二氧化碳雙級冷熱聯(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、低碳是當今相關技術發(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)，開始被人們關注及大范圍的使用。近年我國熱泵行業(yè)呈現(xiàn)出高速增長的態(tài)勢，熱泵熱水器的市場潛力巨大，并且二氧化碳壓縮機的研究發(fā)展已經(jīng)多年[2]，同時眾多學者也對二氧化碳熱泵的制熱性能和應用效果做了研究[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，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熱水，但冷量大部分沒有得到有效的應用，提出了一種二氧化碳雙級冷熱聯(lián)供系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅可以提供高溫熱水而且還可以提供蒸發(fā)溫度最低為-50 ℃的制冷效果。對于一些冷熱都有需求的應用場合具有巨大的節(jié)能潛力。

1 二氧化碳雙級冷熱聯(lián)供系統(tǒng)的工作原理

1.1 系統(tǒng)描述

二氧化碳雙級冷熱聯(lián)供系統(tǒng)由二氧化碳跨臨界壓縮機、二氧化碳亞臨界壓縮機、氣冷器、恒壓閥、高壓儲液器、維持機組、回熱器、電子膨脹閥、板式蒸發(fā)器組成。

1.2 工作流程

二氧化碳雙級冷熱聯(lián)供系統(tǒng)工作流程[7]如圖1 所示，二氧化碳雙級冷熱聯(lián)供系統(tǒng)采用天然的二氧化碳制冷劑作為循環(huán)工質，二氧化碳亞臨界壓縮機將來自回熱器的低溫低壓的氣態(tài)二氧化碳壓縮后排出與高壓儲液器中的閃發(fā)氣體混合后一起進入二氧化碳跨臨界壓縮機的吸氣端繼續(xù)被壓縮為高壓高溫的二氧化碳氣體排出，進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)楦邷責崴?，且溫度可以接近二氧化碳排氣溫度，二氧化碳換熱后被冷卻為高壓液態(tài)，通過恒壓閥進入高壓儲液器中，從高壓儲液器流出通過回熱器后被降溫，然后通過電子膨脹閥節(jié)流后進入到板式蒸發(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，通過回熱器繼續(xù)吸收熱量，盡量保證進入二氧亞臨界壓縮機吸氣端的二氧化碳氣體有一定的過熱度，完成整個循環(huán)。維持機組可以保證系統(tǒng)在長時間停機過程，穩(wěn)定高壓儲液器內的罐內壓力。

圖1 二氧化碳雙級冷熱聯(lián)供系統(tǒng)工作流程

2 二氧化碳雙級冷熱聯(lián)供系統(tǒng)的試驗研究

2.1 試驗裝置介紹

試驗在低溫試驗室進行，試驗裝置由室內外環(huán)境間、工況機（空氣處理機組、壓冷機組、恒溫水箱、加熱加濕系統(tǒng)、冷水機組等）、測試用儀器儀表構成，所用儀器儀表準確度均滿足標準的規(guī)定并校驗合格且在有效期內，確保測試結果的準確性，試驗室原理如圖2 所示。圖2 中，1 是室內側環(huán)境間，2 是室外側環(huán)境間，是冷卻塔，4～9 是恒溫水箱，5 是室內側空氣處理機組，6 是室外側空氣處理機組，10 是除濕機，11～16 是壓冷機組。

圖2 試驗室原理

2.2 蒸發(fā)溫度對系統(tǒng)制冷COP 的影響

當二氧化碳雙級冷熱聯(lián)供系統(tǒng)的氣冷器出口溫度在20 ℃工況下時，系統(tǒng)的制冷COP 會隨著蒸發(fā)溫度的降低而衰減（圖3），當蒸發(fā)溫度達到-50 ℃時，整個系統(tǒng)的制冷COP 仍能達到1.26（表1），高于常規(guī)的制冷劑的單級制冷效率，可以為用戶減小制冷需求的運行費用。

表1 二氧化碳雙級冷熱聯(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

2.3 氣冷器出口溫度對系統(tǒng)制熱COP 的影響

當二氧化碳雙級冷熱聯(lián)供系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度在-25 ℃工況下時，系統(tǒng)的制熱COP隨著氣冷器出口溫度的升高而降低，當氣冷器出口溫度高于臨界溫度，制熱COP的衰減趨勢明顯，出現(xiàn)急劇下降（圖4）；當氣冷器出口溫度達到15 ℃時，系統(tǒng)制熱COP 最高、可達到3.01（表2），且系統(tǒng)排氣溫度較高，可達到100 ℃以上，因此可以得到較高溫度的高溫熱水，系統(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

3 系統(tǒng)優(yōu)點

該系統(tǒng)相較于目前的其他系統(tǒng)，具有如下優(yōu)勢：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、相關材料化學反應少，臭氧層破壞潛能值為0，全球變暖潛能值為1，并已經(jīng)被證明是對人類無害的物質，目前受到了制冷學術及行業(yè)界的一致關注；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、導熱系數(shù)高、動力黏度低的性質，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)越的熱力學性能；③該系統(tǒng)能夠全部回收冷凝熱，產出高溫熱水。

4 應用領域

該系統(tǒng)產出的高溫熱水可廣泛應用在屠宰行業(yè)、紡織印染和石油化工行業(yè)，尤其在肉類加工屠宰場中，它會顯現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢，可節(jié)約能源和大量的運行成本。系統(tǒng)產出的中溫熱水還可用于民用建筑及商用建筑的采暖系統(tǒng)，尤其是在中國北方低寒地區(qū)集中供暖項目效果顯著。系統(tǒng)的設計最低蒸發(fā)溫度可達到-50 ℃，可廣泛應用于各類冷庫行業(yè)。

5 結束語

二氧化碳制冷循環(huán)系統(tǒng)在可以提供高溫熱水的情況下還可以提供超低溫的制冷效果，工程應用前景巨大。同時由于該系統(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)相對與其他制冷劑循環(huán)，具有顯著優(yōu)點。二氧化碳冷媒作為環(huán)境友好冷媒，其應用領域已經(jīng)在逐步擴大。目前二氧化碳產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)，一定會迎來爆發(fā)性增長。