C02制冷技术的关键设备

压缩机

与常规制冷压缩机相比 ,CO2 压缩机的吸气压力约为 3 . 5 ～4 . 5 M Pa , 排气压力更是高达 8 ～12 M Pa ,工作压力高 , 压差大 , 压力比小。由于CO2 的单位容积制冷量大 ,在相同制冷量时 ,其体积约为 R134a 压缩机的 25 %。CO2 压缩机在大压差下运行 ,需要压力较高的油泵供油 ,导致热泵系统设计困难 ,而且润滑油也必须采取必要的措施以保证其温度不能过高。正是由于以上特点 ,CO2 压缩机的研究开发一直是压缩机行业的难点。尽管国外已经开发出一些样机或产品 ,但成果的关键技术都处于保密阶段 ,国内还未出现相关产品。意大利 OFFICIN EMARIODORIN 公司开发的半封闭式活塞压缩机(已开始批量生产 ,包括双缸单级和两级活塞压缩机。由于 CO2 输气量小且壳性。瑞士的苏黎世大学对应用在家庭热水器上的半封闭小型无油活塞式压缩机 进行了开发 研究 ,日本 DENSO 公司设计开发了用于 CO2 热水器的涡旋压缩机还有日本 M YCOM公司推出的 CO2 单级螺杆压缩机 ,主要应用于冷冻、空调系统 ,整个机组的设计是冷热同时利用 ,压缩机的排气用来加热热水 ,机组设油水蓄热槽 , 低温 CO2 用于制冷。


DORIN公司开发的半封闭式压缩机

ZURICH大学CO2无油压缩机

日本DENSO公司开发的CO2涡轮压缩机



膨胀机
CO2 膨胀机相当于制冷空调产品中的节流装置 ,是提高制冷量和降低压缩机输入功率的重要设备。理想膨胀机可以使系统性能提高 45 % ～75 % ,因此 ,开发 CO2 膨胀机已经成为推动 CO2 跨临界循环走向实际应用的重要途径。目前国际上对于 CO2 膨胀机的研究不多 ,缺乏公开的文献描述膨胀机原型机的研究和制造 ,有一些机构和大学正在进行相关内容的研究 ,初步成果和样机已申报了专利。挪威科技大学 N TNU 实验室的 Tondell进行了 CO2 透平膨胀机实验研究进行了 CO2 透平膨胀机实验研究喷管、主轴和涡轮等组成 ,其效率为 5 %～20 % ,主要是由于涡轮的直径过大 ,导致运行摩擦大 ,效率要是由于涡轮的直径过大 ,导致运行摩擦大 ,效率该膨胀机由 2 个汽缸、2 个活塞和连接杆组成 ,膨胀机排气容积为 2 ×13 . 26 cm3 ,设计转速 为 120 r/ min ,该样机的等熵效率约为 10 %。天津 大学热120 r/ min ,该样机的等熵效率约为 10 %。天津 大学热该膨胀机的绝热效率为 30 %以上 ,最高效率达到 46 %。
目前 ,将膨胀机应用于 CO2 制冷系统回收膨胀功的方法有:
①将发电机与膨胀机的输出轴连接 ,灵活应用其电力。
②将膨胀机的输出轴与压缩机的驱动轴连接 ,作为压缩动力的一部分。
③将膨胀机和压缩机作成一体结构 ,不向外部输出膨胀压力 回收作为压缩动力的一部分加以利用。




PUDUE大学开发的CO2活塞气缸膨胀机


天津大学开发的滚轮活塞式膨胀机示意图
气体冷却器/ 蒸发器
CO2 跨临界循环系统的运行压力较高 , 中国冷库网 并且CO2 有良好的传热特性和容积制冷量 ,因此 ,气体冷却器和蒸发器设计得更为紧凑、高效。对于气体冷却器 ,为了充分利用超临界过程的温度特性 ,冷却过程应尽量采用逆流式换热方式。CO2 气体冷却器主要有 2 种类型: 一种是用空气冷却 ,一般用于汽车空调、家用空调等方面;另一种是用水冷却主要是套管式和壳管式两种类型的换热器 ,常用于热泵热水器。目前 ,在 CO2 跨临界制冷循环系统中 ,微通道换热器代替传统的翅片管换热器是气体冷却器和蒸发器发展的趋势。微通道换热器的主要优点是高效、耐压、体积小、制冷剂充灌量少。
气体冷却器集管的横截面通常是圆形 ,内径略大于微通道管。由于 CO2 系统中的高压 ,设计双入口集管 ,可大大减少集管质量、尺寸和换热器内部面积。Pettersen 等设计开发的微通道气体冷却 器使用这种装置的 CO2 系统的CO P 显著提高。微通道蒸发器目前是汽车空调工业的研究课题 ,

汽车空调传统R134A蒸发器
图 所示的是一个大小适合于赛车的 CO2 换热器 ,它的左边是制冷量比前者低的传统 R134a 蒸发器。日本一些厂家已将 CO2热泵热水器推向市场 ,为了使系统更加紧凑高效 ,所空调领域的可能性 ,随后又对 CO2 汽车空调系统进行了样机实验。美国 U IUC 大学建立了相应的汽车空调实验台 ,对系统中回热器特性进行了研究 ,并与R134a 和 R410A 等工质进行了比较。Danfoss 建立了 CO2 跨临界汽车空调实验台 ,对系统的调节部件进行了分析和研究。Calsonic Kansei 公司公布的该公司 CO2 轿车空调研制方面的进展表明 ,CO2 汽车空调系统与 R134a 系统的制冷性能相当公司现已开始生产装备 CO2 汽车空调系统的轿车 ,Konvecta 公司生产的以 CO2 为工质的空调公交车已运行数年。这些研究和成果表明 ,CO2 跨临界循环用于汽车空调不仅具有环境方面的优势 ,而且在系统效率方面也有提高的潜力。

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