摘要：CO2作為熱泵工質在跨臨界狀態下循環，在氣體冷卻器中產生溫度滑移，適合水的加熱。在分析了CO2跨臨界循環特點的基礎上指出，CO2可與傳統的製冷劑及其替代物相競爭，具有較高的制熱效率。給出CO2熱泵乾燥系統的兩種形式，並作簡要分析。指出CO2作為熱泵工質面臨的問題。
關鍵詞：二氧化碳；跨臨界循環；熱泵熱水器；熱泵乾燥
1 CO2工質概述
1.1 CO2工質發展史
在1850年,Twing提出在蒸氣壓縮系統中採用CO2作為製冷劑並獲英國專利。1869年Lowe第一次成功使用CO2應用於商業制冷機,證實了CO2作為製冷劑的可能性。1882年Linde設計開發了採用C02為工質的制冷機。1884年Raydt設計的CO2壓縮製冰系統獲得了英國專利。1884年Harrison也設計了一台採用CO2的製冷裝置並獲得了英國專利。1886年Windhausen設計的CO2壓縮機獲得了英國專利,並於1890年開始投人生產。隨後C02製冷劑的使用有了快速的發展。20世紀40年代在英國的船上廣泛採用了CO2壓縮機。
1931年,以R12為代表的CFCs製冷劑一經開發,便以其無毒、不可燃、不爆炸、無刺激性、適中的壓力和較高的製冷效率,很快取代了CO2在製冷方面的位置,CO2逐漸不再被作為製冷劑使用,最後一艘使用CO2制冷機的船隻在1950年停止工作。
進人到20世紀末期,由於CFCs對於臭氧層和大氣變暖的重要影響,為保護環境,實現CFCs替代成為全世界共同關注的問題。世界範圍內的CFCs替代進程在不斷加快。中國製冷空調行業的替代轉換工作起始於上世紀90年代初。前國際製冷學會主席G.Lorentzen在1989～1994年大力提倡使用自然工質,特別是對於CO2的研究與推廣應用上起了很好的推動作用。目前跨臨界CO2熱泵及其部件的開發研究已經成為製冷領域的熱點之一[1]
1.2 CO2工質的性質
常溫下,CO2是一種無色、無嗅的氣體。其相對分子量為44.01,臨界壓力為7.37MPa,臨界溫度為31.1℃ ,臨界容積為0.00214m3/kg,比熱容為0.833kJ/(kg.K),三相點溫度為-56.57℃ ,三相點壓力為416kPa,在101.325kPa下,其升華溫度為-78.15℃ ,蒸發熱573.27kJ/kg。CO2是碳的最高氧化狀態,具有非常穩定的化學性質,既不可燃,也不助燃。
作為製冷劑,人們希望其安全性、循環效率、價格等方面均佳,但實際上並不存在一種十全十美的製冷劑。與其它製冷劑相比,CO2也有其優勢與不足。表1和表2列出的幾種製冷劑性質的比較。
表1 幾種製冷劑主要性能比較[2]
表2 幾種製冷劑的毒性【2】
由上表可以看出，CO2作為自然工質，與常用製冷劑相比具有獨特的優勢：
(1)環境性能優良。CO2是自然界天然存在的物質,它的臭氧層破壞潛能(ODP)為零,其溫室效應潛能極小(GWP=1)。而現在作為推薦替代工質的HFCs及其混合物,其ODP雖為零,但GWP卻比C02高1000～2000倍。
(2)自身費用低,無需回收或再生,操作與運行的費用也較低。
(3)化學穩定性好,完全適用於普通的潤滑油和通常的製造材料。
(4)有利於減小裝置體積,高的工作壓力使得壓縮機吸氣比容較小,使得容積製冷量增大,使得壓縮尺寸減小。流動和傳熱性能提高,減少了管道和熱交換器的尺寸,從而使系統非常緊湊。
(5)安全無毒,不可燃,即使在高溫下也不分解產生有害氣體。
2 CO2跨臨界循環及特點
由於CO2臨界溫度較低(31.1℃)，其熱泵循環流程採用的是跨臨界循環(系統循環原理圖及t-s圖見圖1)。CO2跨臨界循環時，壓縮機的吸氣壓力(圖1中1點)低於臨界壓力，蒸發溫度也低於臨界溫度，循環的吸熱過程在亞臨界條件下進行，換熱過程主要依靠潛熱來完成。但是壓縮機的排氣壓力(圖1中2點)高於臨界壓力，換熱過程依靠顯熱來完成，此時高壓換熱器不再稱為冷凝器，而稱為氣體冷卻器。
由圖2可以看出，CO2跨臨界循環具有以下幾個特點：(1)放熱過程是一個伴隨有較大溫度滑移的變溫過程，這正好與水加熱時的溫升相匹配，是一種特殊的洛倫茲循環，可以減少高壓側不可逆傳熱引起的能量損失，有利於提高循環系統的COP；(2)與常規製冷劑相比，CO2跨臨界循環的壓縮比較小，約為2.5～3.0，可以提高壓縮機的運行效率，進而提高系統的性能係數；(3)系統的運行壓力高，這對系統的材料強度、密封和管道連接等方面的要求更苛刻；(4)傳統的亞臨界系統，製冷劑在冷凝器出口的焓值僅是溫度的函數，而CO2跨臨界循環系統中，超臨界壓力狀態下溫度和壓力彼此獨立，所以高壓側壓力對製冷劑焓值有影響，高壓側壓力也會對製冷量、壓縮機功耗和COP值產生影響，由圖2可知在最佳排氣壓力下，循環系統的性能係數COP可達到最大【3】。
(a) 系統循環原理圖 （b）t-s圖
圖1 CO2跨臨界循環
圖2 製冷量 、壓縮機功耗、COP值與壓縮機排氣壓力的關係
3 CO2熱泵系統及其應用
3.1 熱泵熱水器
CO2跨臨界循環應用的另一個主要領域是熱泵熱水器,近年來CO2熱泵熱水器技術發展迅速。與常規的氟里昂熱泵熱水器相比, CO2熱泵熱水器能製取90℃的高溫熱水,而常規的氟里昂熱泵熱水器的熱水溫度一般只能達到55～65℃；同時CO2熱泵的制熱性能係數也比常規的氟里昂熱泵循環高,可達到4.0以上。但是CO2製冷劑在熱泵熱水器系統中的壓力要比常規的氟里昂系統R410A高很多,因此CO2熱泵系統需要專門設計。表3給出了CO2熱泵實際系統與氟里昂R410A系統中的主要參數對比情況。從表3可以看出,與R410A製冷劑相比,CO2熱泵系統的高壓壓力達到12MPa,系統在這樣的高壓下運行,必須考慮系統承受高壓的性能、高壓保護、壓縮機的選擇、潤滑油的選擇等一系列問題。
表3 CO2製冷劑在熱泵實際系統中的壓力等參數[2]
圖3是挪威NTNU-SINTEF實驗室關於二氧化碳熱泵熱水器試驗系統圖[4]。圖中省去了各種控制閥和感測器。實際系統中，熱源為工業廢氣、空氣等，這裡採用電加熱乙二醇溶液來模擬熱源，氣體冷卻器採用逆流流動。蒸發器是板殼式換熱器，能承受較高的壓力。節流閥開度根據高壓側的排氣壓力動態調節，使系統在最優高壓側壓力下運行。
圖3 二氧化碳熱泵熱水器試驗系統示意圖
試驗結果表明二氧化碳適合作為熱泵熱水器製冷工質。以空氣作為熱源，當供應熱水溫度為60℃時，二氧化碳熱泵熱水器的能量消耗比電或燃氣熱水器降低了75％。圖4顯示了制熱係數隨蒸發溫度的變化情況[5]，水溫從10℃升至60℃。蒸發溫度升高，制熱係數基本成線性規律上升。
圖4 制熱係數隨蒸發溫度變化曲線
實際工程中應盡量提高蒸發溫度。制熱係數隨出口水溫升高而降低，圖5顯示了制熱係數隨熱水溫度變化情況[4]。當二氧化碳熱泵熱水器生產達到90℃熱水時，可正常運行，但效率會降低。當蒸發溫度為0℃ ，熱水從60℃上升到80℃時，制熱COP相應從4.3降至3.6[4]。
圖5 制熱係數與熱水溫度變化曲線圖
Saikawa等對二氧化碳熱泵熱水器的研究表明它的年平均COP可達到3。其他研究者對二氧化碳熱泵熱水器現場測試則表明：提供65℃熱水，年平均COP為3.53；提供900℃熱水，年平均COP為2.72【6】。試驗和實踐均表明：二氧化碳熱泵熱水器適合熱水的製取，並具有較高的效率。
表4給出了日本幾家公司所生產的CO2熱泵熱水器的產品規格。表5給出了表4所列出耗電量和性能係數所測定的工況。關於CO2熱泵熱水器的測試標準,目前國際上還未統一，日本、歐洲和美國等國家各有相應的標準。
表4 熱泵熱水器的產品規格
表5 耗電量和性能係數所測定的工況
3.2 熱泵乾燥系統
乾燥是工農業生產中廣泛使用且耗能巨大的加工工藝，發達國家乾燥能耗占國家工業能耗的7％ ～15％，在我國一般乾燥過程的能耗約佔整個加工過程總能耗的10％[7]。自20世紀70年代初石油危機以來，世界各國均對乾燥加工的節能技術展開了大量的研究，熱泵乾燥是在這種背景下產生的一種新型節能幹燥技術。研究和應用實踐表明，熱泵乾燥較常規氣流乾燥。在能源消耗和乾燥成本方面具有明顯的優勢。
熱泵乾燥系統的形式較多，從節能的角度出發，目前大多採用閉路式熱泵乾燥系統。圖6是基本的CO2熱泵乾燥系統示意圖，由熱泵循環和空氣循環組成。熱泵循環由壓縮機、氣體冷卻器、節流閥、蒸發器等組成。空氣循環由風機、乾燥室和輔助冷凝器等組成。
圖6 基本的C02熱泵乾燥系統
在圖6所示的乾燥系統中，由於節流閥的節流作用，使氣體冷卻器出來的CO2流體從超臨界狀態變成氣液兩相狀態，節流損失遠大於常規鹵代烴工質的節流損失。為減少節流損失，第二種CO2熱泵乾燥形式在第一種形式的基礎上，用膨脹機代替節流閥，如圖7所示，其中膨脹機與壓縮機同軸聯接以回收部分膨脹功，減少壓縮機的耗功。
圖3 帶膨脹機的C02熱泵乾燥系統
CO2熱泵乾燥的循環過程由熱泵循環和空氣循環組成(見圖6、7)，熱泵循環用於對乾燥介質(空氣)在氣體冷卻器中加熱和在蒸發器中降溫除濕，提高空氣的吸濕能力；空氣循環提供空氣流動的通道，使空氣在系統中循環流動，完成對乾燥物料的乾燥除濕[8]。
4 存在的問題
CO2工質在熱泵中的應用研究才進行10幾年的時間，目前還存在著許多有待突破和改進的地方：
（1）新型高效CO2壓縮機的開發與改進。例如,雙級滾動活塞壓縮機為代表的雙級壓縮機使結構更緊湊,系統布置更靈活,而且雙級壓縮會減小壓差,減小泄露和機械損失,能夠顯著地提高系統效率和壓縮機的效率,將是未來壓縮機發展的一個方向。
（2）膨脹-壓縮機的研製。在CO2跨臨界循環中,降低膨脹部分的損失,是解決效率的有效途徑。利用膨脹機的輸出功率驅動壓縮機完成壓縮過程,使膨脹機與壓縮機組成一體而形成膨脹壓縮機,這種膨脹壓縮機將成為CO2循環中特有的組成部分。
（3）高效跨臨界循環熱交換器的設計。針對CO2工質的流動和傳熱特性，設計出高效的CO2熱泵熱水器換熱器，從而提高系統效率。
（4）CO2系統安全性相關的研究需進一步加強。設計時需滿足系統各個部件的承壓要求，保證高壓運行的安全性
（5）先進控制方式的研究，從而使系統更加可靠、穩定，使用更加方便。
（6）關於CO2熱泵的測試標準，各國尚不統一。在研製出口產品時，需針對出口國的要求進行測試。
參考文獻
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