熱能與動(dòng)力工程本科畢業(yè)生外文翻譯.doc

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www.elsevier.com/locate/pecs 1. 景區(qū)簡(jiǎn)介................................................................... 120 1.1. 背景.............................................................. 120 1.2. 歷史和再造的CO2............................................ 122 1.3. 論文結(jié)構(gòu).......................................................... 123 2. 二氧化碳的性質(zhì)....................................................... 123 2.1. 熱力學(xué)性質(zhì).................................................... 124 2.2. 運(yùn)輸性質(zhì)........................................................ 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(cè)壓力的控制方法....................................... 129 3.2.1. 3.2.2. 高側(cè)電荷控制系統(tǒng).............................. 129 高側(cè)音量控制系統(tǒng).............................. 130 3.3. 熱力學(xué)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(diǎn)..................... 131 3.5. 方法溫度及其重要性........................................ 132 *相應(yīng)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(shè)計(jì)問題 Man-HoeKima,*,JosteinPettersenb,ClarkW.Bullardc 機(jī)械工程系，韓國科學(xué)技術(shù)院，科學(xué)城，305-701大田，韓國 能源和過程工程，特隆赫姆挪威科技大學(xué)，NO-7491挪威， 機(jī)械與工業(yè)工程，伊利諾伊大學(xué)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(jìn)的CO2跨臨界循環(huán)技術(shù)在各種制冷，空調(diào)和熱泵應(yīng)用。重點(diǎn)將放在基本工藝和系統(tǒng)設(shè)計(jì)問題，包括特征和CO2，性質(zhì)的討論循環(huán)的基礎(chǔ)，高側(cè)壓力的控制方法，熱力損失，周期的修改，部件/系統(tǒng)設(shè)計(jì)，安全因素，和有前途的應(yīng)用領(lǐng)域。本文提供了一個(gè)文獻(xiàn)回顧，并討論了CO2在發(fā)展的重要趨勢(shì)和特點(diǎn)技術(shù)在制冷，空調(diào)和熱泵應(yīng)用。先進(jìn)的循環(huán)設(shè)計(jì)方案也作了介紹建議的基本周期可能的性能改進(jìn)。 摘要 q 2003由Elsevier出版有限公司 關(guān)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(diào)；熱泵；壓縮機(jī)；換熱器 能量與燃燒科學(xué)進(jìn)展30（2004）119-174 目錄  120 M.-H.Kimetal./能量與科學(xué)的進(jìn)展30(2004)119–174 3.6. 跨臨界系統(tǒng)的能源效率分析.......................... 132 4. 改進(jìn)周期 ................................................................ 133 4.1. 內(nèi)部熱交換循環(huán).............................................. 133 4.2. 工作恢復(fù)擴(kuò)張................................................. 134 4.3. 兩級(jí)循環(huán).......................................................... 135 4.4. 閃蒸氣體旁路 ............................................... 136 5. 傳熱與流體流動(dòng)........................................................ 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(guān)問題 ................................. 139 6.1. 高壓壓縮.................................................... 139 6.2. 高壓換熱................................................... 139 6.3. 緊湊的設(shè)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(gòu)件設(shè)計(jì) .............................................................. 142 7.1. 壓縮機(jī) ........................................................ 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(nèi)部熱交換器................................... 149 7.3. 其他成分 ...................................................... 150 7.3.1. 7.3.2. 7.3.3. 潤(rùn)滑油............................................... 150 彈性體................................................. 150 閥門的控制........................................ 150 8. 應(yīng)用領(lǐng)域.............................................................. 150 8.1. 汽車空調(diào).................................................. 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(yùn)輸....................................................... 163 8.8. 商業(yè)制冷..................................................... 163 8.9. 烘干機(jī).............................................................. 164 9.結(jié)束語............................................................. 165 致謝 ................................................................ 169 壓焓圖和CO2飽和特性 ................................. 169 參考文獻(xiàn).............................................................. 169 在過去的幾十年里，制冷，空調(diào)，熱泵行業(yè)已被迫通過巨大改變?nèi)ハ拗浦评鋭┰斐傻淖兓?。轉(zhuǎn)換臭氧友好的無氯物質(zhì)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(diào)和熱泵應(yīng)用。HFC制冷劑曾經(jīng)預(yù)期可以接受的永久性替代流體現(xiàn)在的調(diào)節(jié)物質(zhì)，由于其對(duì)列表氣候變化[ 1 ]，并有越來越多 , 的關(guān)注將來使用。全球變暖潛力（GWP）是一指數(shù)，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(guān)的命令；和HFCS都包括在溫室氣體覆蓋 1.1.背景 1.景區(qū)簡(jiǎn)介  M.-H.Kimetal./能量與科學(xué)的進(jìn)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(dāng)量 容積, m3 室外空氣流量, m3/min 室內(nèi)空氣流速, m3/min 比容積, m3/kg 特定壓縮機(jī)工作, kJ/kg 質(zhì)量 COP 性能系數(shù) cp Fc G 比熱,kJ/kgK 壓縮機(jī)轉(zhuǎn)矩Nm 質(zhì)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(nèi)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(nèi)部熱交換器長(zhǎng)度,m 對(duì)數(shù)平均溫差,8C or K 制冷劑充注量,kg 熱導(dǎo)率, W/mK 容積效率 粘度, kg/ms m mr NTU 制冷劑質(zhì)量流量,g/s 傳質(zhì)單元數(shù) 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(shù) 能量,kW 下標(biāo) 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(duì)濕度,% max opt pseudo ref 最大的 最佳的 偽臨界 參考點(diǎn) 熵,kJ/kgK 季節(jié)性能系數(shù) 溫度,8CorK SPF T 表一 一些制冷劑的特點(diǎn) 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(diǎn)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(gè)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(guān)系100年的積分時(shí)間，從政府間氣候變化專門委員會(huì)(IPCC). d ASRAE手冊(cè)2011基礎(chǔ). 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(shù) 供熱季節(jié)性能系數(shù) 換熱器  122 M.-H.Kimetal./ProgressinEnergyandCombustionScience30(2004)119–174 圖1論文對(duì)二氧化碳的數(shù)量作為一個(gè)主要的制冷劑在IIRGustav Lorentzen的天然工質(zhì)會(huì)議。 CO2是一個(gè)老的制冷劑，因此它是自然的通過簡(jiǎn)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(fù)蘇也進(jìn)行了討論。在第一年的第二十個(gè)世紀(jì)，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(diào)制冷和固定應(yīng)用.Alexander Twining似乎是第一個(gè)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(zhǔn)它不是足夠的國家的數(shù)目，但肯定是京都精神獲得動(dòng)力和一些將在合理的實(shí)現(xiàn)水平是否批準(zhǔn)或不[ 2 ]。從2008開始，重點(diǎn)含氟化合物的溫室效應(yīng)有LED到提出的逐步淘汰制冷劑R-134a在移動(dòng)在歐盟的空調(diào)， 在這種情況下，這是不足為奇的行業(yè)尋找完全不同的長(zhǎng)期的解決方案。而不是繼續(xù)尋找新的化學(xué)品，有一個(gè)越來越大的興趣在基于生態(tài)安全技術(shù)自然”的制冷劑，即流體如水，空氣，惰性氣體，碳?xì)浠衔铮焙投趸?。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(xiàn)”[ 3 ]，已經(jīng)有相當(dāng)大的增加的興趣和發(fā)展活動(dòng)的國際。自1994，論文對(duì)CO2的數(shù)量作為一個(gè)主要的制冷劑在對(duì)自然的兩年一度的IIR會(huì)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(jì)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(gè)英國的專利，并沒有進(jìn)一步發(fā)展自己的思想[ 6 ]。在歐洲，卡爾林德建立第一個(gè)CO2機(jī)1881 [ 7 ]。弗蘭茲溫德豪森德國先進(jìn)的技術(shù)相當(dāng)，并被授予英國專利1886。公司J.＆E廳在英國購買1887專利權(quán)后，進(jìn)一步提高了技術(shù)，霍爾開始制造約1890[ 6 ]。霍爾1889[5]第一級(jí)CO2機(jī)。主要應(yīng)用在船舶制冷，一場(chǎng)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(jī)器都是唯一的選擇，因?yàn)閷?duì)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(yīng)用包括小型蓄冷系統(tǒng)，食品市場(chǎng)，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(jī)運(yùn)行緩慢的雙或單動(dòng)十字頭機(jī)大氣的曲軸箱壓力，和膨脹閥 通常是手動(dòng)控制的類型。冷凝器經(jīng)常的水冷式雙管單位[ 4 ] 安全與制冷劑的NH3和SO2給了CO2對(duì)船和公眾的偏好 建筑。常見的缺點(diǎn)，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(diǎn)。制冷劑在高壓下是難以遏制密封技術(shù)可在那個(gè)時(shí)候。通過操作超臨界高壓側(cè)壓力或不同的兩個(gè)階段安排，工作能力和效率損失可能減少，所謂的多個(gè)壓縮效應(yīng)。 1 這是從呼吸的空氣和高濃度CO2的生理效應(yīng)。最大容許濃度4–5%體積似乎是一個(gè)合理的限度。 圖2。在現(xiàn)有的海上貨物運(yùn)輸設(shè)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(shè)計(jì)Voorhees，是其中的一個(gè)例子所作的改進(jìn)。當(dāng)超臨界高壓側(cè)手術(shù)是必要的，這是由充電更獲得制冷劑進(jìn)入系統(tǒng) 隨著CFC流體在20世紀(jì)30年代和世紀(jì)40年代，這些“安全制冷劑的最終取代舊的在大多數(shù)應(yīng)用中的工作流體。雖然主要 他們支持改進(jìn)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?yàn)槭裁词褂肅O2下降，但許多因素可能導(dǎo)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(chǎn)品積極的市場(chǎng)營(yíng)銷，在競(jìng)爭(zhēng)系統(tǒng)的低成本的管組件，和一個(gè)失敗CO2的系統(tǒng)制造商提高和現(xiàn)代化 隨著CFC問題成為了一個(gè)迫切的問題在20世紀(jì)80年代后期，整個(gè)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(rèn)為，老工質(zhì)CO2能有一個(gè)復(fù)興。在1989國際專利申請(qǐng)[ 11 ]，他設(shè)計(jì)了一個(gè)“跨臨界二氧化碳循環(huán)系統(tǒng)，在高壓側(cè)壓力是由節(jié)流控制閥。一個(gè)應(yīng)用程序系統(tǒng)汽車空調(diào)，一個(gè)主導(dǎo)部門全球CFC制冷劑排放，并應(yīng)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(gè)有趣的特征 1992，洛倫岑和佩特森[ 3 ]發(fā)表了第一篇實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)原型CO2系統(tǒng)汽車空調(diào)。比較了一個(gè)國家的最先進(jìn)的R-12系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)室之間等換熱器尺寸的原型系統(tǒng)設(shè)計(jì)點(diǎn)的能力。雖然簡(jiǎn)單的周期計(jì)算表明，CO2系統(tǒng)的效率不如，一些實(shí)際因素，實(shí)際這兩個(gè)系統(tǒng)相同的效率. 基于這些和其他的結(jié)果，CO2的興趣為制冷劑大大增加整個(gè)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(gè)發(fā)展合作項(xiàng)目數(shù)發(fā)起的行業(yè)和研究機(jī)構(gòu)，包括歐洲的工業(yè)財(cái)團(tuán)項(xiàng)目“汽車空氣種族”空調(diào)，歐洲的coheps項(xiàng)目對(duì)CO2熱泵，和二氧化碳的活動(dòng)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(yīng)用。世界上最近的研究結(jié)果表明可能的應(yīng)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?yàn)樗皇且粋€(gè)新的制冷劑。CO2的熱力學(xué)和輸運(yùn)性質(zhì)的不同于傳統(tǒng)的制冷劑和所有對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的重要，尤其是對(duì)周期模擬，傳熱和壓降的計(jì)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(diǎn)。一個(gè)大的周期數(shù)的修改是可能的，包括壓縮和膨脹的分期，分流量，使用內(nèi)部熱交換，和工作產(chǎn)生代替節(jié)流膨脹。這些選項(xiàng)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(diǎn)介紹界流體的流量與蒸發(fā)。6部分論述了問題和相關(guān)的高的設(shè)計(jì)特點(diǎn)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(yīng)的影響的組件和它們的性能設(shè)計(jì)。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(shè)計(jì)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(yīng)用特定的目的，如移動(dòng)和住宅用空氣空調(diào)和熱泵應(yīng)用，環(huán)境控制單元，熱泵熱水器可在市場(chǎng)，除濕機(jī)，商用制冷，熱回收系統(tǒng)。未來研究的挑戰(zhàn)和結(jié)語總結(jié)在第9節(jié)。 2.CO2的性質(zhì) 制冷劑性質(zhì)為熱泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(gè)可以忽略不計(jì)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(diǎn)的結(jié)果，即亞臨界和超臨界高壓側(cè)壓力偏低（為一個(gè)單級(jí)循環(huán)）。 1.3.論文的結(jié)構(gòu) 本文提供了跨臨界CO2述評(píng)在各種制冷循環(huán)技術(shù)，空調(diào)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(xué)性質(zhì)和輸運(yùn)，相比其他制冷劑。除非另有說明，所有的熱物理性質(zhì)的計(jì)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(cè)壓力和溫度在超臨界區(qū)是不耦合的可獨(dú)立調(diào)節(jié)，以獲得最佳的運(yùn)行條件。這可以從相圖的觀察CO2（圖3），溫度和三重壓力點(diǎn)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(yuǎn)高于那些傳統(tǒng)的流體。由于低的關(guān)鍵溫度高，減少CO2壓力，低側(cè)情況會(huì)更接近臨界點(diǎn)比傳統(tǒng)的制冷劑。 對(duì)于輸運(yùn)性質(zhì)（粘度和熱電導(dǎo)率），通過韋索維奇等人的工作。[ 16 ]是一個(gè)關(guān)鍵的參考。然而，改進(jìn)的粘度數(shù)據(jù)通過fenghour等人發(fā)表。[ 17 ]。雖然早期的粘度數(shù)據(jù)是基于不一致的部分實(shí)驗(yàn)的液體粘度數(shù)據(jù)和使用單獨(dú)的氣相、液相方程，1998出版的新的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為代表的整個(gè)熱力表面粘度方程。 rieberer [ 14 ]開發(fā)CO2性能的數(shù)據(jù)庫co2ref，涵蓋子和超臨界區(qū)域。的熱力學(xué)和輸運(yùn)性質(zhì)的基礎(chǔ)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(shù)據(jù)的熱物性二氧化碳的性質(zhì)，包括從三聯(lián)點(diǎn)的臨界點(diǎn)（附錄A）。佩特森[ 20 ]提出了一些應(yīng)用程序庫co2libCO2性能在師大/SINTEF發(fā)達(dá)，和他探討在蒸發(fā)特性的性質(zhì)。Liley和德賽[ 21 ]提出的熱物理性質(zhì)（比熱，導(dǎo)熱系數(shù)，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(xiàn)有的數(shù)據(jù)在一個(gè)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(xué)性質(zhì)。在技術(shù)上最重要的地區(qū)為30兆帕的壓力和高達(dá)523 K的溫度下，該方程的范圍從^ 0.03密度^ 0.05%估計(jì)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(guān)鍵區(qū)域的描述和制劑的外推行為。請(qǐng)注意，CO2在EES[ 22 ]的熱力學(xué)性質(zhì)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(xué)性質(zhì)  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(xì)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(diǎn)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(huì)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(diǎn)附近的對(duì)于一個(gè)給定的壓力變化提供了一個(gè)較小的溫度變化。因此，在蒸發(fā)器壓降相關(guān)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(diǎn)的結(jié)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(diǎn)，和蒸汽密度對(duì)氣相流動(dòng)的動(dòng)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(diǎn)，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?yàn)樗鼪Q定一個(gè)蒸發(fā)器的流動(dòng)模式和傳熱系數(shù) 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(chǎn)品。溫度與二氧化碳增加的容積制冷量，有一個(gè)最大的在22 8C，然后再次下降。被定義為零的臨界點(diǎn)，如圖10所示 制冷劑的沸騰和兩相流動(dòng)特性的影響，表面張力。一個(gè)小的表面張力降低的成核和生長(zhǎng)所需的過熱蒸汽氣泡，這可能會(huì)產(chǎn)生積極的影響傳熱。潤(rùn)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(huì)產(chǎn)生負(fù)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(diǎn)。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(shù)據(jù)可估計(jì)的基礎(chǔ)上出版Rathjen和施特勞[ 25 ]，和聲音數(shù)據(jù)的速度是由埃斯特拉達(dá)亞歷山大和特魯斯勒[ 26 ]源。 其中一個(gè)最重要的特性的超臨界流體在臨界點(diǎn)附近，其性質(zhì)的變化 在一個(gè)等壓過程溫度迅速，特別是準(zhǔn)臨界點(diǎn)附近（時(shí)的溫度 比熱成為對(duì)于一個(gè)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(zhǔn)臨界溫度描繪的。應(yīng)該指出的是，1-ntu或?qū)?shù)平均溫差方法要求的比熱是恒定的在試驗(yàn)段。  M.-H.Kimetal./ProgressinEnergyandCombustionScience30(2004)119–174 127 Fig.12.Isobaricspeci?cheatofCO2. Fig.13.Pseudocriticaltemperatureandmaximumisobaricspeci?c heatofCO2. 因此，當(dāng)數(shù)據(jù)被使用的1-ntu或?qū)?shù)平均溫差法分析，應(yīng)慎重調(diào)查是否比熱為常數(shù)。計(jì)算了CO2準(zhǔn)臨界溫度使用下面的代數(shù)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(yùn)性質(zhì) 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(yùn)輸?shù)男再|(zhì)，這是導(dǎo)熱系數(shù)在亞臨界和超臨界壓力下的粘度在不同溫度下的。高導(dǎo)熱性傳熱系數(shù)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(duì)流體流動(dòng)特性的重要參數(shù)，對(duì)流特點(diǎn)和兩相 的傳熱及壓降。飽和CO2的液體的熱導(dǎo)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(gè)流體的汽粘度比[ 20 ]。 Fig. 14. Transport properties of CO2. (a) Thermal conductivity, (b)viscosity. 普朗特?cái)?shù)對(duì)傳熱系數(shù)的一個(gè)重要參數(shù)。圖15描繪的超臨界液體/蒸氣CO2在不同溫度下的普朗特?cái)?shù)。它已在準(zhǔn)臨界溫度最大值與相應(yīng)的比熱，和最大值隨壓力降低。對(duì)溫度的普朗特?cái)?shù)的影響取決于壓力。普朗特?cái)?shù)成為壓力高。60 C在臨界區(qū)域，而降低壓力時(shí)，溫度小于20攝氏度。這個(gè)結(jié)果在強(qiáng)烈變化的局部換熱系數(shù)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(xué)和輸運(yùn)性質(zhì)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(diǎn)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(diào)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(shù)情況下，在超臨界壓力下發(fā)生，導(dǎo)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(cè)壓力偏低（一個(gè)單級(jí)循環(huán)）。本文討論了跨臨界循環(huán)系統(tǒng)的一些特點(diǎn)，。 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(yùn)行在一個(gè)大部分時(shí)間散熱則發(fā)生在超臨界高壓側(cè)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(dú)立的溫度。在常規(guī)的亞臨界循環(huán)，3點(diǎn)比焓是溫度的函數(shù)，但在超臨界條件下高側(cè)壓力也有明顯影響的焓。這種效應(yīng)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(gè)重要的結(jié)果，它是必要的控制的高壓側(cè)壓力，因?yàn)樵诠?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(jī)工作，從而性能將取決于排放壓力。然而，當(dāng)性能有下降的趨勢(shì)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(dá)到時(shí)，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(cè)壓力。在Tx=35 C時(shí)理論最大COP在8.7兆帕的壓力達(dá)到（87條），而在50 8C，最佳在13.1兆帕（131條）。 當(dāng)高壓側(cè)壓力增加，COP達(dá)到最大以上的增加量不完全補(bǔ)償壓縮的額外的工作。在圖16中，可以發(fā)現(xiàn)，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(qiáng)，從一個(gè)給定的壓力增量。相反，等熵（壓縮）線顯示近線性形狀。相對(duì)于高壓側(cè)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(cè)壓力對(duì)特定的制冷能力Q0理論的影響；具體的壓縮機(jī)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(shí)踐中，這個(gè)溫度會(huì)一定程度高于冷卻劑入口溫度。曲線是基于理想循環(huán)計(jì)算，蒸發(fā)溫度T0 =5 C。最低的排熱溫度35 C（左）和50 C（右）。請(qǐng)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(shí)踐中，冷卻能力問曲線也將通過一個(gè)最大值，作為壓縮機(jī)容量下降在更高的放電壓力。在大多數(shù)情況下也會(huì)有一個(gè)容量最大，通常在一個(gè)較高的壓力比COP最大。 在CO2系統(tǒng)的高壓側(cè)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(xiàn)為傳統(tǒng)的系統(tǒng)，高側(cè)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(cè)壓力之間的關(guān)系確定的制冷劑充灌量（質(zhì)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(cè)壓力的調(diào)節(jié)可應(yīng)用于保持在其最大或其性能來調(diào)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(cè)壓力的控制方法 結(jié)論，壓力控制的三個(gè)根本不同的方式[ 30 ] 雖然前兩個(gè)選項(xiàng)給主動(dòng)壓力控制的可能性，最后一種方法實(shí)際上是一種被動(dòng)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(guān)系會(huì)在使用無源方案時(shí)改變，這可能會(huì)導(dǎo)致能力和COP損失。 . 盡管高邊條件是超臨界的很大一部分時(shí)間，電路和控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也必須為亞臨界（冷凝）高邊條件為好，因?yàn)檫@種類型的運(yùn)行時(shí)會(huì)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(cè)電荷控制系統(tǒng) 在電路高側(cè)變制冷劑充灌量（m） 在內(nèi)部體積的變高側(cè)（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(gè)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(cè)壓力是由不同的高壓側(cè)制冷劑的電荷控制，電路必須包括控制制冷劑位于壓縮機(jī)出口和膨脹閥進(jìn)口之間的瞬時(shí)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(cè)電荷可以改變無驅(qū)或干燥的蒸發(fā)器。幾個(gè)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(gè)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(cè)。這兩個(gè)閥和膨脹閥控制高壓側(cè)充壓。 Fig.20.Systemwithmedium-pressurereceiver. 高壓側(cè)壓力是通過調(diào)節(jié)膨脹閥控制，暫時(shí)改變壓縮機(jī)的質(zhì)量流量和閥的流量之間的平衡。通過減少開閥，在閥的質(zhì)量流量的暫時(shí)減少了在高側(cè)的制冷劑的積累，和壓力上升到一個(gè)新的平衡點(diǎn)之間的閥的流量和壓縮機(jī)流量被發(fā)現(xiàn)。在蒸發(fā)器出口蒸氣餾分可能會(huì)暫時(shí)上升，當(dāng)壓力上升，和額外的高側(cè)電荷從低側(cè)緩沖器傳送。相反，閥門開度增大會(huì)降低高側(cè)電荷和壓力，和超高側(cè)電荷沉積作為液體在緩沖區(qū)。在實(shí)踐中，這樣的系統(tǒng)將在大多數(shù)情況下需要液體流血為接收返回的潤(rùn)滑劑，壓縮機(jī)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(shì)，當(dāng)受的壓力升高，以避免干燥蒸發(fā)器。通過安裝一個(gè)內(nèi)部（吸氣）換熱器，液體蒸發(fā)壓縮機(jī)入口前，COP和高散熱溫度的提高。內(nèi)部熱交換的使用是在別的地方。 隨著介質(zhì)壓力的緩沖系統(tǒng)。圖19顯示了一個(gè)系統(tǒng)，緩沖區(qū)被保持在一個(gè)中間壓力[ 11 ]。 在接收機(jī)的亞臨界壓力的情況下，從壓力調(diào)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(yīng)這一點(diǎn)，因?yàn)檎羝荒芴用?。的閥門開度調(diào)整臨時(shí)移動(dòng)節(jié)流遠(yuǎn)離飽和線的終點(diǎn)，以及由此產(chǎn)生的不平衡質(zhì)量流率之間通過兩個(gè)閥門進(jìn)行了大規(guī)模轉(zhuǎn)移到或從接收，從而影響高側(cè)電荷和壓力。 一個(gè)接收器位于壓力調(diào)節(jié)閥之間（一），控制高壓側(cè)壓力，和一個(gè)電子或熱力膨脹閥（B），調(diào)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(jī)，在緩沖區(qū)中的制冷劑的質(zhì)量是通過改變緩沖壓力調(diào)節(jié)，從而改變壓縮流體密度。壓力可以控制壓縮機(jī)的排氣壓力和臨界壓力之間。一個(gè)大的接收器的體積可能是必要的為了獲得高側(cè)電荷變化的必要范圍。 3.2.2.高側(cè)音量控制系統(tǒng) 不同的質(zhì)量，在高壓側(cè)壓力可通過調(diào)整電路的高側(cè)部的內(nèi)部容積調(diào)節(jié)。對(duì)于一個(gè)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(gòu)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(cè)的體積內(nèi)。  M.-H.Kimetal./ProgressinEnergyandCombustionScience30(2004)119–174 131 緩沖區(qū)的設(shè)計(jì)必須考慮像潤(rùn)滑劑誘捕裝置的音量控制通過機(jī)械或液壓驅(qū)動(dòng)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(xué)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(jìn)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(diào)系統(tǒng)熱回收的優(yōu)點(diǎn)。在應(yīng)用中的熱量是不感興趣的，滑移溫度不是一個(gè)優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樯岬钠骄鶞囟壬叱^了必要的。 假設(shè)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(xué)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(diǎn)附近的低蒸發(fā)焓，制冷量損失（和壓縮機(jī)的功率等于增加）變大。 在熱泵運(yùn)行，CO2系統(tǒng)獲得最大COP在一定的高壓側(cè)壓力，按照上面的說明。通過提高超過這個(gè)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(jià)提高。另一個(gè)特點(diǎn)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(gè)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(duì)的變化與不同的蒸發(fā)溫度和CO2高端壓力[ 31 ]。類似的趨勢(shì)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(shí)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(shí)，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(duì)于一個(gè)給定的任務(wù)，熱源溫度，和換熱器的尺寸。最后，在壓縮機(jī)的損失，而不是如圖21所示，往往在低CO2機(jī)。 在水加熱應(yīng)用，入口溫度通常是相當(dāng)?shù)偷?，與低入口溫度呈“三角”過程中的CO2排熱溫度