浅谈二氧化碳制冷技术.doc

浅谈二氧化碳（）制冷技术摘 要：由于CFC类制冷剂对臭氧层的破坏作用，大部分CFC与HCFC类工质将被逼退出使用。制冷工质的替代和环保问题自然成为制冷空调行业的关注焦点。自然制冷工质如CO2受到越来越多的关注。文中简述了作为制冷剂的发展历史和它退出历史舞台的原因; 根据作为制冷剂的相关热物理和化学性质以及三种可能的制冷循环，说明了采用为替代CFC与HCFC类工质、采用跨临界循环的优越性和必要性; 对各国采用为制冷剂的制冷、空调、热泵系统的应用及其研究情况进行了综述，浅谈研究发展的方向。关键词： 跨临界循环 工质 制冷前言： 自从人类发明利用制冷设备制冷来为生活、生产和科研等服务以来，制冷剂就伴随着制冷系统和制冷技术的改进而发展。从最初采用的、等自然工质到上世纪30年代，CFC与HCFC类物质就开始大量作为制冷工质，以其优越的循环性能，很快就取代了过去的自然工质。但随着大气臭氧层空洞的出现和全球气候的变暖，人们终于认识到制冷空调行业所使用的CFC与HCFC类制冷剂对大气具有破坏臭氧层负作用和产生温室效应。更在上世纪80年代发现南极上空的臭氧空洞后，世界上引发了环境问题新高潮，保护臭氧层的蒙特利尔议定书的签署正式生效，一系列CFC与HCFC类工质被列入受控表。这使到全世界的制冷空调行业面临严重的挑战，CFC与HCFC类工质的替代早已成为当前国际性的热门话题。今年已到2010年，根据的蒙特利尔议定，一系列受控的CFC与HCFC类工质在今年必须淘汰使用，制冷工质的替代问题更是破在眉睫。面对以上问题，国内外制冷空调行业均在探索总结历史经验，寻求正确、科学、环保的制冷工质。在环境保护与替代制冷工质的研究进程中，有学者认为选用自然工质是解决环境温度最终方案。一批具有特定的物理性质的自然物质又开始得到了重视和研究。工质正是在这样的背景下被重新摆上研究台面。配套工质使用的制冷技术，目前在国内外都进行活跃的研究，有大力发展的趋势。一、概述1、作为制冷工质应用历史自19世纪80年代到20世纪30年代，作为制冷剂被广泛地应用于制冷空调系统中，与一样，称为当时最为常用的制冷工质。从文献可查，在19世纪70年代初期，Thaddeus S C Lowe将应用于商业制冷机，90年代开始在轮船上得到广泛的应用，取代空气压缩制冷。20世纪20年代前后，制冷系统在剧院和百货商店的空调系统中得到应用，20年代末，在办公室的空调系统中得到使用，随后又被用于各种商业建筑和公共设施的空调制冷系统中。到了20世纪30年代，到了制冷最辉煌的时候，曾在全世界范围内的船舶中有80%都采用了制冷系统。1931年以后，以R12为代表的CFC类制冷工质开发，便以其无毒、不燃不爆、无刺激性气味、适中的压力和优越的制冷循环，很快取代了制冷。1950年最后一艘轮船停止了制冷后，便很快的被人们抛弃被逐渐忘记。2、制冷工质性质常温下是一种无色、无臭的其他，其参数见下表1。制作为制冷工质有许多的优势，从环境影响角度来看，除了水和空气之外，是最环保的制冷工质。此外，大多数的化工、工业的副产品都是，可以回收利用作为制冷工质，这对环境保护是很有利的。从上表可以看出，具有良好的化学稳定性和安全性，单位容积制冷量相当高，运动粘度低，传热性能好，压缩比小等优点。当然，制冷剂也有缺点，其主要缺点是无论亚临界循环还是跨临界循环，其运行压力都比较高，高压达7.0MPa，这必然会给系统及部件的设计带来许多新的要求。其二是制冷循环效率较低，较传统CFC与HCFC类工质制冷循环低25%以上。另外它虽然无毒，但不能参与动物生命的新陈代谢，当它在空气中的浓度低于2%时，对人没有明显危害。但如果超过此浓度，则可引起呼吸器官的损害，甚至窒息死亡。 二、制冷循环的临界温度为31.2，接近环境温度。根据循环的外部条件，制冷可以实现三种循环。其制冷循环流程图如图1。图1 制冷循环流程图1、亚临界制冷循环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2中的1-2-3-4-1所示。此时压缩机的吸、排气压力都低于临界压力，蒸发温度、冷凝温度也低于临界温度，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，早年的制冷循环多为亚临界循环，目前在复叠制冷循环中也有应用。 图2 制冷循环T-s图2、跨临界制冷循环跨临界制冷循环的流程与普通的蒸汽压缩式制冷循环略有不同，其循环过程如图2中的1-2-3-4-1所示。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，此时高压换热器不再称为冷凝器，而称为气体冷却器。此类循环有时也称为超临界循环，它是当前制冷循环研究中最为活跃的循环方式。3、超临界循环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2中的1-2-3-4-1所示。图3 制冷循环p-h图三、制冷的应用1、作为制冷剂组成的热泵系统在汽车中的应用 汽车空调在冬季供暖的问题一直是国内外诸多机构研究的重点。由于在冬季，室外气温低，乘客进出汽车时，室外冷空气涌入车体内，这样很难使汽车室内维持一个舒适的温度。传统的汽车冬季供暖，利用发动机余热进行供暖，但这种方法提供的热量是有限的，不能向车室内提供充足的热量来达到舒适的要求。随着汽车对室内舒适度要求的提高，这一问题将更加突出，遂要求探索新的供暖方式。G.Lorentzen 针对临界温度低，排气温度高的特点，提出跨临界循环理论，这个理论可望在汽车空调制冷供热中发挥重要作用。但这种循环方式也有不足，它的主要缺点是运行压力高和循环效率较低。理论分析和实验研究证实， 跨临界循环的COP值要低于R22R134a等传统工质的循环效率，针对这一缺点，提出了双级压缩理论和采用膨胀机回收一部分膨胀功的措施加以改善，并且效果良好。1996年8月，第一台公共汽车空调样机在车上通过现场实验且运行良好。改进的跨临界单级压缩热泵循环系统流程图如图1所示，T-S图如图2所示。跨临界循环气体冷却器所具有的较高的排气温度和较大的温度滑移与冷却介质的温升过程相匹配，使其在热泵循环方面具有独特的优势，从根本上解决了传统供热不足的缺点。通过调整循环排气压力，可使气体冷却器的排放过程较好地适应外部热源的温度和温升需要。用于热泵系统时，可使被加热流体的温度从1520上升到3040，甚至更高，因而可较好的满足车体内加热的要求。目前，全球各大汽车生产厂和研发机构都在研究这个热泵循环系统如何优化，已达到更高的效率。跨临界系统与传统制冷剂R134a相比，供热潜力巨大，并且工质的GWP在所有工质中最低。1999年，在美国凤凰城SAE会议上的实测结果表明，装载在中型汽车上的系统样机性能均已达到或超过R134a系统，并且制冷机的回收和制取都比较方便。 2、EcoCute(生态精灵)家用二氧化碳热泵热水器2008年10月，欧洲大金N.V。公司将世界上首台采用跨临界循环的VRV(可变制冷剂流量)空调系统投放市场。跨临界循环热泵自2001年进入市场之后，应用范围从单一制取生活用热水发展到同时满足住宅采暖和生活用热水供应，大金公司的空调机组则首次将二氧化碳跨临界循环技术应用在住宅空调制冷领域。此外，三菱电机公司也正在开发跨临界空调系统，而三菱重工公司则正在开发丙烷(R290)跨临界复叠系统。由于技术水平的局限，采用跨临界循环的空调系统在制冷运行状态下，热力效率一般低于采用氟碳类制冷剂的常规系统，充其量只能与目前使用R410A制冷剂的常规空调系统相当。不过，制冷过程的热力效率不是影响空调竞争力的决定性因素，在制热运行条件下，尤其是在环境温度较低和需要较高出水温度的制热运行条件下，二氧化碳空调具有明显优势。日本和欧盟广大地区的气候条件决定了一般住宅全年的采暖热负荷为空调冷负荷的510倍，所以跨临界空调机组的技术竞争优势显而易见。跨临界循环技术具有广泛的适应性，可以应用于空调、家用冰箱、商用冷冻冷藏柜等制冷及热泵产品，打破多年来形成的某个牌号制冷剂只能在一个有限温度区间使用的格局，能够满足从低温冷冻到高温热泵多种制冷及热泵系统的应用要求。而且能够在安全、环保以及热工性能方面全面超越的热泵制冷剂，在未来几年内尚难以找到，因此，跨临界循环技术成为事实上的热泵技术主要发展方向之一。 3、三洋电机开发使用CO2制冷剂的商用冰柜2009年，三洋电机开发出实用环境负荷比氟里昂替代物（HFC等）更小的制冷剂的商用冰柜。采用了该公司诸如利用2个转子的二级压缩旋转方式压缩机，及在冷冻循环中设中压档以提高冷冻能力和效率的“Split-Cycle”等已应用于热泵式热水器的技术。并且，还针对商用冰柜采取了减小压缩机等措施。此次冰柜将在2010年度以后达到实用化，详细计划未定。实用化所面临的课题是成本问题。因为HFC压缩机的产量高达数百万台，而压缩机的产量含热泵式热水器用途在内也仅数万台。目前，压缩机的价格至少是HFC压缩机的2倍左右。 三洋电机设想了实质性缩小HFC压缩机与压缩机价格差的三个条件。一是使制冷剂的回收和分解费用为零。二是取消处理泄漏等相关管理成本。三是削减耗电量。具有从制冷剂释放热量时的温度高达80，容易利用废热的优点。用于冰柜等，可以用废热来取代除霜用热源加热器，因此能够削减耗电量。鉴于以上因素，三洋电机的目标是把压缩机的价格降至HFC压缩机的1.21.5倍左右。未完全吸收的价格差将以提高冰柜附加值的方式弥补，比如：减小压缩机主体，利用制冷剂的低电阻特性减小热交换器等。四、制冷系统中关键设备的研究1、压缩机由于的物理性质使得其工作压力较高，因而要求系统部件需要经特殊设计。目前一般推荐使用大的行程和缸径比的设计细想。2、换热器（1）气体冷却器由于工作在超临界状态下，压力高，所以制冷剂侧的气体冷却器一般设计成较大的流量密度，且采用较小的管径。1997年提出铜制“平行流”空气冷却器的概念，按这种思想制造的换热器管径更小，传热强度更高，结构更为紧凑，具有较大的潜力，称为空气冷却器的新标准。（2）蒸发器与气体冷却器一样，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。3、节流机构跨临界循环的节流损失大是导致其循环效率低的主要原因。由于其膨胀比小，而膨胀功大，利用膨胀机回收膨胀功是提高跨临界循环效率的根本途径。五、结论 根据以上应用的例子可以看出，跨临界制冷循环再热泵、空调、商用制冷装置、食品冷藏冷冻等各个方面的应用前景都很好，性能都相当于CFC与HCFC类工质制冷系统。根据特性的深入研究和对制冷部件结构和系统运行情况进行优化，提高系统性能，降低系统和部件的成本，制