國簽署《議定書》2002年核準(zhǔn)了議定書2005年2月16日《京都議定書》成為認(rèn)可的國際法。國內(nèi)外制冷工質(zhì)替代的制冷空調(diào)行業(yè)為了適應(yīng)CFCs和HCFCs工質(zhì)的淘轉(zhuǎn)軌使用HFCs，人一直認(rèn)為HFCs是CFCs制冷工質(zhì)的長期替代物現(xiàn)在《議定書》又將HFCs列入了溫室氣體中要對(duì)它們的排放加以控制。國內(nèi)外制冷空調(diào)行業(yè)均在探索如何總結(jié)歷史經(jīng)驗(yàn)，尋求正確、科學(xué)地解決由于環(huán)保要求制冷工質(zhì)替代問題，力爭少走彎路、、為了應(yīng)對(duì)環(huán)保要求的在尋找、開發(fā)替代制冷工質(zhì)的過程中，逐漸形成了兩種替代路線即以為首的國家仍主張使用HFCsP呵包括開發(fā)純組分的新一代制冷工質(zhì)或二元、三元共沸和非共沸混合物德國等歐洲國家主張、、 用自然工質(zhì)包括HCs、C02、NH3等HFCs。在兒乎所有過去采用CFCs的制冷設(shè)備包括大多數(shù)的白色家電、汽車空作為它們的長期替代品[16）學(xué)者認(rèn)為，R410A將會(huì)是未來的主要制冷工質(zhì)。。HFCs的臭氧耗損潛能值ODPOzoneDepletionPotential）能值GWP較高（如HFC134a的GWP100高達(dá)1300）。采用HFCs還需要生產(chǎn)的壓縮機(jī)和采用與其相容的輔助材料。空設(shè)備生產(chǎn)廠家中用HCHCCsHFCsHFCs對(duì)礦物泊的溶解能力極差［1］。對(duì)于HFCsGWP高系統(tǒng)循環(huán)效率來改進(jìn)，并提出制冷空調(diào)設(shè)備應(yīng)以變暖影響總當(dāng)量TEWI(TotalEquivalentWanningImpact）來全面地評(píng)價(jià)制冷工質(zhì)溫室效應(yīng)的指標(biāo)（33］l一1是文獻(xiàn)［1］給出的TEWI的計(jì)算式。TEWI=GWP×LXN+GWPXM×(1-a)+N×EX Cl-式 GWP一每千克制冷工質(zhì)相當(dāng)于多少千克C02(kgC02M一制冷裝置中工質(zhì)的充注 （kgG一制冷工質(zhì)回收的比例 （%〉；L一每年制冷工質(zhì)的泄漏量 （kg年）；N一制冷裝置運(yùn)行壽命（年）：E一制冷裝置年耗能（kWh年）：自一發(fā)電排放的C02的量（kgC02/kWh）TEWI不僅包括工質(zhì)本身的直接溫室效應(yīng)且還包括因裝置耗能而排放所產(chǎn)生的間接溫室效應(yīng)［IS］［］TEWI作為評(píng)定制冷工質(zhì)溫室效應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)比較全面僅反映了制冷工質(zhì)泄漏到大氣中去而造成的溫室效應(yīng)慮到制冷機(jī)使用了這些（GWP及泄漏等）的影響而且還受到一些其他因素的影響如制冷裝置的設(shè)計(jì)密封程度、使用期限消耗能源的產(chǎn)生途徑等等。空調(diào)到大氣中去少泄漏量只不過是延遲了排放時(shí)而且在許多設(shè)備中制冷工質(zhì)的密封仍是有待解決的問題。因此，以減少制冷劑用量、減少泄漏量和提高系統(tǒng)循環(huán)效率來改進(jìn)HFCs制冷裝置并不是減小HFCs溫室效應(yīng)的最終解決辦法）

氨C價(jià)格便宜性能易檢漏含水量余徑小壓力和冷凝壓力適中尤其是CFCs禁用后為制冷工質(zhì)的應(yīng)用范圍進(jìn)一步擴(kuò)大。但［4］）碳?xì)浠衔顲HCs目前作為制冷工質(zhì)使用的碳?xì)浠衔镏饕潜頒HC290）CHC600）CHC600a）等。所有常用的工程材料和潤滑油都能兼容且容易格低廉為碳?xì)浠衔镌谧匀唤缰幸巡粫?huì)改變自然界碳?xì)浠衔飳?duì)溫室效應(yīng)沒有HC用于充灌量較小的制冷設(shè)備［藏和冷凍冰箱。但碳?xì)浠衔镒鯟FC及HCFC的替代物的致命缺點(diǎn)是它們均定量的空氣混合會(huì)一些國家對(duì)于HCs的應(yīng)用仍持懷疑態(tài)度因此其應(yīng)用也受到）二氧化碳C二氧化碳作為制冷工質(zhì)的歷史可以追溯到100多年以前，但由于二氧化碳的界溫度1.1℃）環(huán)境溫度稍的循環(huán)效率和制冷能力迅速下降直至氟利昂類制冷速被其替代。作為一種已經(jīng)使用過應(yīng)用研究［12］。二氧化碳ODP二0,GWP=I，如果用于制二氧化碳是化工副產(chǎn)其實(shí)際溫室效應(yīng)也為零不燃與常用制冷設(shè)備材料和潤滑油都相容價(jià)格PAGEPAGE7低廉優(yōu)良的流動(dòng)和傳熱特性，與制冷循環(huán)和設(shè)備相適應(yīng)的熱物理性質(zhì)在自然工二氧化碳被認(rèn)為是最有可能適用于蒸發(fā)溫度為4010℃的各種［32]CCs和s才是解決環(huán)境問題唯正確的方式。前國際制冷學(xué)會(huì)tavornn提［］非自然工質(zhì)已經(jīng)起了意想不到嚴(yán)重的環(huán)境問題CC的性的影響而被禁用。用新的人工合成化合物代CCs的趨也可能會(huì)重蹈的自然制冷工質(zhì)［。二氧化碳作為制冷工質(zhì)的歷史及研19世紀(jì)80年代至20世紀(jì)30年代，二氧化碳作為制廣泛地應(yīng)用于制冷當(dāng)時(shí)最為常用的制冷工質(zhì)之一。作為制冷工質(zhì)最初是由人Twining1850年提出并獲英國專利ThaddeusSCLowe第一次成功的將二氧化碳應(yīng)用于商業(yè)制冷機(jī)1869年制造還設(shè)計(jì)了一種船用制冷凍肉此之前二氧化碳得到了一定程度的應(yīng)用，但是直1886年德國人FranzWindhausen成功設(shè)計(jì)了二氧化碳?jí)嚎s機(jī)以二氧化碳制冷工質(zhì)的使用才有了顯著的發(fā)他因此而獲得了英國1887年英國的J&EHall公司了這項(xiàng)專利經(jīng)過進(jìn)一步改進(jìn)后于1890年開始投入生在船上得到廣泛的取代了原先使用的空氣壓縮機(jī)。20世紀(jì)40在英國的船上己廣泛采用了二氧化碳?jí)嚎s機(jī)37%37%冷其余的20%則用氨制冷機(jī)。，19世紀(jì)90年代開始將二氧化碳應(yīng)用于制冷。1897年，KroescBros統(tǒng)中得到應(yīng)用；1925年干冰循環(huán)用于空氣調(diào)節(jié)，1927年在的空調(diào)系統(tǒng)中，公共設(shè)施的空調(diào)制冷系統(tǒng)中早期制冷技術(shù)水平比較差氧化碳較低的臨界溫度C31.l℃）高的臨界壓力C73.8b缸）較低的水或海水基本屬于亞臨界循環(huán)。當(dāng)水溫較高時(shí)（如熱帶海洋上行駛的輪船冷卻水的溫度可接近30℃），其制冷效率會(huì)更加下降1931 為代表的CFC制冷工質(zhì)一經(jīng)開發(fā)便以其無毒、不可燃不無刺激性、適中的壓力和較高的制冷效率，很快取代了二氧化碳的位置最后一艘使用二氧化碳制冷機(jī)的輪船在1950年停止了工作。如前述由于CFCHCFC對(duì)臭氧層和全球氣候變化的不利護(hù)環(huán)境實(shí)現(xiàn)CFCHCFC替代成為全世界共同關(guān)注的問題近年以二氧化的二氧化碳跨臨界循環(huán)在汽車空調(diào)、熱泵領(lǐng)域的應(yīng)用引起了廣泛關(guān)注IEASelectedWorkingFluidinCompressionSystems的三年計(jì)劃項(xiàng)目合作研究以二氧化碳為工質(zhì)在汽車空調(diào)、熱泵冰箱及其它領(lǐng)域的應(yīng)用挪威S劇TEF的Lorentzen和Petterson，對(duì)二氧化碳跨臨界制冷循環(huán)用于汽車空調(diào)和熱泵等領(lǐng)域進(jìn)行了廣泛的理論研究建立了專門的實(shí)驗(yàn)臺(tái)德國的Quack等對(duì)火車空調(diào)用跨臨界制冷循環(huán)系統(tǒng)作了理論分析Purdue大學(xué)Maryland大學(xué)Douglashe和Hwang等對(duì)有膨脹機(jī)的跨臨界制冷循環(huán)系統(tǒng)作了理論分析德國Essen大學(xué)S idt，分析了干燥系統(tǒng)應(yīng)用二氧化碳制冷循環(huán)的可行性。德Kruse、荷Oostendrop及Saikawa,考慮了二氧化碳跨臨界制冷循環(huán)在供熱系統(tǒng)中的應(yīng)用得出了在熱水供應(yīng)時(shí)二氧化碳跨臨界制冷循環(huán)系統(tǒng)性能高于傳統(tǒng)工質(zhì)朗肯循環(huán)的結(jié)論。、。、國內(nèi)交通大學(xué)也都開展了二氧化碳跨臨界循環(huán)的研究交通大學(xué)易初通用機(jī)器有限公司于2003年成功聯(lián)合研制了國內(nèi)第一套二氧化碳汽車空調(diào)系統(tǒng)樣機(jī)與實(shí)驗(yàn)臺(tái)歐盟己經(jīng)制定相關(guān)將于2011年全面使用以二氧化碳為工質(zhì)的汽車空調(diào)系統(tǒng)停止HFC134a為工質(zhì)的汽車空調(diào)系統(tǒng)。、。、節(jié)能和環(huán)保是21世紀(jì)科學(xué)技術(shù)發(fā)展的兩大人們廣泛應(yīng)用的制冷空調(diào)和熱泵系統(tǒng)，由于本身耗能和傳統(tǒng)制冷劑對(duì)環(huán)境的破壞的節(jié)能和制冷代成為制冷空調(diào)領(lǐng)域前沿課題開展工質(zhì)替代的研不僅是全球環(huán)境保護(hù)的需要，同時(shí)對(duì)我國制冷和空調(diào)行業(yè)來說也是機(jī)遇和力爭主動(dòng)開發(fā)我國擁有自主知識(shí)的產(chǎn)品和設(shè)備為保護(hù)生態(tài)環(huán)境做出貢獻(xiàn)。在各種能量消耗的最終物理形態(tài)中以熱消耗最大，且以小100℃的熱消耗PAGEPAGE9熱力學(xué)分析研究表明在小于100℃的熱消耗領(lǐng)域內(nèi)熱泵節(jié)能技術(shù)有很好的應(yīng)物減少二氧化碳的排放。熱泵技術(shù)的發(fā)展有利于合理利用自然資源有利于根據(jù)統(tǒng)計(jì)，1996機(jī)組中，電驅(qū)動(dòng)熱泵占90%，吸收式熱泵只占了10%熱泵的主要形式泵中CFCs和HCFCs工質(zhì)的替代工質(zhì)首選的為HFCsHFCs工質(zhì)也存在潛在的環(huán)境只是過渡性的替代物最終的替代物必然是與環(huán)境完全相容的自然工質(zhì)。R744特性進(jìn)行分析研究進(jìn)一步完善R744循環(huán)并對(duì)其應(yīng)用于熱泵型熱水機(jī)的可行性、經(jīng)濟(jì)性等進(jìn)行研究分析。(1）工質(zhì)替代問題的提出及替代的意義研究重點(diǎn)。史及研究現(xiàn)狀。(2）二氧化碳制冷工質(zhì)的綜合評(píng)價(jià)。從環(huán)境和安全性能和傳輸性、壓縮機(jī)效率等方面對(duì)二氧化碳制冷工質(zhì)做綜合的、較全面的評(píng)價(jià)對(duì)比二氧化碳和其它幾種常用工質(zhì)的熱工特性。(3）二氧化碳跨臨界循環(huán)參數(shù)分析在空調(diào)制冷工況下模擬二氧化碳跨臨界(4）對(duì)二氧化碳工質(zhì)應(yīng)用于熱泵熱水機(jī)建立模型進(jìn)行研究對(duì)應(yīng)用的可行性(5）二氧化碳氧化碳跨臨界循環(huán)系統(tǒng)能源利用情況進(jìn)行評(píng)價(jià)。2章毒性等等一些因素。良好的熱力學(xué)物性。（101.325kPa下的飽和溫度）封的要求； （蒸發(fā)溫度與冷凝溫度）時(shí)氣化潛熱要大以便使單位工質(zhì)有較大的制冷能力：制冷工T→S圖上的飽和蒸氣、飽和液線都要化潛熱的范圍內(nèi)：環(huán)保與安全性能良好。良好的的電氣絕緣性。價(jià)格便宜，7）容易獲得。環(huán)境和安全性GWP眾所周知，CFCsHCFCs被禁用的原因就在于它的GWPODP太大。根據(jù)2一l碳的ODPOGWP1CFC12HCFC22的GWP和ODP都遠(yuǎn)大于二氧化碳：雖HFC134a的ODP=O但是它的GWP仍然較大，HFC134a的GWP以100年和20年為標(biāo)準(zhǔn)分別是二氧化碳的｝200倍和1200倍。C02是與環(huán)境最為友善的工質(zhì)二氧化碳與CFCs和HCFCs及HFCs相比具有優(yōu)勢。裂時(shí)會(huì)引起安全問題。實(shí)際上由于二氧化碳的單位容積制冷量比→般制冷工質(zhì)大得如表2一1所P與制冷容器和管路V能（能系統(tǒng)發(fā)生或破裂時(shí)制冷劑膨脹所釋放的能量它代表了發(fā)生破裂時(shí)可能造成的破壞程度）所以二氧化碳的危害性在技術(shù)上是不難克服的。 個(gè)典型的二氧化滅火器釋放的能量多而且制冷系統(tǒng)在保護(hù)系統(tǒng)的與保護(hù)下機(jī)械系統(tǒng)的視，有關(guān)政策也必然會(huì)傾向于環(huán)境性能優(yōu)越的制冷工質(zhì)。表2- 幾種制冷工質(zhì)主要性能指標(biāo)比 摩爾質(zhì)量（臭氧層消耗指數(shù)COOP℃MPa℃k:J/m3--是”-是--3-是31.--否 ℃時(shí)的蒸發(fā)焰除以飽和蒸熱物理性質(zhì)和傳輸性熱力學(xué)性質(zhì)與循環(huán)性能的關(guān)臨界點(diǎn)和飽和液體比熱容是工質(zhì)熱力學(xué)性質(zhì)中與循環(huán)性能關(guān)系最密切的兩個(gè)參數(shù)過熱蒸氣及節(jié)流的不可逆性要大［4］TsCOP就相對(duì)較低。圖2-1示出了幾種制冷工質(zhì)溫一精曲線圖［4］該圖可以定性地評(píng)價(jià)熱力學(xué)性質(zhì)對(duì)COP的影響。圖中（如飽和液體為0，飽和氣體為1）在同樣的蒸發(fā)和冷凝溫度下，二氧化碳運(yùn)行溫度偏離臨界溫度的程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于常規(guī)制冷工實(shí)際上31.1℃COP比較低（本文的基本循環(huán)是指沒有過冷器內(nèi)部熱交換器（回?zé)崞鳎┖团蛎浌厥昭b置的熱力循環(huán)）。定的缺陷但是注意的是，根據(jù)熱力學(xué)第二定律理論性能系數(shù)只與所實(shí)現(xiàn)的熱力過程有關(guān)工作介質(zhì)的熱力性質(zhì)要兩個(gè)熱源的溫度確定以后，理想循環(huán)的COP就確因此COP并不是工質(zhì)的內(nèi)在屬性。己故前國際制冷學(xué)會(huì)G?Lorentzen曾在文章［34］中提到一昧的尋找新的化合物來做替代制冷工質(zhì)，讓它迎合某一特定的循環(huán)是錯(cuò)誤的工質(zhì)的高效的循環(huán)過程。“為化學(xué)的一個(gè)分支學(xué)科

可以提高系統(tǒng)的性能系數(shù) μ

0. 0. 0.

0.

1.回2-1幾種制冷工質(zhì)溫一(s西安西安的流動(dòng)損失等等不可逆損失。顯然用理論循環(huán)COP作為唯一的指標(biāo)來衡量二種工質(zhì)效率的高低并不全面。事實(shí)上基本理論循環(huán)COP越低的工質(zhì)循環(huán)改進(jìn)的余地也越大二氧化碳和各種工質(zhì)循環(huán)COP的差距完全可以通過循環(huán)的改進(jìn)（ 流機(jī)構(gòu)等等）來縮小。-+-

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拌崇 。

t（圖2- （2-2件的設(shè)計(jì)帶來一些新的要求。本文中所有制冷工質(zhì)的熱物理參數(shù)都是采用CoolPack中的Re仿igerationUtilities單元各制冷工質(zhì)的物性參數(shù)。如果說熱力學(xué)性質(zhì)決定了基本理論循環(huán)COP接關(guān)系到實(shí)際系統(tǒng)的COPCOP的程度。這對(duì)2-2示出了幾種工質(zhì)的熱物理性質(zhì)比較。從表中可以看出二氧HFC134aCFC12和HCFC22失和節(jié)流后制冷劑在蒸發(fā)器各管道中的平均分配也是十分有利的表2- 。。。。(kglm3(位J/(kg.(kJ/(kg.(μPa.(μPa.(W/(m(μPa.(W/(m(μPa.統(tǒng)的統(tǒng)的COP。一般規(guī)定制冷工質(zhì)通過蒸發(fā)器的壓力損失不應(yīng)該超過與蒸發(fā)溫度變動(dòng) 應(yīng)的壓力變化而不同的工質(zhì)的飽和溫度曲線的斜率是不同的因此對(duì)于不同工質(zhì)，蒸發(fā)器允許的壓降是有所不同的。從圖2-2的斜率大于其它幾種工質(zhì)說明西西安此氣體冷卻器內(nèi)允許有較大的壓降。壓縮機(jī)理論上工質(zhì)的摩爾量 （分子量） 越小蒸氣定壓比熱容越大循環(huán)壓縮比越小對(duì)提高壓縮機(jī)效率（容積效率和等劇效率〉越有利從表2-1和表2-2中的有關(guān)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，二氧化碳的分子量CFC12HCFC22和HFC134a小得多飽和蒸氣比熱容卻比其它三種制冷工質(zhì)大，而且壓縮比CFC12HCFC22和HFC134a小因?yàn)槎趸嫉慕^熱指數(shù)K值高壓比小可減小壓縮機(jī)余隙容積的再膨脹損失使壓縮機(jī)的容積效率較高因此二氧化碳?jí)嚎s機(jī)效率理論上比其它幾種制冷工質(zhì)的壓縮機(jī)效率要高。全球都在積極開發(fā)二氧化碳?jí)嚎s機(jī)1989年至1997年，挪威科技大學(xué)制冷空調(diào)系（N1NU）氧化碳?jí)嚎s機(jī)油相等娟效率等進(jìn)行了全面綜合的測試研究了用于汽車空調(diào)和熱泵的全封閉往復(fù)式壓縮機(jī)，以及用于熱泵熱水機(jī)的開式往復(fù)式壓縮機(jī)他們的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表二氧化碳?jí)嚎s機(jī)能夠取得比較理想的等娟效率并在余隙容積損失吸氣損失等方面具有尤其是在高轉(zhuǎn)速低壓縮比的情經(jīng)過實(shí)驗(yàn)和理論研JurgenSUBHorstKruse認(rèn)為往復(fù)式壓是柱塞和軸塞式壓縮機(jī)憑借油潤滑，在氣缸壁和活塞之間存在良好的油膜滑動(dòng)密封，成為二氧化碳系統(tǒng)的首選［10](26］通過研究壓縮機(jī)內(nèi)部的各種壓力損失氣體和氣缸壁的傳熱、以及氣缸泄漏對(duì)二氧化碳?jí)嚎s機(jī)性能的影敏：一般情況下，壓縮機(jī)的指示效率和吸排氣閥門損失有很大但是由于氧化碳?jí)嚎s機(jī)的吸排氣壓力差以只要設(shè)計(jì)適合機(jī)內(nèi)克服流動(dòng)阻力的壓降基本上可以忽略不計(jì)此吸排氣閥門對(duì)于指示效率的影響較小排氣壓力有比較大的影響是通過合理的設(shè)計(jì)可以降低到允許的范圍之內(nèi)氣體和氣缸壁的傳熱對(duì)于壓縮機(jī)的性能影響可以忽略。二氧化碳?jí)嚎s機(jī)具有很好的等統(tǒng)在未來的應(yīng)用不會(huì)存在任何。其它因來源和作為制冷劑使用的二氧化碳主要有兩個(gè)來源天然二氧化碳資源和工業(yè)副產(chǎn)1983、7Mpa98%52.2平方261.48x108m3提純等處理后都可以作為制冷或熱泵工質(zhì)。、二氧從表2-1可以比其CFC12和HCFC22的10%HFC134a的2.53.5%,在價(jià)格上二氧化碳有明顯的優(yōu)勢。穩(wěn)定性和相容性［相容油礦物油HFCs本章小大的不足之處在于基本理論循環(huán)COP3章二氧化碳的臨界溫度接近環(huán)境溫度根據(jù)循環(huán)的外部條件可以實(shí)現(xiàn)三亞臨界界循環(huán)超臨界循環(huán)臨界循環(huán)與普通的蒸氣壓縮式制冷循環(huán)完全一樣臨界循環(huán)與普通的蒸壓縮式制冷循環(huán)完全不同的循環(huán)都在臨界點(diǎn)究的跨臨界循環(huán)則是蒸發(fā)過程在臨界點(diǎn)以下卻過程在臨界點(diǎn)下文將做詳細(xì)基本原二氧化碳跨臨界基本循環(huán)系統(tǒng)由壓縮機(jī)、氣體冷卻器節(jié)流閥器組成，循環(huán)系統(tǒng)如圖3-1循環(huán)原理與一般的蒸氣壓縮式制冷循環(huán)略3-2為循環(huán)p-h圖及T-s示意圖。1-2為壓縮過程壓縮機(jī)的吸氣壓力低于臨界二氧化碳在壓縮機(jī)中壓力2-3為冷卻過換熱過程依靠二氧化碳的顯熱來完成，工的冷卻過程與在（雪氣或水等〉所冷卻，降溫放出熱量：-4為節(jié)流過程節(jié)流閱節(jié)流減壓化碳從超臨界壓力降到臨界壓力以下的蒸發(fā)壓力1在亞臨界狀態(tài)下利用二氧化碳的蒸發(fā)潛熱在蒸發(fā)器內(nèi)氣化吸熱。3節(jié)3節(jié)流間壓縮機(jī)4圖3-1 22234' ，圖3- 2-3冷卻過程二氧化碳處于超臨界區(qū)無飽和狀態(tài)，二氧化碳始終處于氣，整個(gè)過程二氧化碳的溫度不斷變化有較大的溫度滑移。因此，高壓端換熱器也不再稱為冷凝器CCondenser）而叫氣體冷卻器（GasCooler）在氣體冷卻器內(nèi)采用冷卻介質(zhì)與二氧化碳工質(zhì)逆流的換熱方式 損失小，壓縮機(jī)耗功少。二氧化碳跨臨界循環(huán)在空調(diào)制冷工況下，對(duì)二氧化碳跨臨界循環(huán)進(jìn)行了循環(huán)模擬工況采ARI520-90悶，蒸發(fā)te=7.2，冷卻器出T4=54.4°C，過熱Tsup=l℃，壓縮機(jī)定娟效率Tls0軟件采用制冷計(jì)算套件coolpack(version1.46）3-3示出了CoolPack3-3a所示界面為二氧化碳跨臨界循環(huán)p-h圖。1點(diǎn)為壓縮機(jī)狀態(tài)點(diǎn)，2為壓縮機(jī)出口狀態(tài)點(diǎn)3為高壓側(cè)工質(zhì)進(jìn)氣體冷卻器狀4為高壓側(cè)工質(zhì)進(jìn)入回?zé)崞鬟M(jìn)口狀態(tài)點(diǎn)，5為高壓側(cè)工質(zhì)進(jìn)入節(jié)流閥的狀態(tài)點(diǎn)，6為節(jié)流后的低壓工質(zhì)進(jìn)入蒸發(fā)器時(shí)狀態(tài)點(diǎn)，7為低壓側(cè)工質(zhì)進(jìn)回?zé)崞鳡顟B(tài)點(diǎn)8為低壓側(cè)工質(zhì)出回?zé)崞鳡顟B(tài)點(diǎn)。CoolPackII VSJS:TRANSCRITICALONE-STAGEF F ιoadl苗Saveιoad

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f:i,l<;p）＜；＞陰陽何趴（！pSCj)OlMS J.cxe,..

P?ints T2,is:T2,is:·10!i6T2,1苦惱thetempetatilreofthedischargeg-aassllmlng_reverslbleandadl11ballccoj'Tlpress)on’Z-RefeC＆劍ateforttmlpyIsokJ1kuilt29815Kdp101325 圖3-3coolpack基本計(jì)算式為：單位質(zhì)量制冷量 qo=h1-(3-]單位質(zhì)量壓縮功 wo=單位容積制冷量 qy=qo/y(3-性能系數(shù) COP=qolwo=(h1-ht)(3-其中h為各狀態(tài)點(diǎn)的焰值，單位 kg二氧化碳跨臨界制冷循環(huán)最優(yōu)高壓側(cè)壓力 題二氧化碳跨臨界循環(huán)的冷卻過程始終在二氧化碳的超臨界區(qū)內(nèi)而在超臨界區(qū)溫度與壓力是獨(dú)立的兩個(gè)狀態(tài)參數(shù)［1］它們同時(shí)決定著流體的始值這從圖 3-2b中S型等溫線的分布可以明顯看出來。二氧化碳跨臨界氣體冷卻器出口溫但二氧化碳的傳熱性能優(yōu)良，因此當(dāng)冷體冷卻器出口度基本恒定，略高于冷卻介質(zhì)溫度那么氣體冷卻器壓力對(duì)系統(tǒng)性能的影響成為一個(gè)主要因素。對(duì)氣體冷卻器來是否存在一個(gè)壓力值使循環(huán)的性能達(dá)到最優(yōu)呢3-4a、b示出了二氧化碳跨臨界基本循環(huán)的qo、COP隨壓力變化3-1和3-2分別是3-4a）b）的計(jì)算值。表3 PT4=30T4=3589表3- R744qo隨氣體冷卻器出口溫度變化分析，單位PT4=30T4=40895//43 。 。

1-.- P

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3-4由圖3-4可以看出當(dāng)冷卻器出口溫度低于二氧化碳的臨界溫度（31.1℃）時(shí)，COP隨氣體冷卻器出口溫度變化基本呈線性，無拐點(diǎn)，例如，冷卻器出口溫度T4=30℃時(shí)即如此。而當(dāng)其高于臨界溫度時(shí)則出現(xiàn)了拐點(diǎn)，說明COP在某一特定的壓力之下有最大值，即當(dāng)氣體冷卻器出口溫度一定時(shí)存在一個(gè)最優(yōu)壓力，使得系統(tǒng)的循環(huán)性能達(dá)到最優(yōu)。稱該壓力為最優(yōu)高壓側(cè)壓力 Popto壓力增加而上升的幅度有所減小3-2b）可以看出當(dāng)高壓側(cè)壓力升高時(shí)環(huán)由1-2-3-4一1變?yōu)?-2’ 條直線所以壓縮功隨高壓壓力的增加幾乎按直線上升因此當(dāng)蒸發(fā)溫度te和氣體冷卻器出口溫度T4保持不變時(shí)，隨著高壓壓力的變化，COP必然存在最大值。3-5示出了在不同蒸發(fā)溫度下Popt隨冷卻器出口溫度T4的變化情3是其計(jì)算值。表 R744最優(yōu)壓力P(MPa）隨蒸發(fā)溫度te變te=-I)ι8

-

企te=-T4圖3-5最優(yōu)高壓倒壓力隨冷卻溫度變化由圖3-5可以看冷卻器出口溫度升高Popt也趨當(dāng)蒸發(fā)溫度升高時(shí)，Popt趨于Popt隨蒸發(fā)溫度變化不顯著冷卻器出口溫度的變化十分基本呈線性關(guān)系。Popt可以用微分的方法求得根據(jù)制冷系數(shù)定義式 ＿＿.：.！.，當(dāng)氣體冷器h2-口溫度T4和蒸發(fā)溫度te不變，則當(dāng)一

0E求得的Pg便為最優(yōu)高即最優(yōu)高壓側(cè)壓力由下式確定一P＝I（-I一P＝I

(3-文獻(xiàn)［18］給出了二氧化碳?xì)怏w冷卻器最優(yōu)高壓側(cè)壓力的擬合式Popt二（2.7529-0.01360te)T4+(0.3109te一8. 表 Popt擬合式結(jié)果（MPate=7.2te=-10本文模擬值與上式擬合值對(duì)比誤差在33-6所示。0.0.．

”te

-0.一0.-0.

。· 。·

←te=7.企te=-固3- 本文模擬值與實(shí)驗(yàn)擬合值誤二氧化碳跨臨界循環(huán)節(jié)流前的高壓工質(zhì)不是冷凝液體環(huán)境溫度對(duì)系統(tǒng)性能的處于Popt附近，對(duì)于提高循環(huán)效率有其重要的意義調(diào)節(jié)高壓側(cè)壓力使其處于Popt過調(diào)節(jié)節(jié)流閥的開度，改變瞬時(shí)工質(zhì)的流量來實(shí)現(xiàn)［2］到調(diào)節(jié)高壓側(cè)壓力的目的。TeT43一7示出了二氧化碳跨臨界循環(huán)過程Te和T4對(duì)循環(huán)變化曲線所有的模擬都是在系統(tǒng)處于最優(yōu)高壓側(cè)壓力的條件下進(jìn)行的3$至表3一幅分別是圖3-7的計(jì)算值。表 R744達(dá)最優(yōu)壓力時(shí)壓縮機(jī)排氣溫度隨蒸發(fā)溫度也變化，單位為飛tc=7.2烏1o,,,μ+-'

--+-←te=7. te=-

回3- a 壓縮機(jī)排氣溫度t隨T.s變表3-- R744達(dá)最優(yōu)壓力時(shí)qv隨蒸發(fā)溫度fe變化，單位te=O飛飛』>

T4

-+- te=7.也te=-圖3一7 qy隨T4變3一尊R744達(dá)最優(yōu)壓力時(shí)COP隨蒸發(fā)溫度也變化斗3.斗3

2.1.

te=O te=7.te一0.

回3- 最大COP隨T4變表 R744達(dá)最優(yōu)壓力時(shí)壓縮機(jī)壓縮比隨蒸發(fā)溫度也變te=Ot,,=7.2te=-106 t薩 tfF7. te=-32 飛圖3-7d 壓縮機(jī)壓縮比隨T4變表3- R744達(dá)最優(yōu)壓力時(shí)qo隨蒸發(fā)溫度也變化單位為Ote=-102

T4

-+-._te=7.企一te=-圖3- 表3R744達(dá)最優(yōu)壓力時(shí)Wo隨蒸發(fā)溫度也變化，Te=-l38.

-+-'.2?

←te=7. ←te=7.t4圖3-70單位質(zhì)量壓縮功Wo隨L

企由圖3-7可以得出以下結(jié)論：(1 當(dāng)蒸發(fā)溫度te一定縮機(jī)排氣溫度隨冷卻器出T4的升高而升而當(dāng)T4一定縮機(jī)排氣溫度隨蒸發(fā)溫度的升高而減小。2 當(dāng)te循環(huán)單位容積制冷量qv隨冷卻器出口溫度升高而T4一定時(shí)，qv隨te升高而增大。teCOPT4的升高T4一定時(shí)，COP升高而增大。當(dāng)te比隨T4升高而增大T4一定縮比隨te升高5 當(dāng)te單位質(zhì)量制qo隨T4升高而降T4一定時(shí)，qote升高而降低。6 當(dāng)te量壓縮機(jī)耗功Wo隨T4升高而T4一定時(shí)，Wote升高而降低。從圖37可以再次發(fā)現(xiàn)T4COP的影響隨著T4的增加，COP下降的很快二氧化碳跨臨界循環(huán)的這個(gè)特點(diǎn)非常重要因?yàn)樗烁纳啤⑻岣逤OP的一個(gè)方向t在滿足實(shí)際需要的情況可能降低氣體冷卻器出口T4這也冷卻介質(zhì)溫度定的情體冷卻器的出口溫度與冷卻介質(zhì)的溫差應(yīng)盡可能小。此外，由圖3-7還可以看到卻器出口溫度不太高，蒸發(fā)溫度不太低件下，二氧化碳跨臨界的循環(huán)性能系數(shù)可達(dá)到3.0COP提高的潛力。循環(huán)的單位容積制冷量qv可以減小壓縮機(jī)的雖然排氣溫度但壓縮比不大因而壓縮機(jī)本身不用冷卻。

二氧化碳跨臨界循環(huán)方式［二氧化碳跨臨界的基本循環(huán)性能不高其它工質(zhì)循環(huán)性能相比沒有特別的競，以提高循環(huán)二氧化碳跨臨界基本循環(huán)在普通工況下蒸發(fā)器干度可達(dá)%[嚴(yán)重影響溫流體和來自蒸發(fā)器的低溫蒸氣進(jìn)行內(nèi)部熱交換過熱。cBDAA一壓縮機(jī)B一氣體冷卻器C一內(nèi)部換熱器D一節(jié)流閥E一蒸發(fā)器F為了防止壓縮機(jī)液擊和方便回油并且便于系統(tǒng)對(duì)高壓側(cè)壓力的控制系統(tǒng)在（Receiver）［2］圖3-8是挪威技術(shù)大學(xué)G'Lorentzen教授等二氧化碳跨臨界循環(huán)系統(tǒng)圖。跨臨界系統(tǒng)由壓縮機(jī)A氣體冷卻器B、內(nèi)部熱交換器C節(jié)流閥D、蒸發(fā)器E與儲(chǔ)液器F組成封閉回路氣體工質(zhì)在壓縮機(jī)中升壓至超臨界壓力然后進(jìn)入氣體冷卻器中被冷卻介質(zhì)所冷卻為了提高系統(tǒng)的性能系數(shù) 西安西安發(fā)器E內(nèi)汽化，吸收周圍介質(zhì)的熱量。此外，由于二氧化碳跨臨界循環(huán)壓縮比較小 （占?jí)嚎s功的 25%）可以應(yīng)用膨脹機(jī)代替節(jié)流閥來提高系統(tǒng)效率（25］。這樣不僅可回收相當(dāng) 較大，為防止壓縮機(jī)實(shí)際壓縮過程偏離等娟過程太遠(yuǎn) 、排氣溫度過高，還可以采用雙級(jí)壓縮來提高壓縮機(jī)的效率。 本章小COP高壓側(cè)壓力可用微分的方法求得。采級(jí)壓縮等方式來完善。貯液器在循環(huán)中起到了重要的作用。4章二氧化碳跨臨界熱僅40100的熱效率，、況且現(xiàn)有的熱水機(jī)實(shí)質(zhì)上都是一種能量轉(zhuǎn)換裝置它能把電能的化學(xué)能或能轉(zhuǎn)換為熱能其系統(tǒng)“效率”不可能達(dá)到100%例如燃?xì)鉄崴畽C(jī)因?yàn)橛懈摺⒅g［39］

，實(shí)際的制熱系數(shù)僅 （）從而達(dá)到節(jié)約部分高品位能源（）學(xué)家就提出了熱泵的工作原理，為人類使用低溫?zé)嵩戳朔较颍壳盁岜眉夹g(shù)在、、、熱泵的熱源可以是空氣地表水水、土壤以及生活和生產(chǎn)中的廢熱忱口建筑物內(nèi)部的排熱、工廠生產(chǎn)過程中的廢熱污水鐵道變電所泵提升熱位向生活和生產(chǎn)過程提供有用的熱量。、、、作為熱泵的熱源應(yīng)滿足如下一些要求：Cl) 熱系數(shù)2) 盡量少。(3) （。4) 泵的驅(qū)動(dòng)運(yùn)行是需要能量的這種能源多來自經(jīng)燃燒產(chǎn)。，生熱量轉(zhuǎn)化為電力，由電力驅(qū)動(dòng)熱泵此 亦可經(jīng)發(fā)動(dòng) （燃?xì)猓娔堋⒁后w化、氣體雖然都是熱源但其價(jià)值有異，電能是由其它初不一樣的。二氧化碳跨臨界熱泵型熱水機(jī)特點(diǎn)［II碳是→種對(duì)環(huán)境無害的環(huán)保工質(zhì)二氧化碳熱泵熱水機(jī)從能效和環(huán)保兩方面都具有很強(qiáng)的優(yōu)勢f常用工質(zhì)R22和Rl34a）的熱水溫度一般只能達(dá)到55對(duì)于亞臨界狀態(tài)循環(huán)若要求較高的水溫 ，則冷凝溫度趨近該工的臨界溫度，使得熱系數(shù)下降 當(dāng)要求較高溫度的熱水時(shí) ，只能借助效率較低的電加熱二氧化碳熱泵熱水機(jī)由于其跨臨界循環(huán)的特征 ，在氣體冷卻器中換熱時(shí)具有較小的溫，因此換熱效率較，并能獲得常規(guī)工質(zhì)的熱泵熱水機(jī)所不能達(dá)到的90 熱水，即使在冬季室溫度較低的環(huán)境下也能正常運(yùn)行 二氧碳跨臨界循環(huán)熱泵最大的特點(diǎn)就是放熱過程中具有很大的溫度滑移 能夠?qū)崿F(xiàn)和熱媒之間的良好的溫度匹配 這也是二氧化碳跨臨界循環(huán)熱泵最吸引人的地方。3T4有很大關(guān)系而熱泵熱水機(jī)的進(jìn)水一般為自來水，自來水的溫度各地有較大差6一20T4下運(yùn)行，有較好的制熱系數(shù)COPh二氧化碳跨臨界熱泵型熱水機(jī)主要有以下特點(diǎn)： 靠它是使用電力但并不利用電力加熱的熱水裝置。因?yàn)椴皇褂秒娏訜幔娏骱蜕钣盟耆踩禂?shù)進(jìn)一步提高。因此它沒有電熱水機(jī)燃?xì)鉄崴畽C(jī)使用中所存在的易觸電易燃易爆易等安全問題是較為安全可靠的熱水供給設(shè)備。浴也不用擔(dān)心健康方面的問題而且熱泵使用二氧化碳為工質(zhì)是自然工質(zhì)，對(duì)環(huán)境無污染。惡劣天氣的影響，一天二十四小時(shí)能全天候使用填補(bǔ)了一般能熱水機(jī)受天氣、廚房、儲(chǔ)藏問室等地方不須專人看管不須設(shè)置機(jī)房。、應(yīng)用家庭洗衣所有上述都說 ，二氧化碳跨臨界循環(huán)熱泵熱水機(jī)完全可與傳統(tǒng)的制冷工質(zhì)（R22）及其現(xiàn)有的替代物（R134a、R410A等）競爭。．I

水浴’ T’圖4-1二氧化碳熱泵型熱水機(jī)流圖4l示出了二氧化碳熱泵型熱水機(jī)的流程圖圖中未示出內(nèi)部熱交液器及電氣控制元件。二氧化碳跨臨界熱泵型熱水機(jī)理論分 熱泵將低溫?zé)嵩吹臒崃科肺惶岣撸枰囊欢ǖ母咂肺荒芰繜岜玫臒崃?jīng)濟(jì)性是一項(xiàng)重要的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)數(shù)COPhhCOPh熱量）與代價(jià)（）的比值。對(duì)于壓縮式熱泵性能系數(shù)COPh可以用制熱系數(shù)EhEh

(4-其中Qh為氣體冷卻器放出的熱量，P為輸入功率。根據(jù)熱力學(xué)第一如不計(jì)壓縮機(jī)向環(huán)境的散熱，則熱泵制熱量Qh等于從低（）Qc與輸入功率PQc與P的比值為制冷系數(shù)EEh也可表示為e-P+Qc_, (4-2h1-當(dāng)室內(nèi)所需制熱的溫度一定時(shí)由于以室外空氣為熱源的熱泵的制熱系數(shù)不僅與熱泵本身設(shè)計(jì)和制造的精良程度有關(guān)還與運(yùn)行時(shí)室外空氣溫度有關(guān)外空氣溫度又是隨地區(qū)及季節(jié)而異因此價(jià)空氣源熱泵用于某一地區(qū)在整個(gè)采暖季節(jié)運(yùn)行時(shí)的熱力經(jīng)還提出了制熱季節(jié)性能HSPE(HeatingSeasonalPerformanceFactor） 本文的理論計(jì)算都是以熱泵的制熱系數(shù)Eh的COPh都是指制熱系數(shù)Eh。二氧化碳熱泵型熱水機(jī)研究的假設(shè)：（1）換熱器（器、蒸發(fā)器）中換熱時(shí)沒有外部損失和壓力降，并且忽略管路連接中的熱損失和壓(2）flO.75;(3）（4T4入水溫度之間的溫差為5℃；（5） 高壓側(cè)壓力如果沒有特別說明，都是相應(yīng)工況下的最優(yōu)；（6）蒸發(fā)溫度Te=O℃，進(jìn)口水溫T,n=8℃，出口水溫Tou6Q°C。本文計(jì)算采用coolpack面如圖4-2TE為蒸發(fā)ATsH為過熱度，APsL為吸氣管線過熱采取默認(rèn)值11is為壓縮機(jī)等情效率的制熱系數(shù)等于計(jì)算出的COP加lo本文計(jì)算中一個(gè)參數(shù)變化時(shí)它參數(shù)則固定。如計(jì)算蒸發(fā)溫度對(duì)制熱系數(shù)的則保持高壓側(cè)壓力、氣體冷卻器出口溫度、過熱度等參數(shù)固定結(jié)果如表4l和表4-2所示。圖4-3a）和圖4-3b）是根據(jù)表4-1和表4-2繪出的二氧化碳熱泵型熱水機(jī)的制熱系數(shù)隨蒸發(fā)溫度和冷水進(jìn)口水溫度變化曲線。圖4-4是文獻(xiàn)［發(fā)溫度為0℃。 l'.il?l:.1litSurcholcul Itindou

tTIP1easuro[MP）Quti;tteriip叫“山）['CJ』13.632 m:00422[kgilil .'11生隊(duì)750[- w:3S03!1i 3 吼12(W) 固4- CoolPaek計(jì)算界4-1蒸發(fā)溫度對(duì)制熱系蒸發(fā)溫度烏（℃

-

- 制熱系數(shù)

5884.43.32.一

-te

。圖4-3a 表4- 進(jìn)水溫度 1

1

J〉4.4.4.43.8

進(jìn)水溫度（圖4-

6u 2 熱水溫度圖4- 從圖4-2和4-3可以看到，當(dāng)蒸發(fā)溫冷水進(jìn)水溫度不太高的情況下，二氧化碳跨臨界熱泵型熱水機(jī)的制熱系數(shù)基本保持很高的水平。即使當(dāng)室外條件比較惡劣蒸發(fā)溫度達(dá)到20℃系數(shù)3使二氧化碳熱泵型熱水機(jī)在我國寒冷地區(qū)的應(yīng)用成為可能制熱系數(shù)隨蒸發(fā)溫度升高而增大，實(shí)際工程中應(yīng)盡量提高蒸發(fā)溫度。制熱系數(shù)隨出口熱水溫度升高而降低當(dāng)二氧化碳熱泵熱水機(jī)生產(chǎn)達(dá)到90℃熱水時(shí)可正常運(yùn)行但效率會(huì)降低我國冷水計(jì)算溫度一般在6-20℃，在此溫度范圍內(nèi)二氧化碳熱泵型熱水機(jī)的制熱系數(shù)也保持在3.9-4.5左右圖4-4的實(shí)驗(yàn)值（29]說明了當(dāng)熱水出口溫度在60-80℃之間時(shí)，熱泵熱水機(jī)的制熱系數(shù)都在3. 0以上。但是當(dāng)熱水出口溫度由60℃升高到80℃時(shí)制熱系數(shù)將從4.3降低到3.6。理論計(jì)算和文獻(xiàn)（29］度為0℃，冷水進(jìn)口8℃出口溫度在60℃理論計(jì)算所得制熱系數(shù)為4.3，而實(shí)驗(yàn)值為4.4左右這是因?yàn)槔碚撚?jì)算中忽略了換熱器中換熱時(shí)的外部損失和壓力降，并且忽略了管路連接中的熱損失和壓力降。在低溫C35℃45℃〉的熱能方面，以消耗電能或的化學(xué)能這種直接轉(zhuǎn)化為熱能的傳統(tǒng)方式己經(jīng)開始逐步讓位給熱泵制熱方式統(tǒng)的熱效率可以輕易地超出傳統(tǒng)方式數(shù)倍以上。幾種加熱方式經(jīng)濟(jì)性工質(zhì)的熱泵、電加熱等幾種熱水機(jī)的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了比較二氧化碳跨臨界熱泵熱水機(jī)沒有在市場批量以參考了其它熱泵熱水機(jī)組的市場價(jià)格考慮到二氧化碳跨臨界熱泵熱水機(jī)比較二氧化碳工質(zhì)價(jià)格低廉所以在其它熱泵熱水機(jī)組的市場價(jià)格基礎(chǔ)上10%來計(jì)算。計(jì)算條件西安地區(qū)某賓館36個(gè)客房108個(gè)客房21624小時(shí)供應(yīng)每天消耗25.92噸熱水量按每床每日120L與前面的分析計(jì)算保持一致將全年平均冷水進(jìn)水溫度設(shè)定為8°C行費(fèi)用參考表｛43)4--J數(shù)據(jù)。耗熱量計(jì)算公式［LQh=Khmq,C(t,-tL (4-L 其 Qh一設(shè)計(jì)小時(shí)耗熱量（W)m一用水計(jì)算單本文采用床位數(shù)；Qr一熱水用水，［L/（人.d)］或［L/（床.d)]C一水的比熱容，c tr一熱水溫度計(jì)算中取為 tL一冷水計(jì)算溫 pr一熱水密度［kg/lKh5.6L1.5元100.917元100MJ/單位熱值價(jià)（元島年基本耗1.5元100.917元100MJ/單位熱值價(jià)（元島從表44可以看到二氧化碳熱泵熱水機(jī)的運(yùn)行費(fèi)用大大低于電熱水機(jī)燃油和燃?xì)鉄崴O(shè)備的初投資要高于這三種加熱方式然二氧化碳熱泵供熱水的初投資比行費(fèi)用與另外幾種加熱方式相比，降低的比率很大，約是氣的%7%%年運(yùn)行后6.0.61.6。西西安表4- 給水溫度（8888出水溫度（℃3年實(shí)際耗能CI.54x年燃燒費(fèi)用（萬元1無無年運(yùn)行費(fèi)用（萬元設(shè)備價(jià)格＊（萬元1年總投資（萬元10年總投資（串設(shè)備選用三臺(tái)日IO噸熱水鍋［24）IO噸熱水熱泵，隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高生活用水已成為普通的基據(jù)了解市大專院校已100%使用空氣源熱泵熱泵熱水機(jī)組由于在各方面的優(yōu)，爐成為供熱水的主導(dǎo)方式。本章小1年后，將比燃?xì)饧訜峁?jié)約568405.62115.6＇ ..一屆JI,z異盹陸國fL呵＇ .. u' 4u ..,.???r ＆陽斗目仲M(fèi)A'"I1CO】?/\/IJJJ5章節(jié)約能源現(xiàn)在是、將來也還會(huì)是經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域的一個(gè)關(guān)鍵目標(biāo)長期以來人們習(xí) ，在分析能量轉(zhuǎn)換過程只考慮能量的守恒性 不注意能量質(zhì)的差異性在熱力學(xué)參數(shù)中，常用的“內(nèi)能”和“始” 都具有能的意義和量綱，其數(shù)量反映能的“量”，但均能的“質(zhì)”。熱力學(xué)參數(shù)“煙”是由熱力學(xué)第二定律導(dǎo)出的并與能量的 “質(zhì)” 有密切關(guān)系。能量的浪費(fèi)使有限能源所提供的可用功部分地?fù)p失了［坷許多科學(xué)家現(xiàn)在都認(rèn)識(shí)到的部位。為考查制冷系統(tǒng)的用能水平能量利用率的途徑行能量分析析方法有兩種，一種是能量分析法。是在熱力學(xué)第一定律基礎(chǔ)上的能量數(shù)量分析法分析揭示能量在數(shù)量上轉(zhuǎn)換和利用的情況，從而確定系統(tǒng)能量利用率或能效率另法是近年來國內(nèi)外逐漸推廣的州分析方法這是建立在熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律上的能量的“數(shù)”和“質(zhì)”統(tǒng) 通過分析揭示能量中大用的轉(zhuǎn)換的利用情況從而確定系統(tǒng)的朋利用率或大用效率。能分析依據(jù)不同質(zhì)的能在數(shù)量上的平衡關(guān)系去考查能量的利用程度它反映能量外部損失漏炯分析從大用值不守恒的規(guī)律量利程度即大用效率此方法不僅揭示外部有效能的損失（）造成的有效能的損失。二氧化碳跨臨界循環(huán)炯分析二氧化碳跨臨界循環(huán)中各部分的大用流示意圖如圖5-1算式如式5-式5-6[40][41］ 」圖5-1州流示意圖各部分的大用損失計(jì)算式如下(1)壓縮機(jī)內(nèi)部的朋損單位工質(zhì)縮機(jī)的朋為e1，煽SJ離開壓縮機(jī)后為句娟為旬耗功為內(nèi)部損失為π12，環(huán)境Ton12==Ce1-e2)+w=To(s2-

5一2凝器的大用損單位工質(zhì)進(jìn)入冷凝器83，向外放出的熱量q，冷凝器的大用損失為π23π23=e1-e3=q(T曠T)-To（句句 (5-(3)單位工質(zhì)高壓側(cè)進(jìn)入回?zé)?3，離開的大用為4摘為S4，單位工質(zhì)低壓側(cè)進(jìn)的大1S1134

(4）節(jié)流過程的大單位工質(zhì)進(jìn)入節(jié)流閥腦為84，出節(jié)Ss，節(jié)流過程的大用損失π45，則：45二e4-es=To(ss-5)蒸發(fā)器的朋損

(5-單位發(fā)器S6，蒸發(fā)吸收冷量qo向外放出冷量大用蒸發(fā)過程的大用損失為π56，貝lj:川市e,-eq=To(s,-s,)-（手 (5-5系統(tǒng)州效率為： I-

n12π23π3445+TI56

二氧化碳跨臨界循環(huán)系統(tǒng)州分析結(jié)采用A陽520-90空氣源熱泵標(biāo)準(zhǔn)額定工況［町度為1.1℃，冷凝溫度43.3氧化碳?xì)怏w冷卻器出口溫度為13℃，壓縮機(jī)效率為11=O環(huán)境溫度為To=-8℃R744系統(tǒng)煙分析結(jié)果如表s-1所示。表5 器大用蟲用效η占總失份從表5一$可見二氧化碳跨臨界系統(tǒng)的大用效率為22%優(yōu)于一般制冷系 （占的總比例最約

15%左右）一般制冷系統(tǒng)州損失中，冷凝器的損25%左右［41］而二氧化碳跨臨界系統(tǒng)氣體冷卻器中規(guī)損失占的比例大為減少。就本文例子而今凝器的大用損失為6.35087kJ/kg，約為總大用損失的13.28%因?yàn)樵跉怏w冷卻器中是在變溫的條件下進(jìn)行而冷卻介質(zhì)也是在變溫的條件下進(jìn)行的者逆流進(jìn)行，降低了傳熱少了娟增，42.15這是因?yàn)楣?jié)流過程的不可逆性受飽和線的影響二氧化碳跨臨界循環(huán)冷卻過程在臨界點(diǎn)上方過程在臨界點(diǎn)附近臨界點(diǎn)處飽和線逐漸平坦該處不可逆損失較大。其次是蒸發(fā)器為總炯損失的24.1這是因?yàn)樵谡舭l(fā)器中生相變的工質(zhì)是恒加熱介質(zhì)是者溫因此傳熱火用損失也較大減小二氧化碳跨臨界系統(tǒng)的大用損失的途徑主要有以下幾種：(1)在氣體冷卻器中采取制冷工質(zhì)和冷卻水逆流的方式：(2)采用膨脹機(jī)回收壓縮功，以減少節(jié)流過程的煙損失 使蒸發(fā)溫度盡量接近加熱介質(zhì)的溫度但是時(shí)減小了制冷工質(zhì)和冷卻介質(zhì)或加熱介卻增加了換熱器的面加了上應(yīng)綜合考慮以上各項(xiàng)因素。二氧化碳跨臨界熱泵熱水機(jī)組各參數(shù)對(duì)系統(tǒng)火用效率的影在蒸發(fā)溫度為一1.1℃，冷卻器出口溫度為13℃，壓縮機(jī)的效率0.75，環(huán)境溫度為一8℃時(shí)，回?zé)崞鞯男蕿?的條件下模擬計(jì)算二氧化碳跨臨界熱泵熱水機(jī)組冷器出口壓力對(duì)系統(tǒng)州效率的影響。5一事示出冷卻器出口壓力與系統(tǒng)州效率的關(guān) 為冷卻器出口壓力對(duì)系統(tǒng)州效率的影響曲線圖。從圖中可以發(fā)，當(dāng)冷卻器出口壓力較小時(shí)朋效率也較低當(dāng)壓力增大時(shí)娟效率也隨之增大但增大到一定值后便不再反而隨著壓力的增大而減小最后趨于穩(wěn)定。表s-t的關(guān)（隊(duì)在Pa)I大用效率 I 0.0.0.0.0.。6

8

圄5- 圖5-3示出了冷卻器出口溫度與系統(tǒng)州效率的關(guān)系曲線計(jì)算中是在蒸發(fā)溫度為一1.1巳冷卻器出口壓力為IOMfa壓縮機(jī)的效率為0.75環(huán)境溫度為一8℃時(shí)，因熱器的效率為1的條件下二氧化碳跨臨界熱泵熱水機(jī)組冷卻器出口溫度對(duì)系統(tǒng)炯效率的影響。5 是計(jì)算所得數(shù)據(jù)從圖中可以發(fā)現(xiàn)隨著冷卻器出口溫度升高，炯效率急劇下降下降的幅度非常大。s-JT4（ I 大用效 I I I I I I I0.0. 0.楠0匪00.0.

t（

圖5-3圖5-4示出了蒸發(fā)溫度與二氧化碳跨臨界熱泵熱水機(jī)組冊效率的關(guān)系曲線。計(jì)算中取冷卻器出口溫度為13℃，冷卻器壓力為lOMPa境溫度為8℃熱器的效率為s-4是計(jì)算所得s-4蒸發(fā)溫度與系統(tǒng)炯效率的關(guān)

〈℃）I-

-

。 火用效 I I I I I I從圖中可以發(fā)蒸發(fā)溫度的大用效率也趨于增大大的程度非常大。口棋

0.峙2妥o(hù).120.0.0.0.0 - - -4

圖S- 蒸發(fā)溫度對(duì)系統(tǒng)劇效率的影本章小本文利用熱力學(xué)的大用分析方法］基本一致的結(jié)論。西安西安6章結(jié)二氧化碳在環(huán)境性能、安全性能壓縮機(jī)效率傳熱和流動(dòng)與材料和二氧化碳跨臨界基本理論循環(huán)COP力隨冷卻器出口溫度的變化十分顯著。 J:一一 =-&（P在滿足實(shí)際需要的情況下氣體冷卻器出口溫度T4，即(4)當(dāng)蒸發(fā)溫度不太低度不太高203氧化碳熱泵熱水機(jī)生產(chǎn)達(dá)到90℃5)但設(shè)備的初投資要高于這三種加熱方式。6)22%在節(jié)42.15。展《議定書》堪稱世界環(huán)保它了限定和最終取消HCFCs工質(zhì)的產(chǎn)我國屬于的國家燃?xì)赓Y源、電力資源相對(duì)缺乏所以熱泵型熱水機(jī)必將受到和廣大用戶的青睞并將成為未來市場的一匹。空氣能是一種廣泛存在、給予和可自由利用的低品位能源利用熱泵循 嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度都使我受益匪淺師長之恩難忘本人謹(jǐn)向我尊敬的導(dǎo)師致以最崇高的敬意。最后還要感謝我姑姑姑父支持我完成學(xué)業(yè)感謝我的父母給我無微不至的；感謝始終站在我身邊的朋友們。川王長慶：TEWI19994期：58-王侃呂燦C02跨臨界循環(huán)高壓側(cè)壓力控制的熱力學(xué)分析。工程熱理學(xué)報(bào)，200021卷第5期：537-540管海清，馬一制冷空調(diào)中C02跨臨界循環(huán)方式的分冷與空調(diào)，20055卷第2期：34JamesM.CalmandPio時(shí)A.Domanski張