第9章：二氧化碳（R744）-新制冷剂
2019-07-06 14:35阅读：
第9章：二氧化碳（R744） - 新制冷剂
介绍和讨论
在制冷技术的早期，常用的两种制冷剂是氨和二氧化碳。两者都存在问题 -
氨是有毒的，二氧化碳需要极高的压力（大约30到200个大气压！）才能在制冷循环中运行，而且由于它在跨临界循环中运行，因此压缩机出口温度极高（约160°C）
）。当发现
氟利昂12（二氯 - 二氟甲烷）时
，它完全取代了作为首选制冷剂。它是一种非常稳定，无毒的液体，不与压缩机润滑剂相互作用，并且在总是略高于大气压的压力下运行，因此如果发生任何泄漏，空气不会泄漏到系统中，因此可以在没有压力的情况下进行充气，或抽真空。
不幸的是，当制冷剂最终泄漏并进入臭氧层时，紫外线辐射会破坏分子，释放高活性氯自由基，这会导致消耗臭氧层。
今天，氟里昂12已被禁止在全球范围内使用，并且基本上被无氯R134a（四氟乙烷）取代
- 虽然不如氟利昂12稳定，但它没有臭氧消耗特性。
然而，最近，国际科学共识是全球变暖是由人类能源相关活动引起的，并且
各种人造物质是基于全球变暖潜能值
（GWP）并参考二氧化碳（GWP =
1）来定义的。已经发现R134a的GWP为1300，而
在欧洲，在几年内，汽车空调系统将被禁止使用R134a作为制冷剂。
新的热门话题是将
二氧化碳重新请回来作为制冷剂。事实上，发现高压和高压缩机温度的前两个主要问题是有利的。非常高的循环压力导致整个循环中的高流体密度，允许系统小型化以获得相同的热泵功率要求。此外，高出口温度将允许汽车挡风玻璃的即时除霜（我们不必等到汽车发动机升温）并且可以用于家庭使用中的组合空间加热和热水加热。
请参阅以下相关网络资源：英文资料
空调加热和制冷（ACHR）新闻：二氧化碳作为制冷剂：跨临界循环
食品制造：为什么二氧化碳是一种可行的制冷剂替代 品
建筑绿色：使用二氧化碳作为制冷剂的热泵
艾默生气候对话：二氧化碳作为制冷剂
（包括13个链接网页）
丹佛斯：天然制冷剂 -
二氧化碳
环境领导者：汽车制造商开发二氧化碳剂空气调节
（包括
大众，戴姆勒，奥迪，宝马和保时捷）
二氧化碳性能表（R744）
我们无法找到任何公布的二氧化碳（R744）制冷剂表，因此决定创建我们自己的。以下一套表格是使用NIST
（美国国家标准与技术研究所）的软件开发的
，并且以适合评估制冷和热泵系统的格式进行组织。
二氧化碳R744的热力学性质
二氧化碳（R744）的Ph图
二氧化碳的hs图（R744）
使用二氧化碳制冷剂的热泵系统（R744）
除了是环境友好的流体之外，在家用空调/热泵系统环境中使用二氧化碳可能具有显着的优点。请考虑以下系统图：
请注意，除了用作空调/空间加热器之外，高压缩机出口温度还可用于提供比常规燃气或电热水器更经济的热水。因此，流向热水加热器的热量将气体从160冷却至70，并且流向空间加热器的热量进一步将气体温度降低至45。
为了确定出口站（4）的焓，我们需要考虑应用于内部热交换器的能量方程。由于我们假设它是外部绝热的，所有的热传递都是内部的，如下所示：
在Ph图上绘制上述方案的所有过程， 我们得到下图。请注意各种组件图表上的草图以及内部热交换器，指示从气体冷却器出口（3） -
（4）到压缩机入口（6） - （1）的热量流动。
问题9.1 - 使用R744制冷剂属性表来评估以下内容：
确定在压缩机上完成的工作[ 97 kJ / kg ]。
确定排放到热水器[ 164 kJ / kg ] 的热量，以及排放到空间加热器[ 97 kJ / kg ]的热量。
确定热水器的性能系数[ COP hw = 1.7 ]和空间加热器的性能系数[ COP 空间 = 1
]（回想一下COP被定义为所需的热传递除以压缩机上的功）。
确定空调器的性能系数[ COP a / c = 1.7 ]。（从Ph 图中可以看出，内部热交换器显着增加了空调的容量。）
问题9.2 - 对于以下附加问题，我们可以假设压缩机功率为1kW。（注意 - 我们可以使用COP值来回答这些问题 -
我们不需要评估制冷剂的质量流量）：
确定将30升水加热至30°C至60°C [ 2小时 ]所需的时间
在空调运行的夏季，确定流经蒸发器冷却管道的空气体积流量[ 5.1 m 3 / min
]，以便将空气温度从30°C降低到13°C。（注意 - 假设压力为100kPa，温度为25°C，以评估空气的比容）
在热泵运行的冬季，使用与上述相同的风扇，确定流过空间加热管的空气温度[ 10°C ]的升高。
问题9.3 - 注意压缩机不遵循等熵过程。这是一个实用的系统，其数据改编自先前的Visteon Corp.
汽车空调设计。在本练习中，您应该执行以下操作：
在上面提供的焓 - 熵（hs）图上绘制压缩机过程（1） - （2）。情节也等熵过程压缩机和（使用属性表）确定压缩机的等熵效率η
Ç。回想一下，压缩机等熵效率η Ç 被定义为在压缩机所做的实际工作分割完成的等熵工作。指示完成的等熵工作和hs 图上完成的实际工作。[
η c ^ = 74％ ]
//////////////////////////////////////////////////////
随着全球对能源效率的追求，人们重新引起对地热热泵的兴趣，这些热泵已经使用了70多年。基本上，这项技术依赖于这样一个事实：在地球表面以下几米处，全年温度保持相对恒定，冬季比空气上方的空气温暖，夏季则更温暖。根据David
White的
2009年春季通讯在俄亥俄州东南部，这个温度约为55°F（13°C）。这意味着我们可以设计一种热泵，它可以在冬季结合热水和空间加热，其中地球被用作热源（而不是外部空气），性能系数COP显着增加。同样，通过合适的阀门，我们可以在夏天使用相同的系统进行热水加热和空调，其中地球用作散热器，而不是外部空气。这是通过使用
接地回路 来实现的，以便与地球进行热传递，如“大众机械”网站：家庭地热能指南，当然还有无处不在的维基百科所述。另一个相关的网站标题
房主的地热资源 （感谢VT的Jericho的Aaron March，让我们知道这个有趣的网站 -
2011年11月21日。）
问题9.4 - 一台R744（CO2）家用地热热泵 -
众所周知，全球恒温仅在地表以下几米处。在这个问题中，我们希望评估一种旨在利用这种地下热源的系统。
解
-
我们希望对以下用于冬季热水和空间供暖的CO2家用地热热泵系统进行初步热力学分析。请注意，通过合适的阀门，该系统既可以在冬季
用于空间供暖，也可以在夏季 用于空调，全年都可以使用热水加热。
请注意，气体冷却器部分包括热水和空间加热器。我们假设50°C是家庭使用的合理的最高热水温度。
使用图表中显示的条件：
在下面提供的Ph
图上，仔细绘制了热泵的五个过程以及以下恒温线：50°C（热水），13°C（接地回路）和-10°C（室外空气温度）
使用R744属性表确定所有五个站的焓，并在Ph 图上验证并指出它们的值。
确定制冷剂R44的质量流量。[0.0167千克/秒]
确定热水器[2.42 kW] 吸收的功率和空间加热器吸收的 功率[1.5 kW]。
确定在20°C的初始温度下100升水达到所需的50°C热水温度[1小时26分钟]所需的时间。
确定热水器的性能系数（COP HW）（定义为热水吸收的热量除以压缩机上的功）[2.42]
确定热泵的性能系数（COP HP）（定义为热水和空间加热器吸收的总热量除以压缩机上的功）[3.92]
如果不使用地热水回路，系统参数需要进行哪些更改，并且需要蒸发器在-10°C时从外部空气吸收热量。绘制Ph
图上所需的新系统过程，并讨论使用地热地面回路热泵系统的优势。
/////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
冬季取暖与夏季降温比较
////////////////////////////////////////////////////////////////
附录
CO
2
属性表：
CO2属性表（Excel版）
数据来源：NIST
Chemistry WebBook
-
2007年3月访问
CO
2
属性的图表：
