CO2跨临界(逆)循环的热力学分析
CO2跨临界循环热力学对比分析
CO2跨临界循环热力学对比分析
管海清;马一太;李敏霞;杨俊兰
【期刊名称】《流体机械》
【年(卷),期】2004(032)006
【摘要】对带回热器和带膨胀机的CO2跨临界循环过程应用热力学进行了对比分析.结果表明,带回热器的CO2跨临界循环过程虽然也能够在一定程度上提高系统效率,但只要膨胀机的效率达到一定值,带膨胀机循环的系统性能将优于带回热器循环的系统性能.
【总页数】4页(P39-42)
【作者】管海清;马一太;李敏霞;杨俊兰
【作者单位】天津大学,天津,300072;天津大学,天津,300072;天津大学,天
津,300072;天津大学,天津,300072
【正文语种】中文
【中图分类】TB61
【相关文献】
1.CO2跨临界循环带膨胀压缩机系统热力学分析 [J], 李敏霞;马一太;苏维城;卢苇
2.CO2跨临界循环优化配置热力学分析 [J], 杨俊兰;马一太;冯刚;曾宪阳;刘圣春
3.两种低热与中热硅酸盐水泥混凝土\r热力学特性对比分析 [J], 樊启祥;杨华全;李文伟;汪志林;陈霞
4.两种乙烷回收新流程的热力学对比分析 [J], 唐敏;刘博;许骞
5.低阻硅TSV与铜填充TSV热力学特性对比分析 [J], 邓小英;于思齐;王士伟;谢奕
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
跨临界压缩二氧化碳储能系统热力学特性及技术经济性研究
跨临界压缩二氧化碳储能系统热力学特性及技术经济性研究一、本文概述随着全球能源需求的不断增长和环境保护的日益紧迫，高效、清洁的储能技术已成为能源领域的研究热点。
跨临界压缩二氧化碳储能系统作为一种新型的储能技术，具有储能密度高、系统效率高、环境友好等优点，因此受到了广泛关注。
本文旨在深入研究跨临界压缩二氧化碳储能系统的热力学特性及技术经济性，为其在实际应用中的推广和优化提供理论依据和技术支持。
本文将首先介绍跨临界压缩二氧化碳储能系统的基本原理和工作流程，包括压缩、储存、释放和膨胀等关键步骤。
在此基础上，本文将重点分析该系统的热力学特性，包括能量转换效率、热损失、系统稳定性等方面，并通过理论计算和实验验证相结合的方法，探究不同操作条件对系统性能的影响。
本文还将对跨临界压缩二氧化碳储能系统的技术经济性进行评估。
通过构建系统的成本模型和经济分析框架，综合考虑设备投资、运行维护、能源价格等因素，评估该技术在不同应用场景下的经济竞争力。
本文还将探讨如何通过技术创新和系统优化，降低储能成本，提高系统效率，从而推动跨临界压缩二氧化碳储能技术的商业化应用。
本文将对跨临界压缩二氧化碳储能技术的发展前景进行展望，分析其在可再生能源并网、智能电网建设、分布式能源系统等领域的应用潜力，并提出相应的政策建议和研究方向，以促进该技术的持续发展和广泛应用。
二、跨临界压缩二氧化碳储能系统热力学特性研究跨临界压缩二氧化碳储能系统是一种新型的储能技术，其热力学特性研究对于系统的优化设计和运行至关重要。
本研究主要围绕跨临界压缩二氧化碳储能系统的热力学特性展开，深入探讨了其在不同工况下的性能表现。
我们建立了跨临界压缩二氧化碳储能系统的热力学模型，详细描述了系统中各组件的工作原理和热力学过程。
通过对系统内部能量的转换与传递过程进行分析，揭示了其在能量存储和释放过程中的热力学本质。
我们利用热力学模型对系统在不同工况下的性能进行了模拟分析。
通过改变系统的运行参数，如压力、温度等，观察了系统性能的变化趋势。
超临界二氧化碳循环分析2
超临界二氧化碳循环特性作为第四代核能系统的候选堆型，超高温气冷堆和气冷快堆具有高安全性、高效率、用途广等特点，且均拟采用氦气作为反应堆直接循环工质。
由于氦气具有稳定、无毒、无感生放射性、热容大等特点，因此，目前世界上的气冷堆广泛使用氦气作为直接闭式Brayton循环的工质及反应堆的冷却剂。
但氦气循环需较高的循环最高温度（堆芯出口温度）才能达到满意的效率，因此，对反应堆的结构材料、燃料元件材料等提出了较高的要求，同时由于氦气密度低、可压缩系数小等缺点，氦气循环叶轮机械的制造也产生了一定困难。
与氦气相比，CO2因其密度大，且易于压缩，CO2的临界温度为304.19K，比环境温度略高，临界压力为7.3773MPa，在运行工况下，可利用其实际气体的性质减少压缩功等，采用CO2作为工质的循环所需的温度不需太高即可与氦气循环具有相当的效率，因此，使用CO2作为气冷堆循环的工质具有广阔的潜力。
同时，CO2循环也被推荐使用于第4代核能系统中的钠冷快堆（SFR）和铅冷快堆（LFR）。
1. 二氧化碳动力循环（1）简单超临界Brayton循环与理想气体的Brayton循环类似，CO2的简单超临界Brayton循环如图1-1所示,分为以下几个部分:1至2为CO2在压缩机中被压缩至循环最高压力的过程；2至3为CO2在回热器中的吸热过程；3至4为CO2在中间换热器从反应堆堆芯或热源的吸热过程；4至5为CO2在透平中的膨胀做功过程；5至6为CO2回热器中的回热过程；6至1为CO2的预冷过程。
其中，2至3及5至6的回热器的回热过程是Brayton循环的关键。
回热器的存在使得Brayton循环的热量得以最大限度地利用，从而提高了循环的效率。
图1-1简单超临界Brayton循环受堆芯出口温度限制以及CO2工况下比热容变化较大的影响，CO2简单超临界Brayton循环的效率与氦气循环相比并不高。
由于CO2相对氦气较为活泼，高温下可与燃料元件和金属构件发生化学腐蚀，因此，在使用CO2作为冷却剂的气冷堆中存在工程约束条件，即CO2的工作温度不能超过670℃。
CO2跨临界循环优化配置热力学分析
１ 概述
明＿ Ｊ在 Ｃ ２ 临界 循 环 中用膨 胀 机 代替 节 流 ｌ ， ０跨 阀 ， 以较 大 提 高 系统 的 Ｃ Ｐ。文 献 ［ ］ 三 种 可 Ｏ ５对 不 同形式 的 Ｃ ２跨 临 界 两 级 压 缩 循 环 进 行 了研 Ｏ
（． １ 天津城市建设学院 ， 天津 ３ｏ ８ ；． ０ ３４ ２ 天津大学 ， 天津 ３０７ ；． 北沧州大化股份有限公司 ， ００２ ３河 沧州 ０ １０ ） ６００
摘
要 ： 对 ７ ｃ ２ 临界循环的性 能进 行了对 比分析 ， 种 ｏ跨 结果表 明， 当膨胀 机的效率 达到 ６ ％时 ，Ｃ Ｈ循环 的效 率最 ０ ＴＤ
高， 是一种有发展前途 的循环方式 。对 Ｔ Ｄ Ｃ Ｈ循环进行了结构配置优化分析 ， 与存在最 佳高压压 力时的循环 进行 了性 并 能 比较。可以发现， 优化配置循环 的 Ｃ Ｐ低 于最佳高 压压力循 环时 的 Ｃ Ｐ， Ｏ Ｏ 当膨胀 机的效 率达 到 ８％ 左右 时 ， 者 的 ０ 两
Ｃ Ｐ才能够基本相 当。所 以在优化整个 系统 的结 构设计 时 ， Ｏ 应该权衡考虑各方面因素的影响 。
关键词 ： ｃ ２ 临界循环 ； ｏ跨 性能提高 ； 化配 置 ； 优 热力学分析
中 图分 类 号 ： Ｔ ６ Ｂ 文献 标 识 码 ： Ａ
Ｔ ｅ ｍｏ ｙ ｍｎ ｃ Ａｎ ｌ ｓ ｏ ｔ ｈ ｒ ｄ ｎ ｉ ａ ｙ ｉ ｆ ｒ Ｏｐ ｉ ａ ｉｎ Ｃ ｎ ｇ ｒ ｔ ｎ ｏ ｏ２ ａ ｓ ｒｔ ａ ｃｅ ｓ ｍＤ ｔ ｏ ｆ ｕ ａ ｉ ｆ ｃ ｎ ｃ ｉ ｃ ｌＣｙ ｌ ｏ ｉ ｏ Ｔｒ ｉ
Ａｂ ｔａ ｔ ｓｒ ｃ ： Ｐ ｒ ｒ ａ ｃ ｏ ｖ ｎｄｆ ｒ ｎ ｔｐ ｓｏ ｃ ２ ｒｎ ｃｉ ｃ ｌ ｙ ｌｓａｅ ａ ａｙ ｅ ｎ ｏ ｐ ｒｄ． ｈ ｓ ｌ ｈ ｗ ｔ ａ ｔｅ ｃ ｅ — ｅ ｏ ｍ ｎ ｅｆｒｓ ｅ ｉｅ ｅ ｔｙ ｅ ｆ ｏ ｔ ｓ ｒ ｉａ ｃ ｃ ｒ ｎ ｌｚ ｄａ ｄ ｃ ｍ ａ ｅ Ｔ ｅ ｒ ｕｔ ｓ ｏ ｈ ｔ ｏ ｆ ｆ ｅ ａ ｔ ｅ ｅ ｓ ｈ ｉ ｃｅ ｔｏ ｅ ｏ ｍａ ｃ ｅ Ｔ Ｄ ｃ ｃｅ ｗ ｔ ｘ ａ ｄ ｒｅ ｆ ｉ ｃ ｃ ｅ ｉ ｇ６ ％ ｏ ｔ ｅ ｏ ｍｓｔ ｏｅ ｏ ｅ ｏ ｅ ｙ ｌｓａ ｉ ｎ ｃ ｎ ｉ ｉｎ ｆｐ ｒ ｒ ｎ ｅ ｏ ｔ Ｃ Ｈ ｙ ｌ ｉ ｅ ｐ ｎ ｅ ｆ ｃ ｎ ｙ ａ ｈ ｖｎ ０ ｆ ｆｈ ｈ ｉｅ ｉ ｕ ｒ ｒ ｓ ｔ ｔ ｒ ｃ ｃｅ ｔｇｖ ｏ ｄ — ｐｆ ｈ ｆｈ ｈ ｅ ｔ ｎ ，ｗ ｃ ｓａｐｏ ｏ ｉ ｃ ｃｅ ｉｓ ｏ ｉ ｈ ｈｉ ｒ ｐ ｓ￣ ｙ ｌ ．Ａｎ ｈｅ ，ｏ ｔ ｚ ｔ ｎｃ ｎ ｇ ｒｔ ｎａ ａｙ ｉ ｏｒ Ｃ Ｈ ｙ ｌ ｓｐ ｒｏｍｅ ｎ ｄｔｅｐ ｒ ｒ ｎ ｅｏ ｔｉ ｄｔ ｎ ｐｉ ａｉ ｏ ｆ ｕ ａｉ ｎ ｌ ｓ ｍｉ ｏ ｉ ｏ ｓｆ Ｔ Ｄ ｃ ｃｅｉ ｅ ｆ ｒ ｄａ ｈ ｅ ｆ ｍａ ｃ ｆ ｈ ｓ ｏ
CO2跨临界双级压缩制冷循环的热力学分析
CO2跨临界双级压缩制冷循环的热力学分析
谢英柏;孙刚磊;刘春涛;刘迎福
【期刊名称】《化工学报》
【年(卷),期】2008(59)12
【摘要】由于臭氧层破坏和温室效应的不利影响，用自然工质替代合成工质越来
越受到国内外制冷界的重视。
在几种常用的自然工质中，除水和空气以外，CO2
是与环境最为友善的制冷工质之一。
CO2使用安全，无毒；物理化学稳定性好；
单位容积制冷量大，有利于减少装置体积；在超临界条件下，它的流动传热性能好；此外，CO2容易获取，价格低廉，不需要回收，
【总页数】5页(P2985-2989)
【作者】谢英柏;孙刚磊;刘春涛;刘迎福
【作者单位】华北电力大学电站设备状态监测与控制教育部重点实验室,河北,保定,071003;华北电力大学电站设备状态监测与控制教育部重点实验室,河北,保
定,071003;华北电力大学电站设备状态监测与控制教育部重点实验室,河北,保
定,071003;华北电力大学电站设备状态监测与控制教育部重点实验室,河北,保
定,071003
【正文语种】中文
【中图分类】TB61
【相关文献】
1.CO2跨临界双级压缩制冷循环的热力学分析 [J], 刘圣春;李正
2.跨临界 CO2 双级压缩制冷循环的热力学分析与比较 [J], 张振迎;佟丽蕊;王洪利;马一太
3.CO2跨临界双级压缩带低压膨胀机制冷循环性能分析 [J], 谢英柏;孙刚磊;张雪东;宗露香
4.CO2跨临界压缩式制冷循环理论分析 [J], 王燕江;陶乐仁;刘银燕;王超
5.CO_2跨临界两级压缩制冷循环热力学分析 [J], 刘军朴;陈江平;陈芝久
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
二氧化碳跨临界循环换热与膨胀机理的研究共3篇
二氧化碳跨临界循环换热与膨胀机理的研究共3篇二氧化碳跨临界循环换热与膨胀机理的研究1随着全球能源需求的不断增加，人类对能源资源的需求日益加剧。
同时，随着二氧化碳排放量的不断增加，全球温室效应日益加剧，环境污染问题已经成为世界面临的重要问题之一。
为解决这些问题，相应的环保措施已经受到了越来越多的关注。
近年来，二氧化碳跨临界循环技术已经成为一种重要的环保节能技术。
作为一种新型的加工和能源转换技术，它已经得到了广泛的研究和应用。
该技术利用二氧化碳工作介质的特殊性质，实现了二氧化碳的高效回收和能量利用。
在二氧化碳跨临界循环过程中，热交换是其中一个重要的环节。
在该过程中，热能的差异通过换热器进行转移，以实现二氧化碳的冷却和加热。
因此，热交换器的设计和性能对二氧化碳跨临界循环的效率和稳定性具有关键作用。
传统的热交换器设计往往难以满足二氧化碳跨临界循环的实际需求，因此需要开发出新的设计思路和设计方法。
在二氧化碳跨临界循环中，膨胀过程也是其中一个重要的环节。
通过使用高效的膨胀器件，可以将工作介质的压力能够转化成动能和有用的功。
因此，膨胀器件的设计和性能也是二氧化碳跨临界循环效率的关键因素。
目前，常见的膨胀器件主要包括节流阀、透平等。
在选择膨胀器件时，需要综合考虑工作介质性质、压力差、流量等多个因素。
总之，二氧化碳跨临界循环技术是一种向低排放、高效率、安全环保的方向发展的能源转换技术。
在该技术的实现过程中，热交换和膨胀是其中两个重要的环节。
通过合理的设计和优化，可以提高二氧化碳跨临界循环的整体效率和稳定性，推动该技术进一步发展和应用总之，二氧化碳跨临界循环技术在能源转换和减排方面具有广泛的应用前景。
在热交换和膨胀等关键环节上，通过新的设计思路和优化方法，可以进一步提高技术的效率和稳定性。
该技术有望成为未来能源领域的重要方向，促进低碳经济和可持续发展二氧化碳跨临界循环换热与膨胀机理的研究2二氧化碳跨临界循环换热与膨胀机理的研究随着能源消费的不断增加，传统能源逐渐减少，环境问题日益严重，绿色能源逐渐成为人们关注的焦点。
CO2跨临界(逆)循环的热力学分析
CO2跨临界（逆）循环的热力学分析时第19卷第6期工程热物理1998年11月JOURNALOFENGINEERINGTHERMOPHYSICS,r0l19.NO6NOV..1998CO2跨临界(逆)循环的热力学分析6I\马一太√吕灿仁(天津大学热能研究所天津300072)关键词co(R744),跨临界循环,热泵,回热器,膨胀机冉1)f乏未●.'...'.....…_..'一-1前言世界各国开展了寻求CFC和HCFC替代物的广泛研究.到目前这项研究已有了实质性的进展.主要提出了包括R134a在内的若干HFC及其混合物来替代R12,1%502和R22等,并且已开始商业化生产.但人们已发现这些新工质并没有达到"长期"替代物的要求,大部分HFC都有较高的温室效应和某些缺陷.随着世界范围制冷空调技术的应用和发展,对各种制冷工质的需求量逐年上升,每年达到数十万吨的消耗量,其中绝大部分将扩散到大气中去.这些物质的寿命或长或短,都会增加温室效应,或分解产生其它的副作用.人类大规模生产地球上本来不存在的气态物质,最终要破坏地球的生态平衡.作为制冷剂,在上世纪末至本世纪三十年代前CO2(R744),氨(R717),SO2(R764),氯甲烷(R40)等曾被广泛应用.由于上述除CO2之外的工质都有毒性或可燃性,无毒不燃的CO.在民用制冷和船用制冷等方面有其不可替代的优势.据文献记载,英国的HiglandChief商船在1890年安装了第一台CO2制冷机,从此CO2制冷机开始在海运轮船上普及.到1930年,80%船舶采用CO2制冷机,其余的20%则用氨制冷机,最后一艘配有CO2制冷机的轮船是在1950年退役的.CO2用于空调机较晚.它在1919年出现在剧院和商业空调,1927年用于办公楼, 1930年用于民用空调.当臭氧层破坏基本有了解决途径之后,温室效应引起人们较大的关注.CO是温室气体,但从分子角度看,各种HFC的温室效应是CO2的1000---2000倍,大量生产和应用HFC必将加速全球变暖的趋势.已故的前国际制冷学会主席G.Lorentzen曾发表多篇论文,大力提倡使用自然制冷工质,包括氨,碳氢化合物和CO2.他认为CO2是"无可取代的制冷剂",可望在制冷和热泵中发挥作用.挪威SINTEF研究所率先进行汽车空调用CO2作为制冷剂的实验研究,样机实验已得出较好的结果,德国也开展CO2工质汽车空调和热泵应用的研究.2C02热力学性质及优势采用CO2为逆循环工质是基于几方面的考虑.首先CO2是自然界存在的物质.它的臭氧层破坏势ODP值为零,其温室效应势GWP值也很低.实际上,CO2可来源于国家自然科学基金资助项目.车文曾于1997年u月在洛阳召开的中国工程熟物理学会工程热力学与能源利用学术会议上宣读修改稿于1998年1月13日收到.工程熟物理l9卷工业废气,对它加以利用并不增加其在大气中的浓度.另外,作为自然工质的CO2安全的物质,无毒不燃,容易获得,价格便宜,并与目前常用的材料相容,其热物性数据比较成熟.CO2有较低的临界温度和较高的工作压力,用于逆循环的放热过程可处于超临界区,具有较大的温度滑移,该放热过程可以和变温热源相匹配,因此是一种特殊的劳伦兹循环,亦可称三角循环.该循环更适合于以水为热源的热泵系统,以实现提供较高温度的热量输出并有较高的用能效率.这些独特的优势使CO2可作为CFCsHCFCs和HFCs的长期替代物,有非常光明的应用前景.3CO2跨临界循环(TranscriticalCycle)及其最大COP图1给出CO2逆循环系统原理图,它与普通制冷循环基本相似.所不同的是,压缩机的排气压力在临界压力之上,工质在超临界区经定压放热,如图2的1-2-3—4—1.此类循环有时也称为超临界循环(SupercrltlcalCycle).这是当前C02制冷循环研究中最为活跃的循环方式.在跨临界循环或超临界循环时,高压端换热器不叫冷凝器,而称气体冷却器(GasCoder).蒸发器图1简单CO2循环系统4,(a)T一5-图(b)P—h图图2不同压缩比下的CO2循环与外界冷却流体的温度有关.CO2在高压下冷却到终温,可有不同的压缩比,其COP值随压缩比P2/只有较大变化.图2为不同压比下的循环热力图,在一定的压缩比下其COP达最大值,见图3.在典型的空调工况下,=7.2.C,=32.C403o耋252.01510517l92I232527压缩比图3CO2跨临界循环的大G0P504540353o253035404550/℃图4最大G0P和的关系T3=40.c,并用理想压缩机,最大COP:3.61.计算表明,COP随的增加迅速下降,并随的增加而增加,见图4. 在本文中所有CO2的COP都是在给定条件下的最大值.4C02的回热循环对CO2来说,减少节流损失的有效途径之一就是采用回热循环.计算表明,当回热器中蒸气过热温度为25.C时,COP可提高6%,但压缩机的吸气量因过热度的提高而下降.见图5的相对值月与月d.6期马一太菩:c02跨临界(逆)循环的热力学分析6675C02双级压缩循环示于图6的双级压缩系统可有效地降低排气温度与单级压缩相似,在一定的压缩比尸4/下可达COP最大值.计算时中间压力=,/马××∈式中∈=1.0一l_2,根据不同工况进行调整,以保证=图7给出的结果指出,在相同的工况下,双级压缩比单级压缩的COP提高12～l4%.111OtJ.9《t1.807图5回热循环相对00P和吸气量与回热度DT1的关系图6双级压缩系统热力图6用膨胀机回收膨胀功图7单级和双级压缩系统的G0P理论上讲,在制冷循环中可以用膨胀机代替节流阀,以回收工质从高压到低压过程的膨胀功,原理图见图8.但这在传统的亚临界逆循环中几乎没有采用.原因是多方面的,如膨胀机工作在两相流条件下,膨胀功相对数量较小,工质的容积膨胀比很大(一般20—40),这样的膨胀机实现起来有许多技术上的困难.CO2跨临界循环的膨胀机同样也面临着许多难题,但比常规工质更具有可行性.如cO2的容积膨胀比是常规工质的十分之一,仅为2—4;其膨胀功所占的比例也较大,回收起来更有效益.如果设膨胀机的效率为0.65,压缩机的绝热效率为0.8,电机效率为0.9,采用四种循环模型:(1)简单循环,(2)单级压缩回热循环,嘭(3)双级压缩回热循环,(4)用膨胀气体冷却器机的单级压缩循环.在相同的条蔫发器件下,其循环实际cDP依次提高,图8有膨胀机的单级如图9所示-其中第(4)种模型是压缩系统一个很有研究和应用前景的方向图9四种模型的G0P值随的变化关系7热回收一C02循环的优势几乎所有空调系统都把冷凝熟释放到环境中,这是极大的浪费.但在传统空调系统的冷凝温度太低不便于回收.如果适当提高冷凝温度,空调系统可同时用于空气调节和热回收,COP会随之下降考虑一热泵系统,其热回收温度为一较高水平,如65.c.对霉工程热物理l9卷于R22循环,设=70.C,和与上述相同,计算得COPfL22=3.226.对于CO2循环COPco=3.725,其比值为1.12.可见在此系统中CO2可发挥重要作用.多年来人们在研究热泵循环时一直在寻求一种理想的工质,希望在蒸发过程中有较小的相变温差,以和自然界的低温热源相匹配;在冷凝过程中有较大的相变温差,以适应热泵采暖,热泵干燥等梯级放热的要求.CO2的跨临界循环正好能达到这一要求.8结论本文从热力学循环分析角度揭示了CO2跨(超)临界循环的特性,分析可得出:(1)COz具有优良的热力特性和环境特性,其跨临界循环有独特的热力学特性.(2)采用双级压缩回热循环,CO2循环的COP值可以和R22,R134a等常规循环相接近.(3)因Co2在跨临界循环中有很小的容积膨胀比和较大的膨胀功,其单级压缩亦可得到较高的COP,研究实现用膨胀机代替节流阀有非常重要的意义.(4)分析表明CO2跨临界循环可在热泵余热回收系统中发挥大的作用,达到冷热联供.致谢作者感谢美国伊利诺大学空调制冷研究中心主任ClarkW.Bullard对论文研究工作提供的方便和建议.参考文献1w_lJi&nHMotz.PrinciplesofRefrigeration,Nickerson&CollinsCo.Chicago. 1932GuatavLocentzcn,JosteinPettersen.ANewEl丑cientandEnvironmentallyBenignSystemforCarAi卜ConditioningInt.JRefrig.16r1:2l4【司Jc~teinPettersenAnEfficientNewAutomobileAi卜ConditioningSystemDasedonCO2VaporCompressionASHARE.Tra珊.1994.057MSonnekalb.JKohle~.AI卜ConditioningUnitUsingCOaa日RefrigerantInstalledinaBus.Intern~tionaIConferen∞oROzoneProtectionTechnologies.0ct21-23.1996Washington[5]JWertenbacb,JMaue.COaRefrigerationSysteminAutomobileAi卜Conditi.ning.InternationaI ConfexenceonOzoneProtectionTechnologies.Oct2I_231996Wemhington THERMoDYNAMICANALYSIS0FC0,TRANSCRITICALCYCLEMAYitaiYANGZhaoL寸Canreu(Therma/EnergyResearv~ht如TianfinUniverslT/ard~300072)AbstractCo2isasafenatrualrefHgerantwhichhadbeenandwillbewidelyusedinaircondi—tioningandheatpumpsystemsThethernodynamicanalysisoftheC02transcritiealcycle ispresentedinthispaper.TheresultshowsthattheC02cyclesoffersheatrecoverybenefit asahepumpsystem.ItispossiblethattheCOPvalueofC02cycleCancompetewith thoseofR22orR134a-ftwostagecompressionsystemoranexpandersystemareused. KeywordsCO2(R744),transcrlticulcycle,heatpump1expander。
二氧化碳跨临界循环的理论分析与研究
二氧化碳跨临界循环的理论分析与研究乔丽李树林西安建筑科技大学710055摘要：本文主要对自然工质二氧化碳的替代进行研究。
对其热力性质、循环特性进行分析研究，以求进一步完善R744循环。
关键词：自然工质跨临界循环热泵气体冷却器Theoretical Studies and analysis on Transcritical CO2 CyclesAbstract: This paper studies the CO2which one of natural refrigerant, analyzes its thermal properties, the character of CO2 cycle, to make transcritical CO2 cycle more perfectly.Keywords: natural refrigerant, transcritical system, heat pump, gas cooler1前言当前环境问题已成为一个重要的全球问题，其中臭氧层破坏和温室效应问题直接关系到人类的健康和生存，引起了人们的高度重视。
在制冷及热泵装置中广泛使用的CFCs、HCFCs工质是引起臭氧层破坏的主要原因，而且，这些工质为温室气体，已列入逐步被淘汰之列。
制冷空调行业为了适应CFCs和HCFCs制冷工质的淘汰，纷纷转轨使用HFCs，人们一直认为HFCs 是CFCs制冷工质的长期替代物。
现在《京都议定书》又将HFCs列入了温室气体清单中，要对它们的排放加以控制。
国内外制冷空调行业均在探索如何总结历史经验，寻求正确、科学地解决由于环保要求提出的制冷工质替代问题，力争少走弯路。
为了应对环保要求的挑战，在寻找、开发替代制冷工质的过程中，逐渐形成了两种替代路线：即以美国、日本为首的国家仍主张使用HFCs[1]，包括开发纯组分的新一代制冷工质或二元、三元共沸和非共沸混合物；德国、瑞士等欧洲国家主张使用自然工质，包括HCs、CO2、NH3等。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
CO2跨临界（逆）循环的热力学分析时第19卷第6期工程热物理1998年11月JOURNALOFENGINEERINGTHERMOPHYSICS,r0l19.NO6NOV..1998CO2跨临界(逆)循环的热力学分析6I\马一太√吕灿仁(天津大学热能研究所天津300072)关键词co(R744),跨临界循环,热泵,回热器,膨胀机冉1)f乏未●.'...'.....…_..'一-1前言世界各国开展了寻求CFC和HCFC替代物的广泛研究.到目前这项研究已有了实质性的进展.主要提出了包括R134a在内的若干HFC及其混合物来替代R12,1%502和R22等,并且已开始商业化生产.但人们已发现这些新工质并没有达到"长期"替代物的要求,大部分HFC都有较高的温室效应和某些缺陷.随着世界范围制冷空调技术的应用和发展,对各种制冷工质的需求量逐年上升,每年达到数十万吨的消耗量,其中绝大部分将扩散到大气中去.这些物质的寿命或长或短,都会增加温室效应,或分解产生其它的副作用.人类大规模生产地球上本来不存在的气态物质,最终要破坏地球的生态平衡.作为制冷剂,在上世纪末至本世纪三十年代前CO2(R744),氨(R717),SO2(R764),氯甲烷(R40)等曾被广泛应用.由于上述除CO2之外的工质都有毒性或可燃性,无毒不燃的CO.在民用制冷和船用制冷等方面有其不可替代的优势.据文献记载,英国的HiglandChief商船在1890年安装了第一台CO2制冷机,从此CO2制冷机开始在海运轮船上普及.到1930年,80%船舶采用CO2制冷机,其余的20%则用氨制冷机,最后一艘配有CO2制冷机的轮船是在1950年退役的.CO2用于空调机较晚.它在1919年出现在剧院和商业空调,1927年用于办公楼, 1930年用于民用空调.当臭氧层破坏基本有了解决途径之后,温室效应引起人们较大的关注.CO是温室气体,但从分子角度看,各种HFC的温室效应是CO2的1000---2000倍,大量生产和应用HFC必将加速全球变暖的趋势.已故的前国际制冷学会主席G.Lorentzen曾发表多篇论文,大力提倡使用自然制冷工质,包括氨,碳氢化合物和CO2.他认为CO2是"无可取代的制冷剂",可望在制冷和热泵中发挥作用.挪威SINTEF研究所率先进行汽车空调用CO2作为制冷剂的实验研究,样机实验已得出较好的结果,德国也开展CO2工质汽车空调和热泵应用的研究.2C02热力学性质及优势采用CO2为逆循环工质是基于几方面的考虑.首先CO2是自然界存在的物质.它的臭氧层破坏势ODP值为零,其温室效应势GWP值也很低.实际上,CO2可来源于国家自然科学基金资助项目.车文曾于1997年u月在洛阳召开的中国工程熟物理学会工程热力学与能源利用学术会议上宣读修改稿于1998年1月13日收到.工程熟物理l9卷工业废气,对它加以利用并不增加其在大气中的浓度.另外,作为自然工质的CO2安全的物质,无毒不燃,容易获得,价格便宜,并与目前常用的材料相容,其热物性数据比较成熟.CO2有较低的临界温度和较高的工作压力,用于逆循环的放热过程可处于超临界区,具有较大的温度滑移,该放热过程可以和变温热源相匹配,因此是一种特殊的劳伦兹循环,亦可称三角循环.该循环更适合于以水为热源的热泵系统,以实现提供较高温度的热量输出并有较高的用能效率.这些独特的优势使CO2可作为CFCsHCFCs和HFCs的长期替代物,有非常光明的应用前景.3CO2跨临界循环(TranscriticalCycle)及其最大COP图1给出CO2逆循环系统原理图,它与普通制冷循环基本相似.所不同的是,压缩机的排气压力在临界压力之上,工质在超临界区经定压放热,如图2的1-2-3—4—1.此类循环有时也称为超临界循环(SupercrltlcalCycle).这是当前C02制冷循环研究中最为活跃的循环方式.在跨临界循环或超临界循环时,高压端换热器不叫冷凝器,而称气体冷却器(GasCoder).蒸发器图1简单CO2循环系统4,(a)T一5-图(b)P—h图图2不同压缩比下的CO2循环与外界冷却流体的温度有关.CO2在高压下冷却到终温,可有不同的压缩比,其COP值随压缩比P2/只有较大变化.图2为不同压比下的循环热力图,在一定的压缩比下其COP达最大值,见图3.在典型的空调工况下,=7.2.C,=32.C403o耋252.01510517l92I232527压缩比图3CO2跨临界循环的大G0P504540353o253035404550/℃图4最大G0P和的关系T3=40.c,并用理想压缩机,最大COP:3.61.计算表明,COP随的增加迅速下降,并随的增加而增加,见图4. 在本文中所有CO2的COP都是在给定条件下的最大值.4C02的回热循环对CO2来说,减少节流损失的有效途径之一就是采用回热循环.计算表明,当回热器中蒸气过热温度为25.C时,COP可提高6%,但压缩机的吸气量因过热度的提高而下降.见图5的相对值月与月d.6期马一太菩:c02跨临界(逆)循环的热力学分析6675C02双级压缩循环示于图6的双级压缩系统可有效地降低排气温度与单级压缩相似,在一定的压缩比尸4/下可达COP最大值.计算时中间压力=,/马××∈式中∈=1.0一l_2,根据不同工况进行调整,以保证=图7给出的结果指出,在相同的工况下,双级压缩比单级压缩的COP提高12～l4%.111OtJ.9《t1.807图5回热循环相对00P和吸气量与回热度DT1的关系图6双级压缩系统热力图6用膨胀机回收膨胀功图7单级和双级压缩系统的G0P理论上讲,在制冷循环中可以用膨胀机代替节流阀,以回收工质从高压到低压过程的膨胀功,原理图见图8.但这在传统的亚临界逆循环中几乎没有采用.原因是多方面的,如膨胀机工作在两相流条件下,膨胀功相对数量较小,工质的容积膨胀比很大(一般20—40),这样的膨胀机实现起来有许多技术上的困难.CO2跨临界循环的膨胀机同样也面临着许多难题,但比常规工质更具有可行性.如cO2的容积膨胀比是常规工质的十分之一,仅为2—4;其膨胀功所占的比例也较大,回收起来更有效益.如果设膨胀机的效率为0.65,压缩机的绝热效率为0.8,电机效率为0.9,采用四种循环模型:(1)简单循环,(2)单级压缩回热循环,嘭(3)双级压缩回热循环,(4)用膨胀气体冷却器机的单级压缩循环.在相同的条蔫发器件下,其循环实际cDP依次提高,图8有膨胀机的单级如图9所示-其中第(4)种模型是压缩系统一个很有研究和应用前景的方向图9四种模型的G0P值随的变化关系7热回收一C02循环的优势几乎所有空调系统都把冷凝熟释放到环境中,这是极大的浪费.但在传统空调系统的冷凝温度太低不便于回收.如果适当提高冷凝温度,空调系统可同时用于空气调节和热回收,COP会随之下降考虑一热泵系统,其热回收温度为一较高水平,如65.c.对霉工程热物理l9卷于R22循环,设=70.C,和与上述相同,计算得COPfL22=3.226.对于CO2循环COPco=3.725,其比值为1.12.可见在此系统中CO2可发挥重要作用.多年来人们在研究热泵循环时一直在寻求一种理想的工质,希望在蒸发过程中有较小的相变温差,以和自然界的低温热源相匹配;在冷凝过程中有较大的相变温差,以适应热泵采暖,热泵干燥等梯级放热的要求.CO2的跨临界循环正好能达到这一要求.8结论本文从热力学循环分析角度揭示了CO2跨(超)临界循环的特性,分析可得出:(1)COz具有优良的热力特性和环境特性,其跨临界循环有独特的热力学特性.(2)采用双级压缩回热循环,CO2循环的COP值可以和R22,R134a等常规循环相接近.(3)因Co2在跨临界循环中有很小的容积膨胀比和较大的膨胀功,其单级压缩亦可得到较高的COP,研究实现用膨胀机代替节流阀有非常重要的意义.(4)分析表明CO2跨临界循环可在热泵余热回收系统中发挥大的作用,达到冷热联供.致谢作者感谢美国伊利诺大学空调制冷研究中心主任ClarkW.Bullard对论文研究工作提供的方便和建议.参考文献1w_lJi&nHMotz.PrinciplesofRefrigeration,Nickerson&CollinsCo.Chicago. 1932GuatavLocentzcn,JosteinPettersen.ANewEl丑cientandEnvironmentallyBenignSystemforCarAi卜ConditioningInt.JRefrig.16r1:2l4【司Jc~teinPettersenAnEfficientNewAutomobileAi卜ConditioningSystemDasedonCO2VaporCompressionASHARE.Tra珊.1994.057MSonnekalb.JKohle~.AI卜ConditioningUnitUsingCOaa日RefrigerantInstalledinaBus.Intern~tionaIConferen∞oROzoneProtectionTechnologies.0ct21-23.1996Washington[5]JWertenbacb,JMaue.COaRefrigerationSysteminAutomobileAi卜Conditi.ning.InternationaI ConfexenceonOzoneProtectionTechnologies.Oct2I_231996Wemhington THERMoDYNAMICANALYSIS0FC0,TRANSCRITICALCYCLEMAYitaiYANGZhaoL寸Canreu(Therma/EnergyResearv~ht如TianfinUniverslT/ard~300072)AbstractCo2isasafenatrualrefHgerantwhichhadbeenandwillbewidelyusedinaircondi—tioningandheatpumpsystemsThethernodynamicanalysisoftheC02transcritiealcycle ispresentedinthispaper.TheresultshowsthattheC02cyclesoffersheatrecoverybenefit asahepumpsystem.ItispossiblethattheCOPvalueofC02cycleCancompetewith thoseofR22orR134a-ftwostagecompressionsystemoranexpandersystemareused. KeywordsCO2(R744),transcrlticulcycle,heatpump1expander。