新型制冷剂CO2的性能分析及应用

1、新型制冷剂CO2的性能分析与应用摘要：分析并总结了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、堆制冷系统等中的应用。引言由于全球变暖、气候异常等环境问题日益严重，环保节能已成为整个国际社会的焦点问题之一。 近几十年来，空调行业等大量使用CFCs和HCFCs冷冻技术，造成大气臭氧层空洞和温室效应的危害，已被广泛认可。 CFCs给臭氧层和大气变暖带来了不良影响，保护环境，实现CFCs的替代成为世界共同关心的问题。 HFCs系工学，因为臭氧层没有破坏力，所以成为了取代CFCs的重要工程学。 但是，这些在化学上稳定，放出后能积蓄，最终会带来明显的

2、温室效应。 人们可以致力于更好的合成性能工程，但因为制冷剂的使用量非常多，最终很大一部分泄漏到大气中是不可避免的。 任何大量的人工合成物质排放到自然界，都会影响环境，因此目前有采用自然工程学的普遍观点。 因此，CO2制冷装置的研究和应用再次成为全球重视的焦点。自然工质CO2具有其良好的环境保护特性、优良的传热特性和相当的单位容积制造制冷量等优点，前国际制冷学会主席G.Lorentzen认为二氧化碳是不可替代的制冷工质1，提出了临界循环理论，有望在汽车空调和热泵领域发挥重要的作用他的主张得到了众多学者的支持，在世界上掀起了CO2冷冻工程的再开发和研究热潮。 因此，本文阐述了CO2的物理化学性质和

3、冷冻特性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c=369.71 kg/m3。 从对环境的影响来看，CO2除了水和空气外，还是与环境最友好的冷冻工程。 CO2的ODP(Ozone Depression Potential )为0，GWP为1，CO2是工业领域中仅次于水和空气的环境物质，是冷冻制对环境影响最小的工学，不破坏臭氧层，对全球变暖的作用小，而且作为制冷剂的CO2自然地被提取另外，CO2作为冷冻工程具有独特的性质(1

4、)具有良好的安全性和化学稳定性，不燃烧，高温下也不分解产生有害气体，适用于各种润滑油和常用机械零件材料(2)单位容积的制冷量相当高，可以减小制冷系统和热泵设备的尺寸。(3)优异的流动特性、动力粘度低，设备压降损失小(4)优良的传热特性、热传导率大，热交换效果好(5)CO2制冷循环的压缩比比通常的工质制冷循环低，压缩机的容积效率能够维持在高水平。由此可见，二氧化碳因其良好的环境保护性、优异的流动传热特性和相当大的单位容积制冷量等优点再次受到广泛重视。 前国际冷冻学会主席G.Lorentzen认为CO2是不可替代的冷冻工程学。表1是二氧化碳和几个常用制冷剂的各性质参数的比较。 从表1可以看到二氧化

5、碳的两个特征1 )、三相点的压力高达0.518MPa，是大气压的5倍以上，因此，在常压下，CO2只存在固相和气相，不存在液相。 因此，在某个大气压下，CO2只存在固液两相的转变，那是我们熟知的干冰升华凝结华。 2 )二氧化碳临界点温度低至31.1，传统的CO2亚临界循环要求冷凝温度低于31.1，这也使循环过程接近临界点，相变过程短，循环制冷量小，COP低。 但是，即使在低临界温度下二氧化碳也容易成为超临界状态，CO2的临界循环和超临界循环实际上是可能的。2、CO2的冷冻循环形式CO2的循环形式基本上有超临界CO2制冷循环、临界CO2循环、亚临界CO2制冷循环三种，最近提出了CO2蒸汽固体粒子的

6、制冷循环。(1)亚临界制冷循环：压缩机的吸排气压力低于临界压力，蒸发温度和冷凝温度低于临界温度，且循环的吸排热过程在亚临界条件下进行，热交换过程主要是指以潜热完成的制冷循环。 其循环过程如图2所示。 初期的CO2冷冻循环多为亚临界循环，其冷冻效率低，现在主要用于层叠冷冻循环(2)跨临界制冷循环：虽然压缩机的进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，循环的吸热过程是在亚临界条件下进行的，热交换过程主要通过潜热实现，而循环的冷却热交换过程是通过显热实现的，其循环过程如图3所示此时的高压热交换器不是冷凝器，而是被称为气体冷却器(简称为空冷器)。 横穿临界制冷循环是目

7、前CO2制冷循环研究中最活跃的领域(3)超临界循环：所有的循环状态都在临界点以上，工质的循环过程不相变，不成为液体，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蒸气固体粒子的制冷循环：如图1的CO2三相图所示，CO2的三相点温度为56.6，CO2制冷循环不能得到56.6以下的低温环境，因此也提出了将CO2蒸气固体粒子用作制冷剂的制冷系统，从工学上来看，CO2的三相点以下的温度3、CO2冷冻工程的应用二氧化碳作为制冷剂主要应用于热泵热水器、汽车空调和冷冻冷藏系统三个领域。3.1 CO2在汽车空调系统中的应用现在，汽车空调采用了R134a的工学

8、，根据1997年末在日本签名的京都议定书，R134a也是被淘汰的工学。 今后汽车空调的新型制冷剂中最有潜力的是CO2，CO2汽车空调最初是挪威SINTEF研究所的G.Lorentzen和J.Petterson等人提出的。 CO2在汽车空调上的应用有很多优点：1)汽车空调的制冷剂容易泄漏，排放量多，把CO2作为制冷剂采用完全环保的特征2)CO2压缩比低，压缩机效率高的同时，高压侧CO2温度的变化大，进口空气温度和3.2 CO2在热泵系统中的应用二氧化碳热泵热水器具有的高排气温度和大的温度滑动(约80100)与冷却介质的温度上升过程一致，在热水器的应用中具有独特的优势。 临界CO2热泵及其零部件的

9、开发研究已经成为目前冷冻领域的热点之一。研究表明，1 )蒸发温度为0时，水温可从10加热到60，其性能系数可达到4.3，比电热热水器和燃气热水器的能耗减少75%以上2 )传统热泵热水器的热水一般在55以下，制造高温热水CO2热泵热水器跨越临界循环，因此气体冷却器的热交换温度差小，热交换效率高，能够制造90的高温热水3 )商用和住宅建筑的能源需求中，约1/41/3来源于热水的需求。 采用CO2热泵向商用和住宅建筑供给热水的话，其总使用能量可以减少20%)在寒冷地区，以往的空气源热泵的暖气量和效率随着环境温度的降低而急速下降，热泵的使用受到限制的CO2热泵系统，在低温环境下量大幅节省了辅助加热设备

10、所消耗的能量。CO2作为冷冻工程在热泵上的应用，有效地解决了空调冷热源面临的资源和环境压力，节能潜力很大，因此开发CO2热泵热水器的市场前景广阔，意义重大。3.3 CO2在堆叠制冷系统中的应用将CO2用作制冷剂的另一种有希望的应用方式是在堆叠式制冷系统中用作低温级制冷剂。 堆叠式制冷系统一般使用CO2作为低温级制冷剂，高温级制冷剂使用NH3或R290。 与其他低温级制冷剂相比，低温下CO2的粘度也非常小，传热性能良好，冷冻能力相当大。 在冷冻冷藏领域，二氧化碳具有稳定的化学性质，非常适合在食品冷链中的应用。世界各国有关于二氧化碳制冷剂的研究，部分发达国家已经在使用。 例如，日本、二氧化碳热泵热

11、水器已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的冷冻中也相继使用二氧化碳。 很多世界著名的品牌也相继发表了使用二氧化碳制冷剂，宝马、丰田、大众等公司宣布使用二氧化碳作为汽车空调的制冷剂，可口可乐公司也发表了在自动售货机的冷冻系统中使用二氧化碳，Danfoss等公司发表了在欧洲二氧化碳作为制冷剂似乎是历史潮流。四结CO2以对环境的无害性和良好的冷冻性能引起了人们的关注，被认为是前国际冷冻学会主席G.Lorentzen不可替代的冷冻工程。 确实，CO2作为冷冻工程可以应用于冷冻空调系统的大部分领域，但从目前的发展现状来看，其在汽车空调、热泵、堆式循环等领域的应用前景良好。参考文献1 glorentzen.theuseofnaturalrefrigerants : acompletecomplementstothecfc/HCFC predicament j .int.j.refrig .1995，18 (3)。2 re banks.scepticismaboutrr 134 a justified j .refrig.air condit .1993:96。3 lorentzen g.revivalofcarbondioxideasrefrigerant j .部分1.HV引擎，1993，66 (721 ) :到144丁国良、黄冬平、张春路.临界二氧化碳汽车空调稳态模