新型制冷劑CO2的性能分析及應用

1、新型制冷劑CO2的性能分析及應用摘要：本文分析總結了CO2 的物理化學性質和制冷特性；闡述了制冷循環(huán)的基本原理；介紹了CO2 制冷技術在汽車空調、熱泵系統(tǒng)和復疊式制冷系統(tǒng)等方面的應用。引言 由于全球氣溫變暖、氣候異常等環(huán)境問題日益嚴重，環(huán)保節(jié)能成為整個國際社會的焦點問題之一。近幾十年來制冷空調行業(yè)等，大量使用CFCs和HCFCs制冷工質，造成大氣臭氧層空洞和溫室效應的危害，已被人們廣泛認同。CFCs對于臭氧層和大氣變暖的不利影響，保護環(huán)境，實現(xiàn)CFCs替代成為全世界共同關注的問題。HFCs類工質，因為對于臭氧層沒有破壞力，成為替代CFCs的重要工質。但它們化學性穩(wěn)定，釋放后能夠積累，這最終導致

2、明顯的溫室效應。雖然人們可以努力合成性能更佳的工質，但由于制冷劑的使用量非常大，最終將不可避免地有相當部分泄漏到大氣中去。任何大量人工合成物質排放到自然界中，都會對于環(huán)境造成影響，因此現(xiàn)在一種普遍的觀點是采用自然工質。因此CO2制冷裝置的研究與應用又一次成為在全球范圍內受重視的熱點。由于自然工質CO2以其良好的環(huán)保特性、優(yōu)良的傳熱特性和相當大的單位容積制冷量等優(yōu)點，前國際制冷學會主席G.Lorentzen認為二氧化碳是無可取代的制冷工質1，并提出跨臨界循環(huán)理論，指出其可望在汽車空調和熱泵領域發(fā)揮重要作用。他的主張得到眾多學者的大力支持，從而在全球范圍內掀起了一股CO2制冷工質的再開發(fā)與研究熱潮

3、。因此，本文將CO2 的物理化學性質和制冷特性；闡述了制冷循環(huán)的基本原理及其應用。1、CO2的物理性質在常溫常壓下，二氧化碳是無色無味的氣體，如圖1-1所示，二氧化碳三相點溫度為-56.6，壓力為0.518MPa；其臨界溫度為31.1，臨界壓力為7.38MPa，臨界密度c = 369.71 kg/m3。從對環(huán)境的影響來看，CO2 是除水和空氣以外，與環(huán)境最為友善的制冷工質。CO2的ODP（Ozone Depression Potential）為0，GWP 僅為1，CO2是工業(yè)領域僅次于水和空氣的環(huán)保物質，是制冷制中對環(huán)境影響最小的工質，不會破壞臭氧層，對全球變暖的作用很小，況且作為制冷劑的CO

4、2無論是自然提取或是利用工業(yè)廢氣，這反而都有助于減少溫室氣體的排放。此外，CO2 作為制冷工質還有許多獨特的性質：(1)良好的安全性和化學穩(wěn)定性，不可燃，即便在高溫下也不分解產(chǎn)生有害氣體，可適應各種潤滑油和常用機械零部件材料； (2)單位容積制冷量相當高,可減小制冷系統(tǒng)與熱泵設備尺寸。 (3)優(yōu)良的流動特性，動力粘度低，設備壓降損失較??； (4)優(yōu)良的傳熱特性,導熱系數(shù)較大，換熱效果好； (5)CO2 制冷循環(huán)的壓縮比要比常規(guī)工質制冷循環(huán)低，壓縮機的容積效率可維持在較高的水平。 綜上所述，二氧化碳以其良好的環(huán)保性、優(yōu)良的流動傳熱特性和相當大的單位容積制冷量等優(yōu)點，再度受到了人們的廣泛重視。前國

5、際制冷學會主席G.Lorentzen認為CO2是無可取代的制冷工質。 表1為二氧化碳與幾種常用制冷劑各種性質參數(shù)之間的比較。從表1中可以看到二氧化碳的兩個特點： 1）、三相點壓力較高，為0.518MPa，是大氣壓的5倍多，因此在常壓下CO2只存在固相和氣相，而不存在液相。所以在一個大氣壓下，CO2只存在固液兩相的轉化，也就是我們熟悉的干冰升華凝華。2）二氧化碳臨界點溫度很低，為31.1，因此在傳統(tǒng)的CO2亞臨界循環(huán)下要求冷凝溫度低于31.1，這也使循環(huán)過程很接近臨界點，導致相變過程線較短，使得循環(huán)的制冷量較小，COP低。但是較低的臨界溫度也使二氧化碳很容易達到超臨界狀態(tài)，使CO2的跨臨界循環(huán)和

6、超臨界循環(huán)在實際中成為可能。2、CO2的制冷循環(huán)形式 CO2的循環(huán)形式基本有三種：超臨界CO2制冷循環(huán)、跨臨界CO2循環(huán)、亞臨界CO2制冷循環(huán)，此外最近也有學者提出了CO2蒸氣-固體顆粒的制冷循環(huán)。（1）亞臨界制冷循環(huán)：指壓縮機的吸、排氣壓力都低于臨界壓力，蒸發(fā)溫度和冷凝溫度也低于臨界溫度，并且循環(huán)的吸、放熱過程都在亞臨界條件下進行，換熱過程主要依靠潛熱來完成的制冷循環(huán)。其循環(huán)過程如圖2 所示。早年的CO2制冷循環(huán)多為亞臨界循環(huán)，由于其制冷效率低，目前主要用于復疊制冷循環(huán)中； （2）跨臨界制冷循環(huán)：指壓縮機的吸氣壓力低于臨界壓力，蒸發(fā)溫度低于臨界溫度，但壓縮機的排氣壓力高于臨界壓力；循環(huán)的吸熱

7、過程在亞臨界條件下進行，換熱過程主要是依靠潛熱來完成，但循環(huán)的冷卻換熱過程依靠顯熱來完成，其循環(huán)過程如圖3 所示。此時的高壓換熱器不再稱為冷凝器，而稱為氣體冷卻器（簡稱氣冷器）?？缗R界制冷循環(huán)是當前CO2 制冷循環(huán)研究中最為活躍的領域；（3）超臨界循環(huán)：指所有的循環(huán)狀態(tài)都在臨界點以上，工質的循環(huán)過程沒有相變，不能變?yōu)橐簯B(tài)，實際上是氣體循環(huán)，如圖4 所示。這種循環(huán)方式在原子能發(fā)電時采用，一般不用于制冷空調領域；（4）CO2 蒸氣-固體顆粒的制冷循環(huán)：如圖1 的CO2三相圖所示，CO2的三相點溫度為-56.6，使CO2制冷循環(huán)不能獲得-56.6以下的低溫環(huán)境，所以也有人提出一種利用CO2蒸氣固體顆

8、粒作為制冷劑的制冷系統(tǒng)，可以以CO2 為工質獲得三相點以下的溫度。3、CO2制冷工質的應用 二氧化碳作為一種制冷劑主要應用在三個領域：熱泵熱水器、汽車空調和冷凍冷藏系統(tǒng)。3.1 CO2 在汽車空調系統(tǒng)中的應用 目前汽車空調中主要采用R134a 工質，據(jù)1997年底在日本簽署的京都議定書，R134a 也是將被淘汰的工質。以后汽車空調新型制冷劑中最具潛力的是CO2 ，CO2 汽車空調最初是由挪威SINTEF 研究所的G.Lorentzen 和J.Petterson 等人提出的。CO2 應用于汽車空調有許多優(yōu)勢：1）汽車空調制冷劑易泄露、排放量大，采用CO2 作為制冷劑具有完全環(huán)保的特點；2）CO2

9、壓縮比低，因此壓縮機效率高，同時，高壓側CO2 溫度變化大，使進口空氣溫度與CO2 的排氣溫度可以非常接近，這樣，也減少了高壓側不可逆?zhèn)鳠嵋鸬膿p失。3.2 CO2 在熱泵系統(tǒng)中的應用 二氧化碳熱泵熱水器具有的較高排氣溫度和較大的溫度滑移(約80100)，這與冷卻介質的溫升過程相匹配,使其在熱水器應用方面具有獨特的優(yōu)勢。跨臨界CO2 熱泵及其部件的開發(fā)研究已經(jīng)成為目前制冷領域的熱點之一。 研究表明：1） 在蒸發(fā)溫度為0時，水溫可以從10加熱到60，其性能系數(shù)可達到4.3，比電加熱熱水器和燃氣熱水器能耗可降低75%以上；2）傳統(tǒng)熱泵熱水器制取熱水一般不超過55，若要制得較高溫熱水則制熱系數(shù)下降；

10、而CO2熱泵熱水器由于采用跨臨界循環(huán)，在氣體冷卻器中的換熱溫差小，換熱效率高，能制得90高溫熱水；3）在商用和住宅建筑的能量需求中，約有1/41/3來源于對熱水的需求。采用CO2 熱泵為商用和住宅建筑供應熱水，可使其總用能量減少20%；4）在寒冷地區(qū)，傳統(tǒng)空氣源熱泵的制熱量和效率隨環(huán)境溫度的降低下降很快，熱泵的使用受到限制；而CO2熱泵系統(tǒng)在低溫環(huán)境下能夠維持較高的供熱量，大大節(jié)約輔助加熱設備所耗費的能量。 CO2作為制冷工質在熱泵中的應用，將有效解決空調冷熱源面臨的資源與環(huán)境的壓力，由于其節(jié)能的潛力非常大，開發(fā)CO2熱泵熱水器的市場前景廣闊，意義重大。3.3 CO2在復疊式制冷系統(tǒng)中的應用

11、CO2作為制冷劑的另一個較有前途的應用方式就是在復疊式制冷系統(tǒng)中用作低溫級制冷劑。在復疊式制冷系統(tǒng)中，一般用CO2作低溫級制冷劑，而高溫級制冷劑用NH3或R290。與其它低溫級制冷劑相比，即使處在低溫，CO2的粘度也非常小，傳熱性能良好，制冷能力相當大。在冷凍冷藏領域，二氧化碳以其穩(wěn)定的化學性質十分適合在食品冷鏈中應用。 世界各國都有對二氧化碳制冷劑的研究，部分發(fā)達國家已經(jīng)投入使用，如日本，二氧化碳熱泵熱水器已經(jīng)成為日本政府提倡的熱泵熱水器；在歐洲，汽車空調和超市食品冷凍方面也相繼使用了二氧化碳。許多世界知名品牌也相繼宣布使用二氧化碳制冷劑，寶馬、豐田、大眾等公司紛紛宣布使用二氧化碳作為汽車空

12、調制冷劑，可口可樂公司也宣布在其自動售貨機的冷凍系統(tǒng)中使用二氧化碳，Danfoss等企業(yè)在歐洲也逐步使用二氧化碳食品冷凍系統(tǒng)。二氧化碳作為制冷劑仿佛已經(jīng)是一種歷史的潮流。4 結語CO2以其對環(huán)境的無害性和良好的制冷性能引起了人們的關注，被前國際制冷學會主席G.Lorentzen認為是無可取代的制冷工質。毫無疑問，CO2作為制冷工質可以應用于制冷空調系統(tǒng)的大部分領域，就目前發(fā)展現(xiàn)狀而言，在汽車空調、熱泵和復疊式循環(huán)等領域應用前景良好。參考文獻1GLORENTZEN. The use of natural refrigerants: a complete solution to the CFC/HCFC predicamentJ. Int.J.Refrig.，1995，18（3）: 190197.2 R E BANKS. Scepticismabout R134a justifiedJ. Refrig. Air Condit.，1993：96.3 LORENTZENG.Revival of carbon dioxide as a refrigerantJ. Part 1.H &V Engineer，1993，66（721）: 914.4 丁國良，黃冬平，張春路. 跨臨界二氧化碳