新型制冷剂CO2的性能分析及应用

新型制冷剂CO2的性能分析及应用摘要：本文分析总结了CO2的物理化学性质和制冷特性；阐述了制冷循环的基本原理；介绍了CO2制冷技术在汽车空调、热泵系统和复叠式制冷系统等方面的应用。引言由于全球气温变暖、气候异常等环境问题日益严重，环保节能成为整个国际社会的焦点问题之一。近几十年来制冷空调行业等，大量使用CFCs和HCFCs制冷工质，造成大气臭氧层空洞和温室效应的危害，已被人们广泛认同。CFCs对于臭氧层和大气变暖的不利影响，保护环境，实现CFCs替代成为全世界共同关注的问题。HFCs类工质，因为对于臭氧层没有破坏力，成为替代CFCs的重要工质。但它们化学性稳定，释放后能够积累，这最终导致明显的温室效应。虽然人们可以努力合成性能更佳的工质，但由于制冷剂的使用量非常大，最终将不可避免地有相当部分泄漏到大气中去。任何大量人工合成物质排放到自然界中，都会对于环境造成影响，因此现在一种普遍的观点是采用自然工质。因此CO2制冷装置的研究与应用又一次成为在全球范围内受重视的热点。由于自然工质CO2以其良好的环保特性、优良的传热特性和相当大的单位容积制冷量等优点，前国际制冷学会主席G.Lorentzen认为二氧化碳是无可取代的制冷工质[1]，并提出跨临界循环理论，指出其可望在汽车空调和热泵领域发挥重要作用。他的主张得到众多学者的大力支持，从而在全球范围内掀起了一股CO2制冷工质的再开发与研究热潮。因此，本文将CO2的物理化学性质和制冷特性；阐述了制冷循环的基本原理及其应用。1、CO2的物理性质在常温常压下，二氧化碳是无色无味的气体，如图1-1所示，二氧化碳三相点温度为-56.6℃，压力为0.518MPa；其临界温度为31.1℃，临界压力为7.38MPa，临界密度ρc=369.71kg/m3。从对环境的影响来看，CO2是除水和空气以外，与环境最为友善的制冷工质。CO2的ODP（OzoneDepressionPotential）为0，GWP仅为1，CO2是工业领域仅次于水和空气的环保物质，是制冷制中对环境影响最小的工质，不会破坏臭氧层，对全球变暖的作用很小，况且作为制冷剂的CO2无论是自然提取或是利用工业废气，这反而都有助于减少温室气体的排放。此外，CO2作为制冷工质还有许多独特的性质：(1)良好的安全性和化学稳定性，不可燃，即便在高温下也不分解产生有害气体，可适应各种润滑油和常用机械零部件材料；(2)单位容积制冷量相当高,可减小制冷系统与热泵设备尺寸。(3)优良的流动特性，动力粘度低，设备压降损失较小；(4)优良的传热特性,导热系数较大，换热效果好；(5)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。综上所述，二氧化碳以其良好的环保性、优良的流动传热特性和相当大的单位容积制冷量等优点，再度受到了人们的广泛重视。前国际制冷学会主席G.Lorentzen认为CO2是无可取代的制冷工质。表1为二氧化碳与几种常用制冷剂各种性质参数之间的比较。从表1中可以看到二氧化碳的两个特点：1）、三相点压力较高，为0.518MPa，是大气压的5倍多，因此在常压下CO2只存在固相和气相，而不存在液相。所以在一个大气压下，CO2只存在固液两相的转化，也就是我们熟悉的干冰升华凝华。2）二氧化碳临界点温度很低，为31.1℃，因此在传统的CO2亚临界循环下要求冷凝温度低于31.1℃，这也使循环过程很接近临界点，导致相变过程线较短，使得循环的制冷量较小，COP低。但是较低的临界温度也使二氧化碳很容易达到超临界状态，使CO2的跨临界循环和超临界循环在实际中成为可能。2、CO2的制冷循环形式CO2的循环形式基本有三种：超临界CO2制冷循环、跨临界CO2循环、亚临界CO2制冷循环，此外最近也有学者提出了CO2蒸气-固体颗粒的制冷循环。（1）亚临界制冷循环：指压缩机的吸、排气压力都低于临界压力，蒸发温度和冷凝温度也低于临界温度，并且循环的吸、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的制冷循环。其循环过程如图2所示。早年的CO2制冷循环多为亚临界循环，由于其制冷效率低，目前主要用于复叠制冷循环中；（2）跨临界制冷循环：指压缩机的吸气压力低于临界压力，蒸发温度低于临界温度，但压缩机的排气压力高于临界压力；循环的吸热过程在亚临界条件下进行，换热过程主要是依靠潜热来完成，但循环的冷却换热过程依靠显热来完成，其循环过程如图3所示。此时的高压换热器不再称为冷凝器，而称为气体冷却器（简称气冷器）。跨临界制冷循环是当前CO2制冷循环研究中最为活跃的领域；（3）超临界循环：指所有的循环状态都在临界点以上，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4所示。这种循环方式在原子能发电时采用，一般不用于制冷空调领域；（4）CO2蒸气-固体颗粒的制冷循环：如图1的CO2三相图所示，CO2的三相点温度为-56.6℃，使CO2制冷循环不能获得-56.6℃以下的低温环境，所以也有人提出一种利用CO2蒸气固体颗粒作为制冷剂的制冷系统，可以以CO2为工质获得三相点以下的温度。3、CO2制冷工质的应用二氧化碳作为一种制冷剂主要应用在三个领域：热泵热水器、汽车空调和冷冻冷藏系统。3.1CO2在汽车空调系统中的应用目前汽车空调中主要采用R134a工质，据1997年底在日本签署的《京都议定书》，R134a也是将被淘汰的工质。以后汽车空调新型制冷剂中最具潜力的是CO2，CO2汽车空调最初是由挪威SINTEF研究所的G.Lorentzen和J.Petterson等人提出的。CO2应用于汽车空调有许多优势：1）汽车空调制冷剂易泄露、排放量大，采用CO2作为制冷剂具有完全环保的特点；2）CO2压缩比低，因此压缩机效率高，同时，高压侧CO2温度变化大，使进口空气温度与CO2的排气温度可以非常接近，这样，也减少了高压侧不可逆传热引起的损失。3.2CO2在热泵系统中的应用二氧化碳热泵热水器具有的较高排气温度和较大的温度滑移(约80～100℃)，这与冷却介质的温升过程相匹配,使其在热水器应用方面具有独特的优势。跨临界CO2热泵及其部件的开发研究已经成为目前制冷领域的热点之一。研究表明：1）在蒸发温度为0℃时，水温可以从10℃加热到60℃，其性能系数可达到4.3，比电加热热水器和燃气热水器能耗可降低75%以上；2）传统热泵热水器制取热水一般不超过55℃，若要制得较高温热水则制热系数下降；而CO2热泵热水器由于采用跨临界循环，在气体冷却器中的换热温差小，换热效率高，能制得90℃高温热水；3）在商用和住宅建筑的能量需求中，约有1/4~1/3来源于对热水的需求。采用CO2热泵为商用和住宅建筑供应热水，可使其总用能量减少20%；4）在寒冷地区，传统空气源热泵的制热量和效率随环境温度的降低下降很快，热泵的使用受到限制；而CO2热泵系统在低温环境下能够维持较高的供热量，大大节约辅助加热设备所耗费的能量。CO2作为制冷工质在热泵中的应用，将有效解决空调冷热源面临的资源与环境的压力，由于其节能的潜力非常大，开发CO2热泵热水器的市场前景广阔，意义重大。3.3CO2在复叠式制冷系统中的应用CO2作为制冷剂的另一个较有前途的应用方式就是在复叠式制冷系统中用作低温级制冷剂。在复叠式制冷系统中，一般用CO2作低温级制冷剂，而高温级制冷剂用NH3或R290。与其它低温级制冷剂相比，即使处在低温，CO2的粘度也非常小，传热性能良好，制冷能力相当大。在冷冻冷藏领域，二氧化碳以其稳定的化学性质十分适合在食品冷链中应用。世界各国都有对二氧化碳制冷剂的研究，部分发达国家已经投入使用，如日本，二氧化碳热泵热水器已经成为日本政府提倡的热泵热水器；在欧洲，汽车空调和超市食品冷冻方面也相继使用了二氧化碳。许多世界知名品牌也相继宣布使用二氧化碳制冷剂，宝马、丰田、大众等公司纷纷宣布使用二氧化碳作为汽车空调制冷剂，可口可乐公司也宣布在其自动售货机的冷冻系统中使用二氧化碳，Danfoss等企业在欧洲也逐步使用二氧化碳食品冷冻系统。二氧化碳作为制冷剂仿佛已经是一种历史的潮流。4结语CO2以其对环境的无害性和良好的制冷性能引起了人们的关注，被前国际制冷学会主席G.Lorentzen认为是无可取代的制冷工质。毫无疑问，CO2作为制冷工质可以应用于制冷空调系统的大部分领域，就目前发展现状而言，在汽车空调、热泵和复叠式循环等领域应用前景良好。参考文献[1]GLORENTZEN.Theuseofnaturalrefrigerants:acompletesolutiontotheCFC/HCFCpredicament[J].Int.J.Refrig.，1995，18（3）:190~197.[2]REBANKS.ScepticismaboutR134ajustified[J].Refrig.AirCondit.，1993：96.[3]LORENTZENG.Revivalofcarbondioxideasarefrigerant[J].Part1.H&VEngineer，1993，66（721）:9~14.[4]丁国良，黄冬平，张春路.跨临界二氧化碳汽车空调稳态仿真[J].工程热物理学报，2001，22（3）:272~274.[5]丁国良，黄冬平，张春路.跨临界二氧化碳汽车空调特性分析[J].制冷学报，2001，3:17~23.[6]“二氧化碳超临界循环汽车空调装置研究”项目通过鉴定[J].制冷空调与电力机械，2002，（4）:32.[7]梁贞潜，丁国良，张春路，等.二氧化碳汽车空调器仿真与优化[J].上海交通大学学报，2002，3（10）:1396~1400.