CO2热泵热水器和热泵压缩机的发展.pdf

北京石油化工学院学报
第22卷第1期
Vol 22 No. 1
Journal of Beijing Institute of
2014年3月
Mar.2014
Petro-chemical Technology
CO2热泵热水器和热泵压缩机的发展
王磊2,俞建荣,董晓慧2,杨德宇,王岚3
(1.北京化工大学机电学院,北京100029;2.北京石油化工学院机械工程学院,北京102617;
3.北京工业大学机电学院,北京100022)
摘要:以CO2作为制冷工质的热泵热水器以其节能和环保等特点越来越受到人们的重视,介绍了
几种制冷工质的性质和CO2的跨临界循环。对CO2热泵热水器的国内外发展状况以及热泵系统中的
关键部件压缩机的发展状况作了介绍,并提出了现今CO2热泵热水器所需要解决的问题。
关键词:CO2;热泵热水器;压缩机;跨临界系统
中图分类号:TK05
文献标志码:A
在制冷业中制冷剂的选择越来越被人们所制冷剂存在。现今人们越来越追求自然工质的
重视,氟利昂制冷剂CFCs、CCL2F2(R22)因其制冷气体,其中二氧化碳制冷剂是一种存在大
破坏大气层,危及地球生命而渐渐被淘汰,根据气中的天然制冷剂,对臭氧层和地球生物没有
蒙特利尔协议书规定,将于2020年前全面淘危害,全球变暖指数很小(GWP=1),凭借自身
汰,由其他环保替代品代替,其中包括:R290、的环保、无毒、不可燃以及良好的热物理性能等
R404A、R407C、R410A、R411A、R417A、特点越来越受到人们的重视]。实验研究表
R1270、R744等。几种制冷剂的性质如表1明,在汽车空调和高温热泵领域中,跨临界
所示。这些新式制冷剂虽然对臭氧层的破坏性CO2循环的COP和传统工质的循环效率
不大,但是会造成很大的温室效应。随着人们相当。
的环保意识的增强,需要ODP=0,GWP=0的
表1几种制冷剂的性质
参数
R404A
R410A
R744
化学式
CHF2ClCH3 CH CH3HFC125/134a/143R32/125/134aR32/25
相对分子质量
72.5
ODP
0.045
0
3850
临界压力/MPa
临界温度/C
0℃容积制冷/(kg?m~3)43443870
3100
2947
4190
226000
氧化碳热泵循环系统
膨胀成为气体的循环过程。在不考虑热量损失
情况下,加热水的热量等于环境中吸收的热量
CO2热泵循环系统是通过压缩冷媒工质加上压缩机压缩气体所做的功。挪威科学家
CO2,产生的热量通过热交换器加热水来冷却 Gustay Lorentzen在1990年提出并获得二氧
气体,再通过蒸发器使气体从环境中吸收热量化碳热泵技术?,CO2热泵循环图如图1
所示。
收稿日期:2013-08-26
CO2的临界温度只有31C,和环境温度相
作者简介:王磊(1989),硕士生, E-mail; iamwl@126.om?当,在热泵循环中以CO2作为冷媒,很容易达
第1期
王磊等,CO2热泵热水器和热泵压缩机的发展
机系统的COP提高了100%;日本还生产一些
冷水
适用于低温地带的热泵系统,可以在-20C条
节流
热水
件下稳定工作。为了减少系统的工作噪声,三
洋公司采用两级转子式压缩机,使得工作更稳
蒸发器
压缩机
定,系统紧凑,减少震动和噪音,可以使370L
图]CO2热泵循环图
型机器噪声控制在37dB;三菱公司的300L和
370L型热泵热水器,在夜间模式下达到了37
到跨临界状况。跨临界CO)2系统工作压力高,dB的低噪音;其他几个厂家的产品基本上都达
目前压缩机的吸人压力达到3.5~4OMPa,出到了38dB左右。三洋后来通过改进他们的两
口压力高达8~12MPa,是传统制冷工制的5级转子式压缩机,使得在370L机型可以使
~10倍,导致在相同热量情况下,CO2压缩机COP达到4.9;大金克服了压缩机摩擦力和叶
的流量更小,因此二氧化碳压缩机比传统的压片尖端气体泄漏的问题,采用回转式压缩机,增
缩机在设计上要求更高。CO2的跨临界循环加了体积效率比
T-S图如图2所示门。
2.2国内发展状况
国内的CO2热泵系统研究比较晚,主要的
9 Mpa
研究单位是天津大学、上海交通大学、清华大学
等,2004年天津大学率先建立起第一个跨临界
CO2热泵系统。2012年中山大学的李建勋等
对国产全封闭式二氧化碳压缩机进行硏究发现
热源温
进水温度15~50℃,出水温度65~90C,测试
0.5
1.7
了不同进出水温度,不同压力下热泵系统的制
热量和COP变化,以及排气温度变化情况,研
图2CO2的跨临界循环T-S图
究表明此热泵系统能够稳定提供90℃以上热
由图2可知,1-2过程是气体在压缩机中水,同时在蒸发温度-20℃下,系统能稳定使
被压缩,气体压力和温度升高:2-3过程是气用,系统的效率在2~3.5之间。2012年重
体在热交换器中被水冷却,温度下降:3-4过灰大学徐肖肖等通过自建试验台,采用意大利
Dorin公司的半封闭活塞式二氧化碳压缩机
程中,气体通过节流,工质降压成为气体;4
研究了带喷射器的CO2热泵热水器的循环特
1过程是气体在蒸发器中通过吸收外界能量,
性,压缩机转速1450r/min,输人功率4k,研
熵增大。
究高压侧压力对制热系数、制热量、喷射系数和
2二氧化碳热泵热水器的发展
升压比等参数的影响,结果表明使用喷射器的
CO2热泵热水器系统的性能大幅提高。
2.1国外发展状况
自日本研制出热泵热水器以来,作为一种
1994年,挪威科学家 SINTEF率先对CO2。节能创新的产品,在日本市场迅速推广,并于近
跨临界循环进行研究,研究结果表明,把水温从几年在欧美市场中开始推广,由于日本政府在
9℃加热到65C,其能效比可以达到4.1,比电民用热泵热水器上的资金补贴,使得CO2热泵
热水器和燃气热水器节约能耗达到75%左热水器在日本的销售情况增加很快。图3显示
右。日本三洋( DENSO)公司在2000年第
了近几年口本热泵热水器的市场趋势。但其
个使用热泵热水器技术制造CO2热泵热水器,在中国市场还没有被推广,主要是价格太贵导
后来日本三菱、大金、松下等公司相继研发出适致的。因此国内正在研究CO2热泵热水器,使
用于民用的热泵热水器。大金公司采用滚动转其更节能化、轻便化、价格更便宜。
子式压缩机,使得CO2热泵系统COP高达
热泵用二氧化碳压缩机发展
4.0:日本三洋采用滚动活塞式压缩机,使得
COP提高了25%,可以达到3.5;松下电器采
状况
用渴旋式压缩机,COP比之前开发的两级压缩
二氧化碳压缩机的工作压力很大,气体的