CO2跨临界循环水源热泵系统的试验研究

　　0 引言

　　当前，大多数热泵热水机所用的工质为氢氯氟烃和氢氟烃(如R22，R134a和R410A等). 尽管它们具有无毒、不可燃、不爆炸、无刺激性的特点以及适中的压力和较高的制冷效率^[1-2]，但这些制冷剂对大气臭氧层的消耗潜能值(ODP)较低或为0，它们具有稳定的化学性能，一旦排放到大气中很难分解，导致全球变暖潜能(GWP)升高，还存在不可预知的潜在危险^[3]. 因此，寻找有效的绿色制冷剂替代品成为当前制冷剂研究发展的趋势.CO₂作为一种环保型的自然工质，其GWP很小，ODP为0^[4]. 在当前全球关注环境保护的形势下，将CO₂作为制冷设备的制冷工质具有独特的优势^[5]. 前国际制冷学会主席、挪威SINTEF 研究所G.Lorentzen等率先提出了CO₂跨临界循环理论，认为其在热泵领域将有重要的作用^[6]. 鉴于此，本文拟设计并搭建CO₂跨临界循环水源热泵系统试验台，对不同工况下运行的性能参数进行研究.

　　1 CO₂跨临界循环热泵系统的理论分析

　　CO₂的临界温度tcr= 31.1℃，临界压力Pcr=7.37MPa，如采用亚临界循环，则要求冷却介质温度Φ31.1℃，这将会使其应用范围缩小，而CO₂跨临界循环可以解决这个问题，其p-h图如图1所示，CO₂跨临界循环热泵系统的流程图如图2所示.

　　从图1可以看出: 进入蒸发器的CO₂制冷剂是在亚临界状态下完成蒸发过程的，工质在蒸发器中的换热过程是通过潜热交换进行的，其压力和温度均低于临界状态. 经过回热器过热的制冷剂蒸气经过压缩机压缩进入超临界状态，工质在气冷器中的冷却过程是通过显热交换进行的，而且冷却过程的温差比较大，刚好可以满足制取高温热水的需求.试验结果表明，CO₂跨临界循环热泵系统可以把水温最高提高到90℃，而传统工质的热泵热水机只能把水加热到50℃左右^[8]; 其蒸发潜热大，单位容积制冷量相当高，加上系统的压力很高，可显著减小换热器的尺寸，使系统结构更紧凑，从而节省空间.因此，CO₂在热泵领域的应用具有明显的优势.

　　图2中a-b为压缩机的压缩过程，把经过回热器过热的低温低压的CO₂蒸气压缩成高温高压的过热气体; b-c为从压缩机出来的高温高压气体经过气体冷却器向外散热，变成高压、低温的制冷剂气体; c-d为经过冷却的气体工质经过回热器进一步冷却，既减少节流损失，又可以过热进入压缩机的制冷剂气体; d-e为低温、高压制冷剂的节流过程，节流后变成低温、低压的制冷剂，进入两相状态; e-f为节流后的低温低压的两相制冷剂进入蒸发器中的蒸发过程，从低温热源吸收热量; f-a为节流后的制冷剂进入气液分离器进行气液分离，分离后的气体经过回热器过热变成过热蒸气，然后进入压缩机.