CO制冷技術(shù)的資料

CO制冷技術(shù)的資料第1頁/共40頁2.1前言

CO2在二十世紀初曾經(jīng)廣泛地應用于空調(diào)及船舶的制冷系統(tǒng)中，直到二十世紀中期，在船舶制冷系統(tǒng)中仍占統(tǒng)治地位。CO2的缺點是在工作溫度下的壓力特別高（常溫下達到8MPa），這樣就使得在當時的技術(shù)條件下，設(shè)備非常龐大笨重。自從出現(xiàn)了熱力學性能優(yōu)越的CFCS制冷劑，CO2基本上退出了制冷界。2CO2制冷技術(shù)第2頁/共40頁

2CO2制冷技術(shù)但近幾年來，隨著人們環(huán)保意識的不斷增強，更由于CFCS與HCFCS對大氣臭氧層的破壞作用以及溫室效應，人們不得不重新考慮在更廣泛的范圍內(nèi)使用自然工質(zhì)HCS，但是HCS的缺點是易燃燒，在這種情況下，CO2因其ODP=0，GWP較小，以及自身良好的熱物理性能越來越受到人們的青睞。

第3頁/共40頁2.2CO2制冷工質(zhì)的性質(zhì)

CO2適用于蒸發(fā)溫度為-40～10℃的各種常規(guī)制冷系統(tǒng)中，如汽車空調(diào)、船艙空調(diào)，以及高溫熱泵熱水、干燥系統(tǒng)中的制冷工質(zhì)。2CO2制冷技術(shù)第4頁/共40頁與CFCS相比，使用CO2作制冷劑有如下的優(yōu)缺點：優(yōu)點：①

來源廣泛，容易獲?。芍苯訌淖匀画h(huán)境中獲得或從工業(yè)廢氣中獲得），價格低廉；②

不燃燒，不爆炸，無毒，無刺激性，環(huán)境性能優(yōu)良；③

維護簡單，無需循環(huán)利用，操作運行的費用也較低；第5頁/共40頁④

化學穩(wěn)定性好，對常用材料沒有腐蝕性。不過CO2與水混合時呈弱酸性，可腐蝕碳鋼等普通金屬，但不腐蝕不銹鋼和銅類金屬。當輸送的CO2比較干燥（含水率小于8ppm）時，可采用普通的碳素鋼；

⑤

高的工作壓力使得壓縮機吸氣比容較小，單位容積制冷量大，有利于減小裝置體積。流動和傳熱性能提高，減少了管道和熱交換器的尺寸，從而使系統(tǒng)非常緊湊；第6頁/共40頁⑥

CO2壓縮機的壓比較低（2.5～3.5），接近最佳經(jīng)濟水平；⑦

等熵效率比CFCS系統(tǒng)高得多；⑧

運動粘度低；⑨

能完全適應各種潤滑油和常用機器零部件。

2CO2制冷技術(shù)第7頁/共40頁缺點：①

不能維持生命，如果濃度過高，會引起人的呼吸器官的損害，甚至窒息死亡；②

高的臨界壓力和低的臨界溫度；CO2臨界溫度為Tc=31.1℃，臨界壓力為Pc=7.3MPa水的臨界溫度為374℃，臨界壓力為22MPa③

無論亞臨界循環(huán)還是跨臨界循環(huán)，CO2制冷系統(tǒng)的運行壓力都將高于傳統(tǒng)的制冷空調(diào)系統(tǒng)，給系統(tǒng)及部件的設(shè)計帶來許多難度；④現(xiàn)階段CO2制冷系統(tǒng)的效率還相對較低。2CO2制冷技術(shù)第8頁/共40頁第9頁/共40頁2.3CO2制冷循環(huán)

（1）

亞臨界制冷循環(huán)（1-2-3-4-1）圖2.1CO2制冷循環(huán)流程示意圖

圖2.2CO2制冷循環(huán)在T-S圖上的表示

早期的CO2制冷循環(huán)多為亞臨界循環(huán)，目前的復疊制冷循環(huán)中也有運用。CO2亞臨界制冷循環(huán)的流程與普通的蒸汽壓縮式制冷循環(huán)完全一樣。2CO2制冷技術(shù)第10頁/共40頁（2）

跨臨界制冷循環(huán)

（1-2‘-3’-4‘-1）此時壓縮機的吸氣壓力低于臨界壓力，蒸發(fā)溫度也低于臨界溫度，循環(huán)的吸熱過程仍在亞臨界條件下進行，換熱過程主要是依靠潛熱來完成。但是壓縮機的排氣壓力高于臨界壓力，工質(zhì)的冷凝過程與在亞臨界狀態(tài)下完全不同，換熱過程依靠顯熱來完成。圖2.3CO2制冷循環(huán)在p-h圖上的表示圖2.2CO2制冷循環(huán)在T-s圖上的表示2CO2制冷技術(shù)第11頁/共40頁（3）

超臨界循環(huán)（1“-2”-3“-4”-1“）

圖2.2CO2制冷循環(huán)在T-s圖上的表示圖2.3CO2制冷循環(huán)在p-h圖上的表示所有的循環(huán)都在臨界點以上，工質(zhì)的循環(huán)過程沒有相變。因為CO2具有較高的臨界壓力和低的臨界溫度，故采用CO2的設(shè)備通常要在超臨界區(qū)運行。在超臨界區(qū)，沒有相變，壓力和溫度是相互獨立的參數(shù)，這與傳統(tǒng)的冷凝器不同。

2CO2制冷技術(shù)第12頁/共40頁2.4CO2跨臨界循環(huán)的研究和應用

（1）應用在汽車空調(diào)系統(tǒng)中

2CO2制冷技術(shù)蒸發(fā)：亞臨界區(qū)，潛熱放熱：超臨界區(qū)，顯熱所以系統(tǒng)中將冷凝器改稱氣體冷卻器。第13頁/共40頁2CO2制冷技術(shù)（2）熱泵中的應用挪威SINTEF研究所對熱泵的特性、系統(tǒng)設(shè)計進行了理論與實驗研究，表明CO2跨臨界循環(huán)不僅具有高導熱系數(shù)，而且系統(tǒng)緊湊，產(chǎn)生的熱水溫度高，在工業(yè)和民用兩方面都具有相當大的發(fā)展?jié)摿?。當用環(huán)境空氣作熱源，井水溫度為8℃，熱水溫度為60℃時，該系統(tǒng)的COP值高達4.3，其能量消耗比電或燃氣系統(tǒng)降低了75%，當熱水溫度為80℃時，COP值為3.6。

第14頁/共40頁2CO2制冷技術(shù)第15頁/共40頁2CO2制冷技術(shù)圖3

CO2跨臨界循環(huán)熱泵實驗裝置流程圖第16頁/共40頁（3）

在復疊式制冷系統(tǒng)中的應用在該制冷系統(tǒng)中，CO2用作低壓級制冷劑，高壓級則用NH3或R134a作制冷劑，CO2循環(huán)在亞臨界條件下運行。與其他低壓制冷劑比，CO2的粘度很小，傳熱性能良好，因為利用潛熱，其制冷能力相當大。目前歐洲已將此系統(tǒng)安裝于超市中，據(jù)調(diào)查表明運行情況在技術(shù)上是可行的。2CO2制冷技術(shù)第17頁/共40頁2.5幾種典型的CO2制冷循環(huán)

（1）帶回熱器的跨臨界CO2制冷循環(huán)

圖2.4跨臨界CO2制冷系統(tǒng)流程圖2CO2制冷技術(shù)第18頁/共40頁（2）帶膨脹機的跨臨界CO2制冷循環(huán)

圖2.10采用不同節(jié)流機構(gòu)的CO2跨臨界循環(huán)系統(tǒng)

2CO2制冷技術(shù)第19頁/共40頁（3）復疊式CO2制冷循環(huán)

圖2.12CO2／NH3復疊式低溫制冷系統(tǒng)示意圖

2CO2制冷技術(shù)復疊式制冷可達到的溫度？制冷循環(huán)

使用原因應用溫度范圍制冷劑單級壓縮

一般制冷5℃～-30℃一種雙級壓縮

壓縮比過大-30℃～-80℃一種復疊壓縮

制低溫<-80℃兩種或兩種以上第20頁/共40頁2.6CO2制冷系統(tǒng)中關(guān)鍵設(shè)備研究進展(1)制冷壓縮機

衡量壓縮機工作性能的主要指標有指示效率和容積效率。壓縮機的指示效率和容積效率主要與氣閥和氣腔的壓力損失、氣體泄漏、氣體與氣缸傳熱等因素有關(guān)。CO2壓縮機的壓力損失對指示效率的影響，比普通制冷壓縮機小得多。

CO2壓縮機內(nèi)的壓力損失，對于壓縮過程耗功和容積性能的影響相當小。

2CO2制冷技術(shù)第21頁/共40頁2CO2制冷技術(shù)第22頁/共40頁(2)換熱器

1)氣體冷卻器由于CO2工作在超臨界狀態(tài)下，壓力高，且出口溫度獨立于出口壓力，因此允許有較大的壓降。CO2具有良好的傳熱性能，所以制冷劑側(cè)一般設(shè)計成較大的流量密度[600～1200kg/（m2·s）]，且采用較小的管徑，因小管徑也有助于承受高壓。

2CO2制冷技術(shù)第23頁/共40頁2)蒸發(fā)器

CO2蒸發(fā)器的工作壓力為3.5～7.0MPa。該壓力是傳統(tǒng)制冷劑壓力的10倍左右，與氣體冷卻器一樣，蒸發(fā)器也朝著管徑越來越小、流量密度越來越大、表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)越來越大的過程發(fā)展。

2CO2制冷技術(shù)第24頁/共40頁1.冷藏運輸方式

目前使用的主要有機械冷藏和冷板冷藏。

機械冷藏即利用氟里昂為工質(zhì)的蒸汽壓縮式制冷，屬于相變制冷范疇。壓縮機與汽車共用一臺發(fā)動機時，車體較輕，但壓縮機的制冷能力與車行速度有關(guān)，車速低時，制冷能力小，通常用40公里/小時的速度設(shè)計制冷機的制冷能力。液體CO2

冷藏車應用第25頁/共40頁冷板冷藏：依靠冷凍板所蓄之冷量將廂內(nèi)溫度維持在所需溫度范圍之內(nèi)。蓄冷板中裝有預先凍結(jié)成固體的低溫共晶溶液，外界傳入車廂的熱量被蓄冷板中的共晶溶液吸收，共晶溶液由固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)。常用的低溫共晶溶液有乙二醇、丙二醇的水溶液及氯化鈣、氯化鈉的水溶液。共晶溶液的成分不同，其共晶點也不同。根據(jù)冷藏汽車所需要的低溫來選擇合適的共晶溶液。一般說來，共晶溶液的共晶點應比車廂規(guī)定的溫度低2~3℃。液體CO2

冷藏車應用第26頁/共40頁2.CO2應用于冷藏的優(yōu)勢1)常溫常壓下,二氧化碳氣體無色、無味、無毒、不燃不爆,是一種化學性質(zhì)相對穩(wěn)定的惰性氣體,在工業(yè)中常被用作保護氣,在易腐貨物的貯藏運輸中是一種非常理想的氣調(diào)保鮮氣體。2)二氧化碳的標準沸點為-78.5℃,在常壓下,-78.5℃的液體CO2

的是無色透明、易于流動的液體,它既不爆炸也無毒性,是一種十分安全的制冷劑。

液體CO2

冷藏車應用第27頁/共40頁3)ODP=0,GWP=1。單位容積制冷量相當大(0℃時單位容積制冷量是NH3

的1.58倍,是R12和R22的8.25倍和5.12倍)。

降溫曲線圖液體CO2

冷藏車應用4)由工業(yè)尾氣回收而得,不增加環(huán)境負擔;成本低廉,無需再循環(huán)利用。5)蒸發(fā)溫度低,蒸發(fā)潛熱大,可以通過調(diào)節(jié)其噴量使冷藏廂內(nèi)的溫度在很短時間內(nèi)達到所要求的溫度。第28頁/共40頁面臨的問題：在標準大氣壓下，它的沸騰溫度為－78.5℃，低于其凝固點（－56.6℃），它在氣化過程中將有一部分會閃發(fā)為干冰，特別是從較高壓力狀態(tài)到標準大氣壓這個壓力突降中，形成干冰的比例相當大，也就是說，壓力突變過程中，形成氣體二氧化碳的比例相當?shù)纳伲蟛糠纸Y(jié)晶析出了干冰。如果直接讓其通過噴淋管道進入廂體內(nèi)，將會在短時間內(nèi)堵住噴淋管道。液體CO2

冷藏車應用第29頁/共40頁液體CO2

冷藏車應用

圖2液體CO2冷藏制冷系統(tǒng)第30頁/共40頁液體CO2

冷藏車應用第31頁/共40頁液體CO2

冷藏車應用第32頁/共40頁優(yōu)點：液體CO2

冷藏車的制冷系統(tǒng)僅由液體CO2

貯罐、噴淋系統(tǒng)以及溫控裝置三部分組成(如圖2所示),除了噴淋控制閥外沒有任何其他運動部件,這樣就有效地消除和減少了故障的發(fā)生和制冷劑的泄漏,工作穩(wěn)定可靠,維修簡便。液體CO2

冷藏車應用第33頁/共40頁液體CO2

冷凍手術(shù)刀應用1

冷凍治療原理主要是利用冷凍的破壞作用以及腫瘤組織對低溫的敏感性進行治療。冷凍的破壞機理主要包括物理、化學和血管效應。首先冷凍能引起組織內(nèi)產(chǎn)生冰晶、造成細胞內(nèi)脫水，同時發(fā)生pH改變、破壞細胞的蛋白質(zhì)和酶系統(tǒng)，從而破壞細胞的代謝，引起細胞死亡。此外，由干細小血管內(nèi)冰晶的形成造成血管阻塞、血管壁破壞．腫瘤組織缺乏供血．引起組織壞死。

第34頁/共40頁2冷凍刀種類（1）氬氦刀：可在50s內(nèi)降溫至-140℃，又可快速解凍升溫至45℃，使腫瘤細胞暴烈死亡。（2）液氮浸泡式冷凍刀：利用液氮蒸發(fā)制冷，將冷凍器械降溫至-196℃，作用于人體的病變部位，使壞細胞壞死、脫落。（3）液體CO2

冷凍刀液體C02經(jīng)過節(jié)流降壓后的溫度可達-60℃

～

-70℃，由于液體C02的氣化潛熱很大，一定量的液體C02會產(chǎn)生足夠的冷量破壞病灶組織，切除腫瘤；同時液體C02的流量可以人為控制，其降溫速度很快，可以迅速降溫從而破壞病灶組織。

液體CO2

冷凍手術(shù)刀應用第35頁/共40頁液體CO2

冷凍手術(shù)刀應用第36頁/共40頁1：CO2貯罐;2:排氣閥;3:安全閥