二氧化碳跨临界热泵机组

机组用CO2工质进行热交换，如图，CO2工质经压缩机压缩成高压高温超临界气体，进入气体冷却器，用显热和冷水进行热交换，将冷水加热至60~80左右高温热水，CO2工质气体经气体冷却器成为低温高压气体，完成等压降温。低温高压气体膨胀做工，驱动膨胀机输出功率，既可带动发电机发电，也可输出给压缩机，达到节电节能的目的。CO2工质气体完成膨胀做工后，进入两相区，经蒸发器吸取低温热源的热量，成为低温低压气体进入压缩机入口进入下一次循环。

二氧化碳离心压缩机跨临界热泵机组

一、        概述

CO₂跨临界制冷循环的流程和普通蒸汽压缩式制冷循环略有不同，压缩机的吸气压力低于临界压力，蒸发温度也低于临界温度，循环的吸热过程仍在亚临界条件下进行，换热过程依靠潜热来完成；但压缩机的排气压力在临界压力之上，工质的放热过程没有冷凝液产生，其高压换热器不再称为冷凝器，而称为气体冷却器（gas cooler），传统的冷凝温度概念已失去意义，换热过程则依靠显热来完成。

CO₂在超临界区，其温度和压力是独立变量，其物性变化剧烈。超临界CO₂流体是一种高密度气体，兼有气体和液体双重特性，即密度高于气体，接近液体；黏度和气体相似，远小于液体黏度；扩散系数接近于气体，约为液体的10~100倍，因而具有较好的流动性和传输特性。

在常规工质的亚临界循环中，一旦蒸发压力和冷凝压力确定，性能基本可以确定。但在跨临界循环中的超临界压力区，压力和温度是两个独立的变量，它们同时决定着CO₂流体的焓值，在蒸发温度和气体冷却器出口温度不变的情况下，改变高压压力将分别对制冷量和压缩功产生影响，存在系统运行的优化高压压力，在这个压力下，循环有最高的效率。

由于CO₂的临界温度很低，CO₂的放热过程不是在两相区冷凝，而是在接近或超过临界点区域的气体冷却器中放热。其放热过程为一变温过程，有较大的温度滑移。这种温度滑移正好和所需的变温热源相匹配，是一种特殊的洛伦茨循环，当用于热泵循环时，有较高的循环效率，非常适合应用于热泵热水器。

二、        原理介绍

机组用CO₂工质进行热交换，如图，CO₂工质经压缩机压缩成高压高温超临界气体，进入气体冷却器，用显热和冷水进行热交换，将冷水加热至60~80左右高温热水，CO₂工质气体经气体冷却器成为低温高压气体，完成等压降温。低温高压气体膨胀做工，驱动膨胀机输出功率，既可带动发电机发电，也可输出给压缩机，达到节电节能的目的。CO₂工质气体完成膨胀做工后，进入两相区，经蒸发器吸取低温热源的热量，成为低温低压气体进入压缩机入口进入下一次循环。

工况描述参数如下：

电厂乏蒸汽余热温度20℃~30℃，回收乏蒸汽余热制备高温热水，冷水温度15℃，需加热至60℃以上。

根据以上参数，二氧化碳跨临界热泵机组配置二氧化碳压缩机、二氧化碳膨胀机、气体冷却器、蒸发器等。

二氧化碳跨临界热泵机组蒸发温度0℃，压缩机进气压力3480KPa,压缩机出气压力9000KPa,冷凝温度87℃。P-H图如下：

根据以上参数，二氧化碳压缩机和膨胀机选型如下表：

一、        结构简介

1、 机组布置

二氧化碳压缩膨胀机组为撬装布置，油站、油泵、滤油器、冷油器、气体冷却器、蒸发器、储液罐布置在撬装底座上。

2、 结构特点

电机为高速变频电机，双出头。两侧各装一级压缩机叶轮和一级膨胀机叶轮。膨胀机输出功率，抵消压缩机消耗功率。从电机端向压缩机看，压缩机和膨胀机为顺时针旋转。压缩机进气轴向水平，径向排气。膨胀机径向进气，径向排气。法兰连接。

二、        效益分析

蒸发器从低温热源的吸热量：

Q_e=m×q_e=28800(kg)/3600（S）×187（KJ/kg）=1496KW

CO₂工质流过气体冷却器的放热量：

Q_c=m×q_c=28800(kg)/3600（S）×249（KJ/kg）=1992(Kw)

二氧化碳压缩机轴功率：P_W=477(Kw)

二氧化碳膨胀机输出功率：P_SC=200(Kw)

二氧化碳跨临界机组热效率：

COP= Q_c/( P_W- P_SC)=1992/(477-200)=7.19

生产热水量：

冷水温度T₁：15℃，需热水温度T₂：60℃，气体冷却器放热量Q_c：1992KW

生产热水U（L/h）=3600×Q_c/[（T₂- T₁）×4.2]=3600×1992/[(60-15)×4.2]

                 =37942.9（L/h）=37.94（T/h）

      根据以上计算，二氧化碳跨临界热泵每小时生产37.94吨60℃以上热水，需要耗电277kwh,每天工作二十四小时，每年工作三百六十天耗电如下：

W_年=277(kwh)×24（h）×360(d)=2393280Kwh

如果用电加热每小时生产37.94吨60℃以上热水，需耗电1992kwh.

生产同样多的热水，每年需耗电=1992(kwh)×24（h）×360(d)=17210880kwh

节电效率：2393280/17210880× 100 %=13.9%

      综上所述，二氧化碳跨临界热泵机组在余热回收方面具有显著的节能效果，通过二氧化碳超临界的优异特性，配合高效的二氧化碳离心膨胀机组，只需耗费电加热13.9%的电力，便可生产相同产量的高温热水，并且膨胀机的出口温度可以低于-13℃，通过机组适当调整，在北方零下一二十度的寒冷地区，吸收空气余热，在二氧化碳超临界区，通过气体换热器，仍然可以高效的生产60℃以上高温热水。