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二氧化碳制冷技术摘要：CO2作为制冷工质在环保、安全性及单位容积制冷量等方面具有明显的优势，是一种比较理想的环保制冷剂。本文介绍了CO2作为制冷剂的相关特性及制冷循环的工作原理；指出了提高跨临界制冷循环COP的几种途径及其在汽车空调、复叠式制冷循环和热泵型供热系统的应用；并展望了CO2制冷技术的发展前景。关键词：二氧化碳跨临界制冷循环应用发展前景CO2refrigerationtechnologyAbstract:BecausetheCO2workqualityhasobviousadvantageintheenvironmentalprotection,safetyandthecoldquantityofcapacityetc,makingitbecomeoneofidealenvironmentalprotectionrefrigerant.ThispaperintroducesrelatedcharacteristicofCO2andtheoperationprincipleofitsrefrigerationcycle;pointsouttheseveraleffectivewaystoimprovethecoefficientofperformanceofCO2transcriticalrefrigerationcycleanditsapplicationinairconditioneroftheautomobile,cascadingrefrigerationcirculationandtheheatpumptypeheatingsystem;andputsforwardthedevelopmentprospectofCO2refrigerationtechnology.Keywords:CO2transcriticalcycleapplicationdevelopmentprospect1引言臭氧层破坏是当今全球性环境问题之一，它对人类健康和生态环境造成了巨大的危害。由于制冷空调领域里广泛采用对臭氧层有破坏作用的人工合成制冷剂CFCs和HCFCs，故实现CFCs和HCFCs的替代尤其重要。全球变暖是现今另一个全球性环境问题，人类如果不及时采取措施，将面临灾难性后果。目前作为CFCs和HCFCs替代工质的HFCs虽然不破坏臭氧层，但属于温室气体。1997年12月签署的“京都协定书”明确规定HFCs为六大减排温室气体之一，意味着HFCs只能是一种过渡工质而不能作为CFCs和HCFCs的长期替代工质。我国于1998年5月签署了该协议，成为缔约国之一。在此背景下，天然工质CO2以其优良的环保特性，良好的传热性质，较低的流动阻力及相当大的单位容积制冷量，重新在制冷领域受到青睐。为了进一步提高CO2制冷循环性能，扩大应用范围，正在开展各种各样的研究开发。CO2跨临界制冷是近年来的研究热点[3、4]。虽然C02具有很高的系统压力，导致的可靠性、安全性问题令人担忧，但从长远来看，CO2极具开发潜力。目前CO2跨临界制冷循环被认为最有可能适用于蒸发温度为-40℃-10℃的各种常规制冷系统中，特别适合于高居住密度区，如汽车空调、船舱空调，以及高温热泵热水、干燥系统。2CO2的性质及制冷循环2.1CO2的特点常温下的二氧化碳是一种无色、无嗅的气体，临界温度和临界压力分别为31.1℃和7.37MPa，与其他制冷剂相比，CO2作为制冷工质有许多独特的特点:(1)CO2安全无毒，不可燃，适应各种常用润滑油以及机械零部件材料；(2)具有与制冷循环和设备相适应的热物理性质，单位容积制冷量相当高(0℃时单位容积制冷量是NH3的1.58倍，是R22的5.12倍和R22的8.25倍)，运动粘度低(0℃时CO2饱和液体的运动粘度只有NH3的5.2%、R12的23.8%)；(3)CO2具备优良的流动和传热特性，可显著减小压缩机与系统的尺寸，使整个系统非常紧凑，而且运行维护也比较简单，具有良好的经济性能；(4)CO2制冷循环的压缩比要比常规工质制冷循环低，压缩机的容积效率可维持在较高的水平。(5)CO2跨临界循环比常规工质亚临界循环更适合于系统的动态容量调节特性。（6）绝热指数大，因此压缩机排气温度较高，可以制取较高温度的热水。这些独特的优势，使CO2作为CFCs，HCFCs，HFCs的长期替代物，有非常光明的应用前景。表1列出有关工质的性质。表1制冷工质性质2.2CO2制冷循环CO2的临界温度接近环境温度，根据循环的外部条件，可以实现亚临界、跨临界和超临界三种制冷循环[1]。(1)亚临界制冷循环CO2亚临界制冷循环的流程与普通的蒸汽压缩式制冷循环完全一样，其循环过程如图1中的1→2→3→4→1所示。采用这种循环压缩机的吸气排气压力都低于临界压力，蒸发温度和冷凝温度也都低于临界温度，循环的吸、放热过程都在亚临界条件下进行，换热过程主要依靠潜热来完成。早年的CO2制冷循环多为亚临界循环，近年来在研制中的复叠制冷系统，其低温级也可以采用亚临界循环。(2)超临界制冷循环CO2超临界循环与普通的蒸汽压缩式制冷循环完全不同，所有的循环都在临界点以上，工质的循环过程没有相变，不能变为液态，实际上是气体循环，如图1中的1〞→2〞→3〞→4〞所示。完全超临界的循环，在制冷空调应用中一般采用。(3)跨临界制冷循环CO2跨临界制冷循环的流程与普通的蒸汽压缩式制冷循环相似但略有不同，其循环过程如图1中的1→2′→3′→4′→1所示。采用跨临界制冷循环CO2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，循环的吸气过程仍在亚临界条件下进行，换热过程主要依靠潜热来完成，但是压缩机的排气压力高于临界压力，工质在高压侧的换热过程通过显热交换来完成；这与亚临界状态下的冷凝完全不同，因此高压换热器不再称为冷凝器而称为气体冷却器。在目前正在研究的制冷系统如CO2汽车空调中，基本上都是采用跨临界制冷循环方式，这样避免了亚临界循环条件下热源温度过高而导致系统性能下降，而且由于流体在超临界条件下的特殊热物理性质使它在流动和换热方面都具有无与伦比的优势。因而它成为当前CO2制冷循环研究中最为活跃的循环方式。图1CO2制冷循环压焓图3提高CO2跨临界制冷循环效率的措施CO2亚临界制冷曾经达到很辉煌的程度，但由于其制冷效率低，受环境影响较大，随着CFCs制冷剂开发与应用而逐渐被淘汰。CO2跨临界循环虽然克服了早期亚临界循环制冷能力受环境影响的限制，但系统能效比仍然不高。有关理论分析和试验结果都表明，CO2单级压缩跨临界循环的制冷效率COP低于R22或R134a等传统工质，因此改进和完善跨临界系统的循环方式、优化制冷系统与设备尽可能提高系统运行的COP值也就成了推广CO2制冷应用的关键。3.1带回热器的CO2跨临界制冷系统为提高系统的COP值，一种方法是在系统中设置了回热器，其流程如图2所示。在该循环中，气体在压缩机中被压缩至超临界后送入气体冷却器，在冷却器中进一步被冷却介质(空气或冷却水)冷却，离开气体冷却器后的高压气体在回热器中被再冷却，然后通过节流阀降压，经节流后的气体温度急剧下降部分液化形成湿蒸气，湿蒸气进入蒸发器中气化。蒸发器出口需配置储液器，以防压缩机液击和便于压缩机回油，也保证了在调节膨胀阀时蒸发器不会被蒸干，同时增大了系统内部容积，避免在高环境温度下系统内的压力过高。储液器出来的低压饱和蒸气进人回热器的低压侧通道，在低压侧通道中吸收高压侧通道中的超临界流体热量成为热蒸气，热蒸气再次进入压缩机升压完成一个循环。采用回热循环可以使CO2产生一定的过冷度，有利于减少节流损失，同时可以提高制冷剂入口温度避免液击，而且还可以使制冷剂更好地把润滑油带入压缩机。其p-h图如图3所示。图2带回热器的CO2跨临界制冷系统流程图图3带回热器的的CO2跨临界制冷系统p-h图3.2采用膨胀机代替节流阀跨临界循环的过热损失和节流损失都比较大，尽管采用回热循环并调节最佳压缩比可得到较大的COP，但它比常规工质制冷循环的制冷系数还是要低约25%，其中最主要的原因是节流损失较大。采用膨胀机代替节流阀这种情况会有很大改善，R12和R134a等传统工质在亚临界有较大的膨胀比(20一40)和较低的膨胀功回收比例(10%一20%)，采用膨胀机循环既不经济也不容易实现。CO2跨临界循环的膨胀比小(2一4)膨胀功较大(约占压缩功的25%一30%)，因此用膨胀机代替节流阀回收膨胀功，循环效率可以大大提高，提高的幅度远高于常规工质。4CO2跨临界制冷循环的应用CO2跨临界制冷循环以其独特的优点越来越受研究者的重视，目前它被认为最有可能适用于各种常规制冷系统中，如汽车空调、复叠式系统的低温级，以及高温热泵热水、干燥系统。4.1CO2汽车空调为了防止CFCs对大气层臭氧的破坏，汽车空调用制冷剂在1994年年底以前就完成了由R12向R134a的转换，但是R134a的GWP较高，因此CO2、氨、碳氢化合物等自然工质受到人们的关注。由于氨有毒，碳氢化合物易燃，不宜于在运输工具中使用，因此，近几年来在汽车空调系统中展开了以CO2为替代工质的研究开发[2]。在汽车空调超临界CO2制冷系统领域，由挪威SINTEF研究所的G·Lorentzen等人率先发起，他们从理论和实验两个方面进行了全面的研究，样机实验得到了良好的结果。德国Kassel大学的C·W·J·Kohler和美国伊利诺伊大学的C·W·Bullard等人开展了CO2工质汽车空调和热泵应用的研究，建立了相应的汽车空调试验台，在综合考虑了安全性、可靠性和制冷效率后，他们认为跨临界CO2制冷循环系统将是21世纪汽车空调唯一可选的可靠系统。CalsonicKansei公司公布的该公司CO2轿车空调研制方面的进展表明，CO2汽车空调系统与R134a系统的制冷性能相当。Benz公司已于近年开始生产装备CO2汽车空调系统的轿车，Konnecta公司生产以CO2为工质的空调公交车已运行数年。这些研究和成果表明，CO2跨临界循环用于汽车空调不仅具有环境方面的优势，而且在系统效率方面也有提高的潜力。4.2在复叠式制冷系统的应用跨临界CO2循环制冷系统存在着COP值过低的问题，而要采用亚临界CO2循环就必须降低冷凝温度。要解决这个问题，可采用复叠式制冷系统，在复叠式系统中，CO2作为低压级循环的制冷剂，高压级用NH3。采用复叠式制冷循环，CO2压缩机体积可以大幅度减小。欧洲在超市中已建立了几个用CO2作低温制冷剂的NH3/CO2复叠式制冷系统，系统的原理见图4。图4NH3/CO2复叠式低温制冷系统原理图CO2作为复叠式制冷循环的低温级制冷剂有许多优点:其一，CO2在蒸发温度为-50℃以下时仍有足够的蒸发压力，可以满足目前食品低温保存的要求，而且蒸发器内不会产生负压；其二，与其它的低温制冷剂相比，即使处于低温状况，CO2的黏度也非常小，传热性能良好，因为利用其潜热吸热，制冷能力大，系统的安装成本和操作以及维护成本也可以减低；其三，NH3、CO2都是天然工质，对环境的影响小，解决了工质替代的问题。4.3在热泵型热水器中的应用在传统制冷剂循环系统中，冷凝器的放热往往直接排放掉，而在跨临界CO2热泵循环系统中，CO2热泵热水器的吸热过程在亚临界条件下进行，换热主要依靠潜热来完成；而冷凝过程则是在超过临界点的区域内进行，放热依靠显热来完成，是一个伴随有较大温度滑移的变温过程，正好适合于水的加热，从而减少高压侧不可逆传热引起的能量损失，提高热泵的效率。该领域的研究同样由挪威SINTEF研究所的P.Neksa等人率先开展研究[2]，他们对CO2跨临界循环在热泵上的应用作了理论和实验上的研究,随后他们制作了CO2热泵热水器样机,对其性能和系统设计进行了试验研究。实验结果表明,在蒸发温度为0℃时,水温可以从9℃加热到60℃,其热泵能效比可高达4.3。同时,比起电热水器和燃气热水器,它的能耗可降低75%,甚至更多。此外,他们发现CO2热泵系统最为显著的优点是它易于提供90℃-100℃的热水,这是传统热泵热水器所