第2章 CO2制冷技术

第2章CO2制冷技术2.1前言CO2在二十世纪初曾经广泛地应用于空调及船舶的制冷系统中，直到二十世纪中期，在船舶制冷系统中仍占统治地位。CO2的缺点是在工作温度下的压力特别高（常温下达到8MPa），这样就使得在当时的技术条件下，设备非常庞大笨重。自从出现了热力学性能优越的CFCS制冷剂，CO2基本上退出了制冷界。2CO2制冷技术2CO2制冷技术但近几年来，随着人们环保意识的不断增强，更由于CFCS与HCFCS对大气臭氧层的破坏作用以及温室效应，人们不得不重新考虑在更广泛的范围内使用自然工质HCS，但是HCS的缺点是易燃烧，在这种情况下，CO2因其ODP=0，GWP较小，以及自身良好的热物理性能越来越受到人们的青睐。2.2CO2制冷工质的性质CO2适用于蒸发温度为-40～10℃的各种常规制冷系统中，如汽车空调、船舱空调，以及高温热泵热水、干燥系统中的制冷工质。2CO2制冷技术与CFCS相比，使用CO2作制冷剂有如下的优缺点：优点：①来源广泛，容易获取（可直接从自然环境中获得或从工业废气中获得），价格低廉；②不燃烧，不爆炸，无毒，无刺激性，环境性能优良；③维护简单，无需循环利用，操作运行的费用也较低；④化学稳定性好，对常用材料没有腐蚀性。不过CO2与水混合时呈弱酸性，可腐蚀碳钢等普通金属，但不腐蚀不锈钢和铜类金属。当输送的CO2比较干燥（含水率小于8ppm）时，可采用普通的碳素钢；⑤高的工作压力使得压缩机吸气比容较小，单位容积制冷量大，有利于减小装置体积。流动和传热性能提高，减少了管道和热交换器的尺寸，从而使系统非常紧凑；⑥CO2压缩机的压比较低（2.5～3.5），接近最佳经济水平；⑦等熵效率比CFCS系统高得多；⑧运动粘度低；⑨能完全适应各种润滑油和常用机器零部件。2CO2制冷技术缺点：①不能维持生命，如果浓度过高，会引起人的呼吸器官的损害，甚至窒息死亡；②高的临界压力和低的临界温度；CO2临界温度为Tc=31.1℃，临界压力为Pc=7.3MPa水的临界温度为374℃，临界压力为22MPa③无论亚临界循环还是跨临界循环，CO2制冷系统的运行压力都将高于传统的制冷空调系统，给系统及部件的设计带来许多难度；④现阶段CO2制冷系统的效率还相对较低。2CO2制冷技术2.3CO2制冷循环（1）亚临界制冷循环（1-2-3-4-1）图2.1CO2制冷循环流程示意图图2.2CO2制冷循环在T-S图上的表示早期的CO2制冷循环多为亚临界循环，目前的复叠制冷循环中也有运用。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。2CO2制冷技术（2）跨临界制冷循环（1-2‘-3’-4‘-1）此时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，循环的吸热过程仍在亚临界条件下进行，换热过程主要是依靠潜热来完成。但是压缩机的排气压力高于临界压力，工质的冷凝过程与在亚临界状态下完全不同，换热过程依靠显热来完成。图2.3CO2制冷循环在p-h图上的表示图2.2CO2制冷循环在T-s图上的表示2CO2制冷技术（3）超临界循环（1“-2”-3“-4”-1“）图2.2CO2制冷循环在T-s图上的表示图2.3CO2制冷循环在p-h图上的表示所有的循环都在临界点以上，工质的循环过程没有相变。因为CO2具有较高的临界压力和低的临界温度，故采用CO2的设备通常要在超临界区运行。在超临界区，没有相变，压力和温度是相互独立的参数，这与传统的冷凝器不同。2CO2制冷技术2.4CO2跨临界循环的研究和应用（1）应用在汽车空调系统中2CO2制冷技术蒸发：亚临界区，潜热放热：超临界区，显热所以系统中将冷凝器改称气体冷却器。2CO2制冷技术（2）热泵中的应用挪威SINTEF研究所对热泵的特性、系统设计进行了理论与实验研究，表明CO2跨临界循环不仅具有高导热系数，而且系统紧凑，产生的热水温度高，在工业和民用两方面都具有相当大的发展潜力。当用环境空气作热源，井水温度为8℃，热水温度为60℃时，该系统的COP值高达4.3，其能量消耗比电或燃气系统降低了75%，当热水温度为80℃时，COP值为3.6。2CO2制冷技术2CO2制冷技术图3CO2跨临界循环热泵实验装置流程图（3）在复叠式制冷系统中的应用在该制冷系统中，CO2用作低压级制冷剂，高压级则用NH3或R134a作制冷剂，CO2循环在亚临界条件下运行。与其他低压制冷剂比，CO2的粘度很小，传热性能良好，因为利用潜热，其制冷能力相当大。目前欧洲已将此系统安装于超市中，据调查表明运行情况在技术上是可行的。2CO2制冷技术2.5几种典型的CO2制冷循环（1）带回热器的跨临界CO2制冷循环图2.4跨临界CO2制冷系统流程图2CO2制冷技术（2）带膨胀机的跨临界CO2制冷循环图2.10采用不同节流机构的CO2跨临界循环系统2CO2制冷技术（3）复叠式CO2制冷循环图2.12CO2／NH3复叠式低温制冷系统示意图2CO2制冷技术复叠式制冷可达到的温度？制冷循环使用原因应用温度范围制冷剂单级压缩一般制冷5℃～-30℃一种双级压缩压缩比过大-30℃～-80℃一种复叠压缩制低温-80℃两种或两种以上2.6CO2制冷系统中关键设备研究进展(1)制冷压缩机衡量压缩机工作性能的主要指标有指示效率和容积效率。压缩机的指示效率和容积效率主要与气阀和气腔的压力损失、气体泄漏、气体与气缸传热等因素有关。CO2压缩机的压力损失对指示效率的影响，比普通制冷压缩机小得多。CO2压缩机内的压力损失，对于压缩过程耗功和容积性能的影响相当小。2CO2制冷技术2CO2制冷技术(2)换热器1)气体冷却器由于CO2工作在超临界状态下，压力高，且出口温度独立于出口压力，因此允许有较大的压降。CO2具有良好的传热性能，所以制冷剂侧一般设计成较大的流量密度[600～1200kg/（m2·s）]，且采用较小的管径，因小管径也有助于承受高压。2CO2制冷技术2)蒸发器CO2蒸发器的工作压力为3.5～7.0MPa。该压力是传统制冷剂压力的10倍左右，与气体冷却器一样，蒸发器也朝着管径越来越小、流量密度越来越大、表面传热系数越来越大的过程发展。2CO2制冷技术1.冷藏运输方式目前使用的主要有机械冷藏和冷板冷藏。机械冷藏即利用氟里昂为工质的蒸汽压缩式制冷，属于相变制冷范畴。压缩机与汽车共用一台发动机时，车体较轻，但压缩机的制冷能力与车行速度有关，车速低时，制冷能力小，通常用40公里/小时的速度设计制冷机的制冷能力。液体CO2冷藏车应用冷板冷藏：依靠冷冻板所蓄之冷量将厢内温度维持在所需温度范围之内。蓄冷板中装有预先冻结成固体的低温共晶溶液，外界传入车厢的热量被蓄冷板中的共晶溶液吸收，共晶溶液由固态转变为液态。常用的低温共晶溶液有乙二醇、丙二醇的水溶液及氯化钙、氯化钠的水溶液。共晶溶液的成分不同，其共晶点也不同。根据冷藏汽车所需要的低温来选择合适的共晶溶液。一般说来，共晶溶液的共晶点应比车厢规定的温度低2~3℃。液体CO2冷藏车应用2.CO2应用于冷藏的优势1)常温常压下,二氧化碳气体无色、无味、无毒、不燃不爆,是一种化学性质相对稳定的惰性气体,在工业中常被用作保护气,在易腐货物的贮藏运输中是一种非常理想的气调保鲜气体。2)二氧化碳的标准沸点为-78.5℃,在常压下,-78.5℃的液体CO2的是无色透明、易于流动的液体,它既不爆炸也无毒性,是一种十分安全的制冷剂。液体CO2冷藏车应用3)ODP=0,GWP=1。单位容积制冷量相当大(0℃时单位容积制冷量是NH3的1.58倍,是R12和R22的8.25倍和5.12倍)。降温曲线图液体CO2冷藏车应用4)由工业尾气回收而得,不增加环境负担;成本低廉,无需再循环利用。5)蒸发温度低,蒸发潜热大,可以通过调节其喷量使冷藏厢内的温度在很短时间内达到所要求的温度。面临的问题：在标准大气压下，它的沸腾温度为－78.5℃，低于其凝固点（－56.6℃），它在气化过程中将有一部分会闪发为干冰，特别是从较高压力状态到标准大气压这个压力突降中，形成干冰的比例相当大，也就是说，压力突变过程中，形成气体二氧化碳的比例相当的少，大部分结晶析出了干冰。如果直接让其通过喷淋管道进入厢体内，将会在短时间内堵住喷淋管道。液体CO2冷藏车应用液体CO2冷藏车应用图2液体CO2冷藏制冷系统液体CO2冷藏车应用液体CO2冷藏车应用优点：液体CO2冷藏车的制冷系统仅由液体CO2贮罐、喷淋系统以及温控装置三部分组成(如图2所示),除了喷淋控制阀外没有任何其他运动部件,这样就有效地消除和减少了故障的发生和制冷剂的泄漏,工作稳定可靠,维修简便。液体CO2冷藏车应用液体CO2冷冻手术刀应用1冷冻治疗原理主要是利用冷冻的破坏作用以及肿瘤组织对低温的敏感性进行治疗。冷冻的破坏机理主要包括物理、化学和血管效应。首先冷冻能引起组织内产生冰晶、造成细胞内脱水，同时发生pH改变、破坏细胞的蛋白质和酶系统，从而破坏细胞的代谢，引起细胞死亡。此外，由干细小血管内冰晶的形成造成血管阻塞、血管壁破坏．肿瘤组织缺乏供血．引起组织坏死。2冷冻刀种类（1）氩氦刀：可在50s内降温至-140℃，又可快速解冻升温至45℃，使肿瘤细胞暴烈死亡。（2）液氮浸泡式冷冻刀：利用液氮蒸发制冷，将冷冻器械降温至-196℃，作用于人体的病变部位，使坏细胞坏死、脱落。（3）液体CO2冷冻刀液体C02经过节流降压后的温度可达-60℃～-70℃，由于液体C02的气化潜热很大，一定量的液体C02会产生足够的冷量破坏病灶组织，切除肿瘤；同时液体C02的流量可以人为控制，其降温速度很快，可以迅速降温从而破坏病灶组织。液体CO2冷冻手术刀应用液体CO2冷冻手术刀应用1：CO2贮罐;2:排气阀;3:安全阀;4:加液阀;5:电磁阀;6:毛细管;7:温控器;8:冷冻刀具;9:真空泵;10:温度传感器;11:电子秤图1自吸式液体CO2刀可行性实验系统图液体CO2冷冻手术刀应用1:抽气管;2:压紧螺帽;3:压紧螺栓;4:排气管;5:顶盖;6:手柄;7:温度传感器;8:刀头;9:进液管图2自吸式液体CO2冷冻刀具模型