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www.elsevier.com/locate/pecs 1. 景區(qū)簡介................................................................... 120 1.1. 背景.............................................................. 120 1.2. 歷史和再造的CO2............................................ 122 1.3. 論文結構.......................................................... 123 2. 二氧化碳的性質....................................................... 123 2.1. 熱力學性質.................................................... 124 2.2. 運輸性質........................................................ 127 3. 跨臨界蒸汽壓縮循環(huán)................................................ 128 3.1. 跨臨界循環(huán)原理............................................. 128 3.2. 高側壓力的控制方法....................................... 129 3.2.1. 3.2.2. 高側電荷控制系統(tǒng).............................. 129 高側音量控制系統(tǒng).............................. 130 3.3. 熱力學損失..................................................... 131 3.4. 熱泵和熱回收跨臨界循環(huán)系統(tǒng)....................... 131 3.4.1. 在排熱溫度滑移................................. 131 3.4.2. 加熱和制冷能力的特點..................... 131 3.5. 方法溫度及其重要性........................................ 132 *相應作者.電話.:82-42-869-3089;傳真:82-42-869-3210. 電子郵件地址:kimmh@asme.org(M.-H.Kim). 0360-1285/$-seefrontmatterq2003PublishedbyElsevierLtd. doi:10.1016/j.pecs.2003.09.002 在CO2蒸氣壓縮系統(tǒng)的基本過程和系統(tǒng)設計問題 Man-HoeKima,*,JosteinPettersenb,ClarkW.Bullardc 機械工程系，韓國科學技術院，科學城，305-701大田，韓國 能源和過程工程，特隆赫姆挪威科技大學，NO-7491挪威， 機械與工業(yè)工程，伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校，1206西綠街，香檳，IL 61801，美國 2003.02..25 Received ：2003.0.9..15 accepted 本文介紹了最近的事態(tài)發(fā)展和國家的最先進的CO2跨臨界循環(huán)技術在各種制冷，空調和熱泵應用。重點將放在基本工藝和系統(tǒng)設計問題，包括特征和CO2，性質的討論循環(huán)的基礎，高側壓力的控制方法，熱力損失，周期的修改，部件/系統(tǒng)設計，安全因素，和有前途的應用領域。本文提供了一個文獻回顧，并討論了CO2在發(fā)展的重要趨勢和特點技術在制冷，空調和熱泵應用。先進的循環(huán)設計方案也作了介紹建議的基本周期可能的性能改進。 摘要 q 2003由Elsevier出版有限公司 關鍵詞：天然制冷劑；CO2（r-744）；跨臨界循環(huán)；蒸汽壓縮系統(tǒng)；制冷；空調；熱泵；壓縮機；換熱器 能量與燃燒科學進展30（2004）119-174 目錄  120 M.-H.Kimetal./能量與科學的進展30(2004)119–174 3.6. 跨臨界系統(tǒng)的能源效率分析.......................... 132 4. 改進周期 ................................................................ 133 4.1. 內部熱交換循環(huán).............................................. 133 4.2. 工作恢復擴張................................................. 134 4.3. 兩級循環(huán).......................................................... 135 4.4. 閃蒸氣體旁路 ............................................... 136 5. 傳熱與流體流動........................................................ 137 5.1. 超臨界流體的傳熱和壓降............................... 137 5.2. 流汽化的傳熱和壓降.................................. 138 5.3. 兩相流流型..................................................... 138 6. 高工作壓力的相關問題 ................................. 139 6.1. 高壓壓縮.................................................... 139 6.2. 高壓換熱................................................... 139 6.3. 緊湊的設備.................................................... 139 6.4. 高壓安全問題................................................ 140 6.4.1. 6.4.2. 爆炸能量.......................................... 140 沸騰的液體爆炸.............................. 141 7. 構件設計 .............................................................. 142 7.1. 壓縮機 ........................................................ 142 7.2. 換熱器............................................................ 144 7.2.1. 7.2.2. 7.2.3. 氣體冷卻 ........................................ 146 蒸發(fā)器.............................................. 148 內部熱交換器................................... 149 7.3. 其他成分 ...................................................... 150 7.3.1. 7.3.2. 7.3.3. 潤滑油............................................... 150 彈性體................................................. 150 閥門的控制........................................ 150 8. 應用領域.............................................................. 150 8.1. 汽車空調.................................................. 151 8.2. 汽車加熱......................................................... 154 8.3. 住宅冷卻.......................................................... 155 8.4. 住宅供暖 ......................................................... 156 8.4.1. 8.4.2. 直接加熱空氣...................................... 157 循環(huán)加熱空氣....................................... 159 8.5. 水加熱 ............................................................. 160 8.6. 環(huán)境控制單元................................................... 162 8.7. 冷藏運輸....................................................... 163 8.8. 商業(yè)制冷..................................................... 163 8.9. 烘干機.............................................................. 164 9.結束語............................................................. 165 致謝 ................................................................ 169 壓焓圖和CO2飽和特性 ................................. 169 參考文獻.............................................................. 169 在過去的幾十年里，制冷，空調，熱泵行業(yè)已被迫通過巨大改變去限制制冷劑造成的變化。轉換臭氧友好的無氯物質至今還未找到，作為HCFC流體仍然需要更換，主要涉及R-22空調和熱泵應用。HFC制冷劑曾經預期可以接受的永久性替代流體現在的調節(jié)物質，由于其對列表氣候變化[ 1 ]，并有越來越多 , 的關注將來使用。全球變暖潛力（GWP）是一指數，這是一種溫室氣體CO2的潛力。在100年期間排放。如表1所示，該HFCS GWP（R-134a，R407C，R-410A）是在1300–1900二氧化碳GWP1有關的命令；和HFCS都包括在溫室氣體覆蓋 1.1.背景 1.景區(qū)簡介  M.-H.Kimetal./能量與科學的進展30(2004)119–174 121 命名 Teai Tex 蒸發(fā)器的空氣入口溫度,8C 在氣體冷卻器出口處的制冷劑溫度, 8C 蒸發(fā)溫度, 8C 變暖影響總當量 容積, m3 室外空氣流量, m3/min 室內空氣流速, m3/min 比容積, m3/kg 特定壓縮機工作, kJ/kg 質量 COP 性能系數 cp Fc G 比熱,kJ/kgK 壓縮機轉矩Nm 質量通量,kg/m2s T0 TEWI V GWP h 全球變暖潛能 焓,kJ/kg Vc Ve v HPF HSPF HX w x 1 his k l m p r s IHX 內部熱交換器(吸入管路液體線換熱器) 有效性 等熵效率 L LMTD 內部熱交換器長度,m 對數平均溫差,8C or K 制冷劑充注量,kg 熱導率, W/mK 容積效率 粘度, kg/ms m mr NTU 制冷劑質量流量,g/s 傳質單元數 壓力比 密度, kg/m3 表面張力, N/m ODP P 臭氧消耗潛能 壓力,bar or MPa pm Pr Q 平均有效壓力e,bar 普朗克數 能量,kW 下標 熱通量,kW/m2 f 液體 蒸汽 q g q0 qv RH s 具體制冷量,kW/kg 容積制冷量,kJ/m3 相對濕度,% max opt pseudo ref 最大的 最佳的 偽臨界 參考點 熵,kJ/kgK 季節(jié)性能系數 溫度,8CorK SPF T 表一 一些制冷劑的特點 R-12 R-22 R-134a R-407Ca R-410Ab R-717 R-290 R-744 ODP/GWPc 1/8500 N/N 0.05/1700 N/N 0/1300 N/N 0/1600 N/N 0/1900 N/N 0/0 0/3 0/1 易燃性 /毒性 Y/Y Y/N 44.1 242.1 4.25 96.7 0.11 0.74 3907 ? N/N 分子量(kg/kmol) 正常沸點性(8C) 臨界壓力(MPa) 臨界溫度(8C) 減壓e 減溫f 制冷容積(kJ/m3) 120.9 229.8 4.11 86.5 240.8 4.97 102.0 226.2 4.07 86.2 243.8 4.64 72.6 252.6 4.79 17.0 44.0 278.4 7.38 31.1 0.47 0.90 22545 1869 233.3 11.42 133.0 0.04 112.0 0.07 96.0 101.1 0.07 86.1 70.2 0.10 0.11 0.16 0.71 0.74 0.73 0.76 0.79 0.67 2734 1931 4356 1936 2868 1990 4029 1998 6763 1998 4382 1859 作為制冷劑的第一個商業(yè)用途 a三元混合物的R-32/125/134a(23/25/52,%). b 二元混合物的R-32/125(50/50,%). c 全球變暖的潛在關系100年的積分時間，從政府間氣候變化專門委員會(IPCC). d ASRAE手冊2011基礎. e比飽和壓力在0攝氏度下的臨界壓力. f 273.15KF值（0 8C）在開爾文的臨界溫度. g 容量制冷量 at 08C. 供熱性能系數 供熱季節(jié)性能系數 換熱器  122 M.-H.Kimetal./ProgressinEnergyandCombustionScience30(2004)119–174 圖1論文對二氧化碳的數量作為一個主要的制冷劑在IIRGustav Lorentzen的天然工質會議。 CO2是一個老的制冷劑，因此它是自然的通過簡要回顧歷史開始的紙?zhí)肌钡南到y(tǒng)，本節(jié)概述的早期歷史，包括一些意見，為什么使用下降后的世界二次大戰(zhàn)。CO2最近的復蘇也進行了討論。在第一年的第二十個世紀，二氧化碳廣泛使用的一種制冷劑，主要的海洋生態(tài)系統(tǒng)，但在空調制冷和固定應用.Alexander Twining似乎是第一個提出的二氧化碳在他的1850名英國專利 京都議定書。京都協(xié)議尚未生效由于已批準它不是足夠的國家的數目，但肯定是京都精神獲得動力和一些將在合理的實現水平是否批準或不[ 2 ]。從2008開始，重點含氟化合物的溫室效應有LED到提出的逐步淘汰制冷劑R-134a在移動在歐盟的空調， 在這種情況下，這是不足為奇的行業(yè)尋找完全不同的長期的解決方案。而不是繼續(xù)尋找新的化學品，有一個越來越大的興趣在基于生態(tài)安全技術自然”的制冷劑，即流體如水，空氣，惰性氣體，碳氫化合物，氨和二氧化碳。在這些，二氧化碳（CO2，r-744）是唯一的非易燃non-toxic1流體，也可以在蒸汽壓縮操作周期在8C。因此，CO2所提供的潛力基于在系統(tǒng)環(huán)境和人身安全成熟的和成本有效的伊萬斯–帕金斯循環(huán)。 在10年的CO2是制冷重新發(fā)現”[ 3 ]，已經有相當大的增加的興趣和發(fā)展活動的國際。自1994，論文對CO2的數量作為一個主要的制冷劑在對自然的兩年一度的IIR會議上提出工作流體的增加顯著，圖1所示。 [ 4 ]制冷劑，但第一CO2系統(tǒng)直到19世紀60年代后期的建美國南卡羅來納州洛濤[ 5 ]。羅威，誰收到1867一個英國的專利，并沒有進一步發(fā)展自己的思想[ 6 ]。在歐洲，卡爾林德建立第一個CO2機1881 [ 7 ]。弗蘭茲溫德豪森德國先進的技術相當，并被授予英國專利1886。公司J.＆E廳在英國購買1887專利權后，進一步提高了技術，霍爾開始制造約1890[ 6 ]?；魻?889[5]第一級CO2機。主要應用在船舶制冷，一場在二氧化碳作為制冷劑–為主，直到19501960在圖2所示的【8】。 在歐洲，CO2的機器都是唯一的選擇，因為對有毒或易燃的使用受到法律的限制制冷劑的NH3和SO2 [ 9 ]。在美國，CO2用于制冷系統(tǒng)從1890左右，從約1900 [ 6 ]冷卻舒適。制冷應用包括小型蓄冷系統(tǒng)，食品市場，展示柜，廚房與餐廳 系統(tǒng)，而舒適冷卻系統(tǒng)安裝例如在客船，醫(yī)院，電影院和餐館。這些系統(tǒng)大多采用氯化鈣溶液作為載冷劑。壓縮機運行緩慢的雙或單動十字頭機大氣的曲軸箱壓力，和膨脹閥 通常是手動控制的類型。冷凝器經常的水冷式雙管單位[ 4 ] 安全與制冷劑的NH3和SO2給了CO2對船和公眾的偏好 建筑。常見的缺點，CO2有能力和高散熱損失低的警察 溫度，比其他常用制冷劑。尤其是在溫暖的氣候，這給了CO2的缺點。制冷劑在高壓下是難以遏制密封技術可在那個時候。通過操作超臨界高壓側壓力或不同的兩個階段安排，工作能力和效率損失可能減少，所謂的多個壓縮效應。 1 這是從呼吸的空氣和高濃度CO2的生理效應。最大容許濃度4–5%體積似乎是一個合理的限度。 圖2。在現有的海上貨物運輸設施按照Lloyd的寄存器[ 8 ]的主制冷劑的使用比例。 1.2.歷史和再造的CO2  M.-H.Kimetal./ProgressinEnergyandCombustionScience30(2004)119–174 123 在1905年，作為設計Voorhees，是其中的一個例子所作的改進。當超臨界高壓側手術是必要的，這是由充電更獲得制冷劑進入系統(tǒng) 隨著CFC流體在20世紀30年代和世紀40年代，這些“安全制冷劑的最終取代舊的在大多數應用中的工作流體。雖然主要 他們支持改進的安全性比較流體如氨和二氧化硫，二氧化碳也 通過這一過渡到CFC流離失所。沒有任何單一的原因為什么使用CO2下降，但許多因素可能導致。這些因素包括高壓遏制的問題，在高容量和效率損失溫度（使用空氣冷卻加重而不是水），CFC產品積極的市場營銷，在競爭系統(tǒng)的低成本的管組件，和一個失敗CO2的系統(tǒng)制造商提高和現代化 隨著CFC問題成為了一個迫切的問題在20世紀80年代后期，整個行業(yè)正在尋找可行的制冷劑替代。在挪威，教授古斯塔夫洛倫岑認為，老工質CO2能有一個復興。在1989國際專利申請[ 11 ]，他設計了一個“跨臨界二氧化碳循環(huán)系統(tǒng)，在高壓側壓力是由節(jié)流控制閥。一個應用程序系統(tǒng)汽車空調，一個主導部門全球CFC制冷劑排放，并應用在一種無毒、無可燃制冷劑需要。潛在的更緊湊的組件由于高壓力也是一個有趣的特征 1992，洛倫岑和佩特森[ 3 ]發(fā)表了第一篇實驗結果對原型CO2系統(tǒng)汽車空調。比較了一個國家的最先進的R-12系統(tǒng)和實驗室之間等換熱器尺寸的原型系統(tǒng)設計點的能力。雖然簡單的周期計算表明，CO2系統(tǒng)的效率不如，一些實際因素，實際這兩個系統(tǒng)相同的效率. 基于這些和其他的結果，CO2的興趣為制冷劑大大增加整個90年代，盡管阻力從氟碳行業(yè)[ 12 ]和汽車行業(yè)的[ 13 ]保守的部分。一個發(fā)展合作項目數發(fā)起的行業(yè)和研究機構，包括歐洲的工業(yè)財團項目“汽車空氣種族”空調，歐洲的coheps項目對CO2熱泵，和二氧化碳的活動在國際能源署（國際能源署）在正常的工作附件在CO2流體和選定的問題。 應用。世界上最近的研究結果表明可能的應用，介紹了為特定的目的和障礙需要克服商業(yè)化之前 歷史和再造的CO2已被引入在第1節(jié)，因為它不是一個新的制冷劑。CO2的熱力學和輸運性質的不同于傳統(tǒng)的制冷劑和所有對系統(tǒng)設計中的重要，尤其是對周期模擬，傳熱和壓降的計算。第2節(jié)提出的CO2及其性能的比較與其他制冷劑。3節(jié)討論一些跨臨界循環(huán)系統(tǒng)的特點。一個大的周期數的修改是可能的，包括壓縮和膨脹的分期，分流量，使用內部熱交換，和工作產生代替節(jié)流膨脹。這些選項在第4節(jié)討論。5部分介紹了傳熱在CO2系統(tǒng)壓降問題，其中重點介紹界流體的流量與蒸發(fā)。6部分論述了問題和相關的高的設計特點操作壓力。在CO2系統(tǒng)工作壓力通常是5–高10倍，比傳統(tǒng)的制冷劑，這給出了幾種效應的影響的組件和它們的性能設計。此外，高壓可能創(chuàng)造感知的安全問題，除非潛在的問題是解決好。7節(jié)介紹了CO2的系統(tǒng)和這些組件的設計問題障礙需要克服商業(yè)化之前。8節(jié)介紹了一些可能的應用特定的目的，如移動和住宅用空氣空調和熱泵應用，環(huán)境控制單元，熱泵熱水器可在市場，除濕機，商用制冷，熱回收系統(tǒng)。未來研究的挑戰(zhàn)和結語總結在第9節(jié)。 2.CO2的性質 制冷劑性質為熱泵系統(tǒng)的設計和它的組件是很重要的。CO2的性能是眾所周知的，他們是從所有的傳統(tǒng)制冷劑完全不同。表1比較和CO2與其他制冷劑[14,15]特性。二氧化碳是沒有臭氧消耗潛能和一個可以忽略不計的GWP自然不可燃制冷劑。蒸汽壓高，其容積制冷量（22545 kJ/m3在0 8C）是3大10倍–比CFC，HFC和HC的制冷劑HCFC。臨界壓力和溫度的CO2分別是7.38兆帕（73.8條）和31.1C。這不可能傳遞熱量給周圍高于此臨界溫度冷凝在傳統(tǒng)的蒸汽壓縮循環(huán)。該傳熱過程（冷卻）在跨臨界循環(huán)的臨界點的結果，即亞臨界和超臨界高壓側壓力偏低（為一個單級循環(huán)）。 1.3.論文的結構 本文提供了跨臨界CO2述評在各種制冷循環(huán)技術，空調和熱泵  124 M.-H.Kimetal./ProgressinEnergyandCombustionScience30(2004)119–174 下面的章節(jié)將討論CO2的熱力學性質和輸運，相比其他制冷劑。除非另有說明，所有的熱物理性質的計算使用EES（工 程方程求解器），采用狀態(tài)方程的高精度[ 22 ]。 Fig.3.PhasediagramofCO2. 高側壓力和溫度在超臨界區(qū)是不耦合的可獨立調節(jié)，以獲得最佳的運行條件。這可以從相圖的觀察CO2（圖3），溫度和三重壓力點分別為256.8C和0.5兆帕，在0攝氏度下的飽和壓力為3.5 MPa。減少的壓力在0 8C CO2為0.47（表1），這是遠高于那些傳統(tǒng)的流體。由于低的關鍵溫度高，減少CO2壓力，低側情況會更接近臨界點比傳統(tǒng)的制冷劑。 對于輸運性質（粘度和熱電導率），通過韋索維奇等人的工作。[ 16 ]是一個關鍵的參考。然而，改進的粘度數據通過fenghour等人發(fā)表。[ 17 ]。雖然早期的粘度數據是基于不一致的部分實驗的液體粘度數據和使用單獨的氣相、液相方程，1998出版的新的實驗數據為代表的整個熱力表面粘度方程。 rieberer [ 14 ]開發(fā)CO2性能的數據庫co2ref，涵蓋子和超臨界區(qū)域。的熱力學和輸運性質的基礎在co2ref是與從VDI吻合良好[ 18 ]中采用不同的狀態(tài)方程，盡管。ASHRAE[ 19 ]也提出了表格數據的熱物性二氧化碳的性質，包括從三聯點的臨界點（附錄A）。佩特森[ 20 ]提出了一些應用程序庫co2libCO2性能在師大/SINTEF發(fā)達，和他探討在蒸發(fā)特性的性質。Liley和德賽[ 21 ]提出的熱物理性質（比熱，導熱系數，粘度，聲音的速度，和表面張力）CO2表 格。 斯潘和瓦格納[ 23 ]，綜述了現有的數據在一個基本方程的亥姆霍茲自由能的顯式CO2的形式，提出了一種新的狀態(tài)方程的熱力學性質。在技術上最重要的地區(qū)為30兆帕的壓力和高達523 K的溫度下，該方程的范圍從^ 0.03密度^ 0.05%估計的不確定性，^ 0.03到1% ^在聲音的速度，和0.15至1.5%^等壓比熱。特別的興趣都集中在關鍵區(qū)域的描述和制劑的外推行為。請注意，CO2在EES[ 22 ]的熱力學性質提供使用的基本狀態(tài)方程開發(fā)的跨度和瓦格拉 23 ]。 Fig. 4. Pressure–enthalpy and temperature–entropy diagrams of CO2. (a) Pressure–enthalpy diagram, (b) Temperature–entropy diagram. 2.1.熱力學性質  M.-H.Kimetal./ProgressinEnergyandCombustionScience30(2004)119–174 125 . Fig.5.EnthalpyandentropychangesofCO2ingascoolingprocess. (a)Enthalpychange,(b)entropychange. Fig.7.SlopeofsaturationpressurecurvedT=dPforrefrigerants. 圖4給出了壓力–焓與溫度–CO2和更詳細的圖表熵圖可以在其他地方找到[ 14,19 ]（附錄A）。如圖5所示。在恒定的壓力，氣體冷卻過程的焓和熵的變化。在超臨界區(qū)，和熵與更多的突然變化的臨界點附近的溫度降低，熱焓。壓力影響的焓和熵在臨界溫度以上，而壓力的影響很小，低于臨界溫度隨著壓力的下降可能會允許更高 圖6和7的蒸汽壓力和邊坡的CO2飽和溫度曲線相比其他 流體。二氧化碳的蒸氣壓比其他制冷劑高得多，和高陡度的臨界點附近的對于一個給定的壓力變化提供了一個較小的溫度變化。因此，在蒸發(fā)器壓降相關的溫度變化將變得越來越小。 例如，在0攝氏度，溫度的變化CO2為1 kPa壓力降為約0.01 K.另一方面，隨著R - 410A型和R-134a相同的壓力降給0.04和0.10 K的溫度變化，分別，即約4–高10倍，如圖7所示。高蒸汽壓和接近臨界在液體完全不同的特征點的結果CO2蒸氣密度較其他制冷劑。高密度可能有顯著的影響兩相流流型在相密度的差異確定相分離的特點，和蒸汽密度對氣相流動的動量和剪切汽、液相[ 20 ]之間的力。圖8和9顯示密度在不同的溫度和CO2液的幾種制冷劑蒸氣密度比。隨溫度的迅速變化在CO2密度臨界點，和CO2的密度比小于其他制冷劑。在0 8C，例如，該量（927公斤/立方米）的蒸氣密度（98 kg/m3）的二氧化碳是10左右，而R - 410A型和R-134a的分別有65和89的密度比.  126 M.-H.Kimetal./ProgressinEnergyandCombustionScience30(2004)119–174 Fig.10.Volumetricrefrigerationcapacityforrefrigerants. Fig.8.DensityofCO2. Fig.9.Ratioofliquidtovapordensityatsaturationforrefrigerants. Fig.11.Surfacetensionforrefrigerants. R - 410A型和R-134a制冷劑蒸氣的密度分別為31和14公斤/立方米，分別為32和14%的CO2蒸氣密度，分別。CO2的低密度比可以提供更均勻的兩相流比其他制冷劑[ 24 ]。蒸氣密度比液體中起著重要的作用，因為它決定一個蒸發(fā)器的流動模式和傳熱系數 較高的蒸氣密度使二氧化碳的高容積制冷量，即蒸發(fā)蒸汽密度和潛熱的產品。溫度與二氧化碳增加的容積制冷量，有一個最大的在22 8C，然后再次下降。被定義為零的臨界點，如圖10所示 制冷劑的沸騰和兩相流動特性的影響，表面張力。一個小的表面張力降低的成核和生長所需的過熱蒸汽氣泡，這可能會產生積極的影響傳熱。潤濕性液體的表面張力的影響，從而影響蒸發(fā)傳熱。 小的表面張力降低液體表面的穩(wěn)定性可能會產生負面影響傳熱由于增加液滴的形成和夾帶[ 20 ]。圖11給出了飽和CO2液體表面張力在不同溫度下，相比其他流體。隨溫度的降低，制冷劑的表面張力為零的臨界點。如圖11所示，CO2的表面張力小于其它液體。例如在0 8C是0.0044 N / M，這是2.5倍小于R134a的在相同的溫度。CO2的表面張力數據可估計的基礎上出版Rathjen和施特勞[ 25 ]，和聲音數據的速度是由埃斯特拉達亞歷山大和特魯斯勒[ 26 ]源。 其中一個最重要的特性的超臨界流體在臨界點附近，其性質的變化 在一個等壓過程溫度迅速，特別是準臨界點附近（時的溫度 比熱成為對于一個給定的最大壓力）。這可以從圖中清楚地看到。12和13，其中等壓比熱和準臨界溫度描繪的。應該指出的是，1-ntu或對數平均溫差方法要求的比熱是恒定的在試驗段。  M.-H.Kimetal./ProgressinEnergyandCombustionScience30(2004)119–174 127 Fig.12.Isobaricspeci?cheatofCO2. Fig.13.Pseudocriticaltemperatureandmaximumisobaricspeci?c heatofCO2. 因此，當數據被使用的1-ntu或對數平均溫差法分析，應慎重調查是否比熱為常數。計算了CO2準臨界溫度使用下面的代數方程[ 27 ] Tpseudo=-122:6+6.124P-0.1657P2+01773P2:5 3 -0:0005608P ;75≤P≤140 ( 1 ) 在溫度和壓力分別為攝氏度和帕斯卡 2.2.輸運性質 制冷劑的傳輸性能起著重要的傳熱和壓降特性的作用。圖14 表明運輸的性質，這是導熱系數在亞臨界和超臨界壓力下的粘度在不同溫度下的。高導熱性傳熱系數在單相必不可少兩相流。粘度，特別是液相，比和液體到氣體的粘度，對流體流動特性的重要參數，對流特點和兩相 的傳熱及壓降。飽和CO2的液體的熱導率在0 C蒸氣20和60%分別高于R-134a的液體和蒸汽，而CO2液粘度只有40%的R-134a制冷劑液體的粘度，和兩個流體的汽粘度比[ 20 ]。 Fig. 14. Transport properties of CO2. (a) Thermal conductivity, (b)viscosity. 普朗特數對傳熱系數的一個重要參數。圖15描繪的超臨界液體/蒸氣CO2在不同溫度下的普朗特數。它已在準臨界溫度最大值與相應的比熱，和最大值隨壓力降低。對溫度的普朗特數的影響取決于壓力。普朗特數成為壓力高。60 C在臨界區(qū)域，而降低壓力時，溫度小于20攝氏度。這個結果在強烈變化的局部換熱系數依賴于溫度和壓力[ 14 ]。 總之，相比其他典型的制冷劑，CO2的熱力學和輸運性質似乎在傳熱與壓降的條件是有利的，  128 M.-H.Kimetal./ProgressinEnergyandCombustionScience30(2004)119–174 Fig.15.PrandtlnumberofCO2. Fig.16.TranscriticalcycleintheCO2pressure–enthalpydiagram. ex 3. 跨臨界蒸氣壓縮循環(huán) 相比傳統(tǒng)的制冷劑，二氧化碳的最顯著的特點是與CO2在正常制冷操作31.1 8C蒸氣壓縮系統(tǒng)的低臨界溫度，熱泵和空調的溫度將接近甚至部分高于7.38兆帕的臨界壓力的工作。散熱將在大多數情況下，在超臨界壓力下發(fā)生，導致系統(tǒng)中的壓力水平是高的，和周期是“跨”，即亞臨界和超臨界高壓側壓力偏低（一個單級循環(huán)）。本文討論了跨臨界循環(huán)系統(tǒng)的一些特點，。 3.1.跨臨界循環(huán)原理 在環(huán)境空氣溫度高下操作過程中的CO2跨臨界循環(huán)系統(tǒng)將運行在一個大部分時間散熱則發(fā)生在超臨界高壓側壓力冷卻壓縮流體。然而，如圖16所示，低邊條件仍然亞臨界。 在超臨界壓力，不飽和條件下存在和壓力是獨立的溫度。在常規(guī)的亞臨界循環(huán)，3點比焓是溫度的函數，但在超臨界條件下高側壓力也有明顯影響的焓。這種效應可以觀察到非垂直或S形在超臨界和近臨界區(qū)等溫線。這是一個重要的結果，它是必要的控制的高壓側壓力，因為在節(jié)流閥口將確定具體的制冷能力的壓力。如在傳統(tǒng)的系統(tǒng)中，壓縮機工作，從而性能將取決于排放壓力。然而，當性能有下降的趨勢與常規(guī)周期越來越大的壓力，在跨臨界循環(huán)的行為是完全不同的，將在下面的【28】所示。 那就是，“最佳”的壓力達到時，容量的邊際增加性能倍等于邊際增加工作。焓H1是恒定的。圖17中的曲線的COP值歸一化，Q0和W最優(yōu)高壓側壓力。在Tx=35 C時理論最大COP在8.7兆帕的壓力達到（87條），而在50 8C，最佳在13.1兆帕（131條）。 當高壓側壓力增加，COP達到最大以上的增加量不完全補償壓縮的額外的工作。在圖16中，可以發(fā)現，隨著壓力的增加，特克斯等溫線變得陡峭，從而減少能力增強，從一個給定的壓力增量。相反，等熵（壓縮）線顯示近線性形狀。相對于高壓側壓力冷卻COP=(H1–H3)/(H2-H3分化為COP =0最大COP在壓力Inokuty [ 29 ]的定義： 圖17顯示了不同的高壓側壓力對特定的制冷能力Q0理論的影響；具體的壓縮機的工作W冷卻COP。從氣體冷卻器出口溫度制冷劑被假定為是恒定的。在實踐中，這個溫度會一定程度高于冷卻劑入口溫度。曲線是基于理想循環(huán)計算，蒸發(fā)溫度T0 =5 C。最低的排熱溫度35 C（左）和50 C（右）。請注意，（圖17）所有曲線的歸一化。  M.-H.Kimetal./ProgressinEnergyandCombustionScience30(2004)119–174 129 Fig.17.In?uenceofvaryinghigh-sidepressureonspeci?crefrigeratingcapacityq0;speci?ccompressorworkwandCOPinatranscritical CO cycle.Theresultsarebasedonisentropiccompression,evaporatingtemperatureT 58CandarefrigerantoutlettemperatureT from 在實踐中，冷卻能力問曲線也將通過一個最大值，作為壓縮機容量下降在更高的放電壓力。在大多數情況下也會有一個容量最大，通常在一個較高的壓力比COP最大。 在CO2系統(tǒng)的高壓側壓力可能是亞臨界或超臨界。在亞臨界操作的情況下，系統(tǒng)將表現為傳統(tǒng)的系統(tǒng)，高側壓力的冷凝溫度的確定。然而在超臨界的操作，的情況下，在高壓側壓力之間的關系確定的制冷劑充灌量（質量），體積和溫度。制冷劑的性能可以通過以下形式的狀態(tài)方程描述： . : 高側壓力的調節(jié)可應用于保持在其最大或其性能來調節(jié)冷卻或加熱能力。最佳壓力穩(wěn)定，幾乎呈線性增加，特別提出，不同的蒸發(fā)溫度的影響是比較小的。 3.2.高側壓力的控制方法 結論，壓力控制的三個根本不同的方式[ 30 ] 雖然前兩個選項給主動壓力控制的可能性，最后一種方法實際上是一種被動的策略，制冷劑充量條件適合給壓力所需的變化隨溫度的變化。因此，為防止泄漏，溫度/壓力的關系會在使用無源方案時改變，這可能會導致能力和COP損失。 . 盡管高邊條件是超臨界的很大一部分時間，電路和控制系統(tǒng)的設計也必須為亞臨界（冷凝）高邊條件為好，因為這種類型的運行時會遇到的排熱溫度適中或低。 讓壓力的制冷劑溫度控制（T） 3.2.1.高側電荷控制系統(tǒng) 在電路高側變制冷劑充灌量（m） 在內部體積的變高側（V） 低壓緩沖系統(tǒng)。低壓緩沖系統(tǒng)包括低壓接收器在蒸發(fā)器出口電路，并采用重液分離系統(tǒng)，泵或噴射器循環(huán)。一個系統(tǒng)的蒸發(fā)器出口的低壓接收器在圖18所示的【11】。 在系統(tǒng)的高壓側壓力是由不同的高壓側制冷劑的電荷控制，電路必須包括控制制冷劑位于壓縮機出口和膨脹閥進口之間的瞬時流量。假定在電路的總制冷劑充注量是恒定的，制冷劑的緩沖區(qū)必須提供這樣高側電荷可以改變無驅或干燥的蒸發(fā)器。幾個緩沖容量的位置和控制的概念是可能的。各種解決方案可分為低壓、中壓緩沖系統(tǒng)。  130 M.-H.Kimetal./ProgressinEnergyandCombustionScience30(2004)119–174 Fig.18.Systemwithlow-pressurereceiver. 另一個系統(tǒng)與中間壓力緩沖區(qū)在圖20所示的【11】。在這里，接收器位于平行流電路，通過閥門連接到高和低側。這兩個閥和膨脹閥控制高壓側充壓。 Fig.20.Systemwithmedium-pressurereceiver. 高壓側壓力是通過調節(jié)膨脹閥控制，暫時改變壓縮機的質量流量和閥的流量之間的平衡。通過減少開閥，在閥的質量流量的暫時減少了在高側的制冷劑的積累，和壓力上升到一個新的平衡點之間的閥的流量和壓縮機流量被發(fā)現。在蒸發(fā)器出口蒸氣餾分可能會暫時上升，當壓力上升，和額外的高側電荷從低側緩沖器傳送。相反，閥門開度增大會降低高側電荷和壓力，和超高側電荷沉積作為液體在緩沖區(qū)。在實踐中，這樣的系統(tǒng)將在大多數情況下需要液體流血為接收返回的潤滑劑，壓縮機和保持蒸發(fā)器出口略濕的。剩余的液體可能是一種優(yōu)勢，當受的壓力升高，以避免干燥蒸發(fā)器。通過安裝一個內部（吸氣）換熱器，液體蒸發(fā)壓縮機入口前，COP和高散熱溫度的提高。內部熱交換的使用是在別的地方。 隨著介質壓力的緩沖系統(tǒng)。圖19顯示了一個系統(tǒng)，緩沖區(qū)被保持在一個中間壓力[ 11 ]。 在接收機的亞臨界壓力的情況下，從壓力調節(jié)閥的出口（一）將在飽和線在穩(wěn)態(tài)操作期間。接收器的壓力將適應這一點，因為蒸汽不能逃脫。的閥門開度調整臨時移動節(jié)流遠離飽和線的終點，以及由此產生的不平衡質量流率之間通過兩個閥門進行了大規(guī)模轉移到或從接收，從而影響高側電荷和壓力。 一個接收器位于壓力調節(jié)閥之間（一），控制高壓側壓力，和一個電子或熱力膨脹閥（B），調節(jié)液體流到蒸發(fā)器。接收器可以是超臨界或亞臨界壓力。 在超臨界壓力下的接收機，在緩沖區(qū)中的制冷劑的質量是通過改變緩沖壓力調節(jié)，從而改變壓縮流體密度。壓力可以控制壓縮機的排氣壓力和臨界壓力之間。一個大的接收器的體積可能是必要的為了獲得高側電荷變化的必要范圍。 3.2.2.高側音量控制系統(tǒng) 不同的質量，在高壓側壓力可通過調整電路的高側部的內部容積調節(jié)。對于一個給定的體積變化，最大的壓力變化將在盡可能低的溫度下得到的（高密度）。這使得氣體冷卻器出口制冷劑的音量控制裝置的理想位置。該裝置可在多種方式構建，包括波紋管裝置壓力容器或筒，活塞的位移定義制冷劑側的體積內。  M.-H.Kimetal./ProgressinEnergyandCombustionScience30(2004)119–174 131 緩沖區(qū)的設計必須考慮像潤滑劑誘捕裝置的音量控制通過機械或液壓驅動因素。 3.4. 熱泵和熱回收跨臨界循環(huán)系統(tǒng) 3.4.1. 在排熱溫度滑移 3.3.熱力學損失 這可以從圖21中看到，熱量從CO2循環(huán)滑翔溫度，為超臨界壓力單相制冷劑冷卻。冷卻的制冷劑的溫度分布從而與水或空氣升溫曲線進行加熱，從而減少熱力損失在水或空氣加熱。此功能可用于自來水加熱和/或循環(huán)加熱系統(tǒng)，熱泵，也可以給在制冷或空調系統(tǒng)熱回收的優(yōu)點。在應用中的熱量是不感興趣的，滑移溫度不是一個優(yōu)勢，因為散熱的平均溫度升高超過了必要的。 假設給定的蒸發(fā)溫度和給定的最小排熱溫度，跨臨界循環(huán)受到較大的熱力學損失比普通伊萬斯–帕金斯循環(huán)冷凝，圖21。由于散熱較高的平均溫度，和較大的節(jié)流損失，CO2比傳統(tǒng)制冷劑R-134a作為表明增加的理論工作循環(huán)。節(jié)流損失的制冷循環(huán)中的溫度之前和之后的節(jié)流裝置，通過制冷劑的性能。與溫度，制冷劑的性能成為必不可少的。鑒于高液體比熱和二氧化碳的臨界點附近的低蒸發(fā)焓，制冷量損失（和壓縮機的功率等于增加）變大。 在熱泵運行，CO2系統(tǒng)獲得最大COP在一定的高壓側壓力，按照上面的說明。通過提高超過這個水平的壓力，加熱能力可以增加或保持為降低蒸發(fā)溫度。盡管減少了警察，加熱的整體效率可能由于減少輔助加熱系統(tǒng)的二價提高。另一個特點是CO2循環(huán)的影響較小，加熱和制冷能力不同的蒸發(fā)溫度，使系統(tǒng)保持在低環(huán)境溫度高的加熱能力。這兩個原則中示出理想的周期圖22顯示，在加熱功率和加熱COP相對的變化與不同的蒸發(fā)溫度和CO2高端壓力[ 31 ]。類似的趨勢也可以為制冷量和制冷COP觀察。 Fig.21.ComparisonofthermodynamiccyclesforR-134aandCO intemperature–entropydiagrams,showingadditionalthermodyn- amic losses for the CO2 cycle when assuming equal evaporating temperatureandequalminimumheatrejectiontemperature. 事實上，在隨后的章節(jié)討論，最小的散熱溫度將在CO2循環(huán)是低時，散熱器入口的溫度和換熱器的大小是給定的。此外，蒸發(fā)溫度往往更高，對于一個給定的任務，熱源溫度，和換熱器的尺寸。最后，在壓縮機的損失，而不是如圖21所示，往往在低CO2機。 在水加熱應用，入口溫度通常是相當低的，與低入口溫度呈“三角”過程中的CO2排熱溫度