二氧化碳雙級(jí)冷熱聯(lián)供系統(tǒng)的探討

沈鵬飛，張小梅，劉 倩，李 璐，李麗娜，李德欣

（1.合肥通用機(jī)械研究院有限公司，安徽合肥 230031；2.黑龍江愛科德科技有限公司，黑龍江哈爾濱 150000）

0 引言

隨著環(huán)保要求的提高以及廣大民眾對(duì)采暖及熱水的需求提升，采暖及熱水所消耗的能耗也顯著增大，目前采暖及熱水所消耗的能耗已經(jīng)超過了建筑總能耗的50%[1]。節(jié)能、環(huán)保、低碳是當(dāng)今相關(guān)技術(shù)發(fā)展的方向，作為自然冷媒的二氧化碳由于其環(huán)保、無毒，及特別的跨臨界循環(huán)，開始被人們關(guān)注及大范圍的使用。近年我國(guó)熱泵行業(yè)呈現(xiàn)出高速增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)，熱泵熱水器的市場(chǎng)潛力巨大，并且二氧化碳?jí)嚎s機(jī)的研究發(fā)展已經(jīng)多年[2]，同時(shí)眾多學(xué)者也對(duì)二氧化碳熱泵的制熱性能和應(yīng)用效果做了研究[3-6]。常規(guī)的二氧化碳跨臨界循環(huán)的氣冷過程在與水換熱時(shí)，水的出口溫度可以更接近排氣溫度，因此可以制取較高溫度的高溫?zé)崴淞看蟛糠譀]有得到有效的應(yīng)用，提出了一種二氧化碳雙級(jí)冷熱聯(lián)供系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅可以提供高溫?zé)崴疫€可以提供蒸發(fā)溫度最低為-50 ℃的制冷效果。對(duì)于一些冷熱都有需求的應(yīng)用場(chǎng)合具有巨大的節(jié)能潛力。

1 二氧化碳雙級(jí)冷熱聯(lián)供系統(tǒng)的工作原理

1.1 系統(tǒng)描述

二氧化碳雙級(jí)冷熱聯(lián)供系統(tǒng)由二氧化碳跨臨界壓縮機(jī)、二氧化碳亞臨界壓縮機(jī)、氣冷器、恒壓閥、高壓儲(chǔ)液器、維持機(jī)組、回?zé)崞鳌㈦娮优蛎涢y、板式蒸發(fā)器組成。

1.2 工作流程

二氧化碳雙級(jí)冷熱聯(lián)供系統(tǒng)工作流程[7]如圖1 所示，二氧化碳雙級(jí)冷熱聯(lián)供系統(tǒng)采用天然的二氧化碳制冷劑作為循環(huán)工質(zhì)，二氧化碳亞臨界壓縮機(jī)將來自回?zé)崞鞯牡蜏氐蛪旱臍鈶B(tài)二氧化碳?jí)嚎s后排出與高壓儲(chǔ)液器中的閃發(fā)氣體混合后一起進(jìn)入二氧化碳跨臨界壓縮機(jī)的吸氣端繼續(xù)被壓縮為高壓高溫的二氧化碳?xì)怏w排出，進(jìn)入到氣體冷卻器中與低溫水換熱，將熱量傳遞給低溫水，低溫水被加熱后變?yōu)楦邷責(zé)崴覝囟瓤梢越咏趸寂艢鉁囟龋趸紦Q熱后被冷卻為高壓液態(tài)，通過恒壓閥進(jìn)入高壓儲(chǔ)液器中，從高壓儲(chǔ)液器流出通過回?zé)崞骱蟊唤禍兀缓笸ㄟ^電子膨脹閥節(jié)流后進(jìn)入到板式蒸發(fā)器與冷凍水換熱，蒸發(fā)吸收冷凍水熱量后變?yōu)榈蜏氐蛪旱臍鈶B(tài)二氧化碳，通過回?zé)崞骼^續(xù)吸收熱量，盡量保證進(jìn)入二氧亞臨界壓縮機(jī)吸氣端的二氧化碳?xì)怏w有一定的過熱度，完成整個(gè)循環(huán)。維持機(jī)組可以保證系統(tǒng)在長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)過程，穩(wěn)定高壓儲(chǔ)液器內(nèi)的罐內(nèi)壓力。

圖1 二氧化碳雙級(jí)冷熱聯(lián)供系統(tǒng)工作流程

2 二氧化碳雙級(jí)冷熱聯(lián)供系統(tǒng)的試驗(yàn)研究

2.1 試驗(yàn)裝置介紹

試驗(yàn)在低溫試驗(yàn)室進(jìn)行，試驗(yàn)裝置由室內(nèi)外環(huán)境間、工況機(jī)（空氣處理機(jī)組、壓冷機(jī)組、恒溫水箱、加熱加濕系統(tǒng)、冷水機(jī)組等）、測(cè)試用儀器儀表構(gòu)成，所用儀器儀表準(zhǔn)確度均滿足標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定并校驗(yàn)合格且在有效期內(nèi)，確保測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性，試驗(yàn)室原理如圖2 所示。圖2 中，1 是室內(nèi)側(cè)環(huán)境間，2 是室外側(cè)環(huán)境間，是冷卻塔，4～9 是恒溫水箱，5 是室內(nèi)側(cè)空氣處理機(jī)組，6 是室外側(cè)空氣處理機(jī)組，10 是除濕機(jī)，11～16 是壓冷機(jī)組。

圖2 試驗(yàn)室原理

2.2 蒸發(fā)溫度對(duì)系統(tǒng)制冷COP 的影響

當(dāng)二氧化碳雙級(jí)冷熱聯(lián)供系統(tǒng)的氣冷器出口溫度在20 ℃工況下時(shí)，系統(tǒng)的制冷COP 會(huì)隨著蒸發(fā)溫度的降低而衰減（圖3），當(dāng)蒸發(fā)溫度達(dá)到-50 ℃時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)的制冷COP 仍能達(dá)到1.26（表1），高于常規(guī)的制冷劑的單級(jí)制冷效率，可以為用戶減小制冷需求的運(yùn)行費(fèi)用。

表1 二氧化碳雙級(jí)冷熱聯(lián)供系統(tǒng)制冷COP

圖3 系統(tǒng)制冷COP 隨蒸發(fā)溫度的變化趨勢(shì)

2.3 氣冷器出口溫度對(duì)系統(tǒng)制熱COP 的影響

當(dāng)二氧化碳雙級(jí)冷熱聯(lián)供系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度在-25 ℃工況下時(shí)，系統(tǒng)的制熱COP隨著氣冷器出口溫度的升高而降低，當(dāng)氣冷器出口溫度高于臨界溫度，制熱COP的衰減趨勢(shì)明顯，出現(xiàn)急劇下降（圖4）；當(dāng)氣冷器出口溫度達(dá)到15 ℃時(shí)，系統(tǒng)制熱COP 最高、可達(dá)到3.01（表2），且系統(tǒng)排氣溫度較高，可達(dá)到100 ℃以上，因此可以得到較高溫度的高溫?zé)崴到y(tǒng)整體制熱效果優(yōu)于傳統(tǒng)制冷劑的制熱效果。

表2 二氧化碳雙級(jí)冷熱聯(lián)供系統(tǒng)制熱COP

圖4 系統(tǒng)制熱COP 隨氣冷器出口溫度的變化趨勢(shì)

3 系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)

該系統(tǒng)相較于目前的其他系統(tǒng)，具有如下優(yōu)勢(shì)：①采用的制冷劑為環(huán)保制冷劑，二氧化碳作為純天然制冷劑，無毒、不可燃、相關(guān)材料化學(xué)反應(yīng)少，臭氧層破壞潛能值為0，全球變暖潛能值為1，并已經(jīng)被證明是對(duì)人類無害的物質(zhì)，目前受到了制冷學(xué)術(shù)及行業(yè)界的一致關(guān)注；②單位容積制冷量較大，二氧化碳處于超臨界流體狀態(tài)，比熱大、導(dǎo)熱系數(shù)高、動(dòng)力黏度低的性質(zhì)，使其具有比液體和氣體更佳的傳輸性能和傳熱特性，傳熱效率高，具有優(yōu)越的熱力學(xué)性能；③該系統(tǒng)能夠全部回收冷凝熱，產(chǎn)出高溫?zé)崴?/p>

4 應(yīng)用領(lǐng)域

該系統(tǒng)產(chǎn)出的高溫?zé)崴蓮V泛應(yīng)用在屠宰行業(yè)、紡織印染和石油化工行業(yè)，尤其在肉類加工屠宰場(chǎng)中，它會(huì)顯現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì)，可節(jié)約能源和大量的運(yùn)行成本。系統(tǒng)產(chǎn)出的中溫?zé)崴€可用于民用建筑及商用建筑的采暖系統(tǒng)，尤其是在中國(guó)北方低寒地區(qū)集中供暖項(xiàng)目效果顯著。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)最低蒸發(fā)溫度可達(dá)到-50 ℃，可廣泛應(yīng)用于各類冷庫(kù)行業(yè)。

5 結(jié)束語

二氧化碳制冷循環(huán)系統(tǒng)在可以提供高溫?zé)崴那闆r下還可以提供超低溫的制冷效果，工程應(yīng)用前景巨大。同時(shí)由于該系統(tǒng)使用了環(huán)保制冷劑，即節(jié)能而且環(huán)保。二氧化碳制冷循環(huán)相對(duì)與其他制冷劑循環(huán)，具有顯著優(yōu)點(diǎn)。二氧化碳冷媒作為環(huán)境友好冷媒，其應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)在逐步擴(kuò)大。目前二氧化碳產(chǎn)品存在成本過高的問題，但是隨著行業(yè)的飛速發(fā)展以及政府政策的扶植，成本會(huì)迅速下降。在不久后，二氧化碳制冷循環(huán)系統(tǒng)或其他自然制冷劑循環(huán)系統(tǒng)，一定會(huì)迎來爆發(fā)性增長(zhǎng)。