新型制冷劑CO2的性能分析及應(yīng)用

1、新型制冷劑CO2的性能分析及應(yīng)用摘要：本文分析總結(jié)了CO2 的物理化學(xué)性質(zhì)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(shù)在汽車空調(diào)、熱泵系統(tǒng)和復(fù)疊式制冷系統(tǒng)等方面的應(yīng)用。引言 由于全球氣溫變暖、氣候異常等環(huán)境問(wèn)題日益嚴(yán)重，環(huán)保節(jié)能成為整個(gè)國(guó)際社會(huì)的焦點(diǎn)問(wèn)題之一。近幾十年來(lái)制冷空調(diào)行業(yè)等，大量使用CFCs和HCFCs制冷工質(zhì)，造成大氣臭氧層空洞和溫室效應(yīng)的危害，已被人們廣泛認(rèn)同。CFCs對(duì)于臭氧層和大氣變暖的不利影響，保護(hù)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)CFCs替代成為全世界共同關(guān)注的問(wèn)題。HFCs類工質(zhì)，因?yàn)閷?duì)于臭氧層沒(méi)有破壞力，成為替代CFCs的重要工質(zhì)。但它們化學(xué)性穩(wěn)定，釋放后能夠積累，這最終導(dǎo)致

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

3、。因此，本文將CO2 的物理化學(xué)性質(zhì)和制冷特性；闡述了制冷循環(huán)的基本原理及其應(yīng)用。1、CO2的物理性質(zhì)在常溫常壓下，二氧化碳是無(wú)色無(wú)味的氣體，如圖1-1所示，二氧化碳三相點(diǎn)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(duì)環(huán)境的影響來(lái)看，CO2 是除水和空氣以外，與環(huán)境最為友善的制冷工質(zhì)。CO2的ODP（Ozone Depression Potential）為0，GWP 僅為1，CO2是工業(yè)領(lǐng)域僅次于水和空氣的環(huán)保物質(zhì)，是制冷制中對(duì)環(huán)境影響最小的工質(zhì)，不會(huì)破壞臭氧層，對(duì)全球變暖的作用很小，況且作為制冷劑的CO

4、2無(wú)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(zhì)還有許多獨(dú)特的性質(zhì)：(1)良好的安全性和化學(xué)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(yīng)各種潤(rùn)滑油和常用機(jī)械零部件材料； (2)單位容積制冷量相當(dāng)高,可減小制冷系統(tǒng)與熱泵設(shè)備尺寸。 (3)優(yōu)良的流動(dòng)特性，動(dòng)力粘度低，設(shè)備壓降損失較??； (4)優(yōu)良的傳熱特性,導(dǎo)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(zhì)制冷循環(huán)低，壓縮機(jī)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(dòng)傳熱特性和相當(dāng)大的單位容積制冷量等優(yōu)點(diǎn)，再度受到了人們的廣泛重視。前國(guó)

5、際制冷學(xué)會(huì)主席G.Lorentzen認(rèn)為CO2是無(wú)可取代的制冷工質(zhì)。 表1為二氧化碳與幾種常用制冷劑各種性質(zhì)參數(shù)之間的比較。從表1中可以看到二氧化碳的兩個(gè)特點(diǎn)： 1）、三相點(diǎn)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(gè)大氣壓下，CO2只存在固液兩相的轉(zhuǎn)化，也就是我們熟悉的干冰升華凝華。2）二氧化碳臨界點(diǎn)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(guò)程很接近臨界點(diǎn)，導(dǎo)致相變過(guò)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(dá)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(shí)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(xué)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(jī)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(guò)程都在亞臨界條件下進(jìn)行，換熱過(guò)程主要依靠潛熱來(lái)完成的制冷循環(huán)。其循環(huán)過(guò)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(fù)疊制冷循環(huán)中； （2）跨臨界制冷循環(huán)：指壓縮機(jī)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(jī)的排氣壓力高于臨界壓力；循環(huán)的吸熱

7、過(guò)程在亞臨界條件下進(jìn)行，換熱過(guò)程主要是依靠潛熱來(lái)完成，但循環(huán)的冷卻換熱過(guò)程依靠顯熱來(lái)完成，其循環(huán)過(guò)程如圖3 所示。此時(shí)的高壓換熱器不再稱為冷凝器，而稱為氣體冷卻器（簡(jiǎn)稱氣冷器）?？缗R界制冷循環(huán)是當(dāng)前CO2 制冷循環(huán)研究中最為活躍的領(lǐng)域；（3）超臨界循環(huán)：指所有的循環(huán)狀態(tài)都在臨界點(diǎn)以上，工質(zhì)的循環(huán)過(guò)程沒(méi)有相變，不能變?yōu)橐簯B(tài)，實(shí)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(shí)采用，一般不用于制冷空調(diào)領(lǐng)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(diǎn)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(zhì)獲得三相點(diǎn)以下的溫度。3、CO2制冷工質(zhì)的應(yīng)用 二氧化碳作為一種制冷劑主要應(yīng)用在三個(gè)領(lǐng)域：熱泵熱水器、汽車空調(diào)和冷凍冷藏系統(tǒng)。3.1 CO2 在汽車空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用 目前汽車空調(diào)中主要采用R134a 工質(zhì)，據(jù)1997年底在日本簽署的京都議定書(shū)，R134a 也是將被淘汰的工質(zhì)。以后汽車空調(diào)新型制冷劑中最具潛力的是CO2 ，CO2 汽車空調(diào)最初是由挪威SINTEF 研究所的G.Lorentzen 和J.Petterson 等人提出的。CO2 應(yīng)用于汽車空調(diào)有許多優(yōu)勢(shì)：1）汽車空調(diào)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(diǎn)；2）CO2

9、壓縮比低，因此壓縮機(jī)效率高，同時(shí)，高壓側(cè)CO2 溫度變化大，使進(jìn)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(cè)不可逆?zhèn)鳠嵋鸬膿p失。3.2 CO2 在熱泵系統(tǒng)中的應(yīng)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(zhì)的溫升過(guò)程相匹配,使其在熱水器應(yīng)用方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)?？缗R界CO2 熱泵及其部件的開(kāi)發(fā)研究已經(jīng)成為目前制冷領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一。 研究表明：1） 在蒸發(fā)溫度為0時(shí)，水溫可以從10加熱到60，其性能系數(shù)可達(dá)到4.3，比電加熱熱水器和燃?xì)鉄崴髂芎目山档?5%以上；2）傳統(tǒng)熱泵熱水器制取熱水一般不超過(guò)55，若要制得較高溫?zé)崴畡t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?zé)崴?）在商用和住宅建筑的能量需求中，約有1/41/3來(lái)源于對(duì)熱水的需求。采用CO2 熱泵為商用和住宅建筑供應(yīng)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(shè)備所耗費(fèi)的能量。 CO2作為制冷工質(zhì)在熱泵中的應(yīng)用，將有效解決空調(diào)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(kāi)發(fā)CO2熱泵熱水器的市場(chǎng)前景廣闊，意義重大。3.3 CO2在復(fù)疊式制冷系統(tǒng)中的應(yīng)用

11、CO2作為制冷劑的另一個(gè)較有前途的應(yīng)用方式就是在復(fù)疊式制冷系統(tǒng)中用作低溫級(jí)制冷劑。在復(fù)疊式制冷系統(tǒng)中，一般用CO2作低溫級(jí)制冷劑，而高溫級(jí)制冷劑用NH3或R290。與其它低溫級(jí)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(dāng)大。在冷凍冷藏領(lǐng)域，二氧化碳以其穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)十分適合在食品冷鏈中應(yīng)用。 世界各國(guó)都有對(duì)二氧化碳制冷劑的研究，部分發(fā)達(dá)國(guó)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(diào)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(diào)制冷劑，可口可樂(lè)公司也宣布在其自動(dòng)售貨機(jī)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(jié)語(yǔ)CO2以其對(duì)環(huán)境的無(wú)害性和良好的制冷性能引起了人們的關(guān)注，被前國(guó)際制冷學(xué)會(huì)主席G.Lorentzen認(rèn)為是無(wú)可取代的制冷工質(zhì)。毫無(wú)疑問(wèn)，CO2作為制冷工質(zhì)可以應(yīng)用于制冷空調(diào)系統(tǒng)的大部分領(lǐng)域，就目前發(fā)展現(xiàn)狀而言，在汽車空調(diào)、熱泵和復(fù)疊式循環(huán)等領(lǐng)域應(yīng)用前景良好。參考文獻(xiàn)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(guó)良，黃冬平，張春路. 跨臨界二氧化碳