第2章 CO2制冷技术精编版

2 CO2制冷技术
（3） 超临界循环（1“-2”-3“-4”-1“）
图 2.2 CO2制冷循环在T-s图上的表示
图 2.3 CO2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。
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图3 CO2 跨临界循环热泵实验装置流程图
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（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。
降温曲线图
液体CO2 冷藏车应用
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。
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；
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⑥ CO2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。
图1 自吸式液体CO2 刀可行性实验系统图
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
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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
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（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
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（3）复叠式CO2制冷循环
复叠式制冷可 达到的温度？
图2.12 CO2／NH3复叠式低温制冷系统示意图
制冷循环
使用原因
单级压缩 双级压缩 复叠压缩
一般制冷 压缩比过大
制低温
应用温度范围
5℃～- 30℃ -30℃～- 80℃
<-80℃
制冷剂
一种 一种 两种或两 种以上
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2.6 CO2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。
第2章 CO2制冷技术
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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。
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) 。
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。
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。
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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。
液体CO2 冷藏车应用
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。
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（2） 跨临界制冷循环 （1-2‘-3’-4‘-1）
图 2.2 CO2制冷循环在T-s图上的表示
图 2.3 CO2制冷循环在p-h图上的表示
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 。
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2.4 CO2跨临界循环的研究和应用
（1）应用在汽车空调系统中
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。
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（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。
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 C属比O，较2与但干水不 燥混腐 （合蚀 含时不 水呈锈率弱钢小酸和于性铜8p，类pm可金）腐属时蚀。，碳当可钢输采等送用普的普通C通O金的2 碳素钢；
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2.3 CO2制冷循环 （1） 亚临界制冷循环 （1-2-3-4-1）
图2.1 CO2制冷循环流程示意图
图2.2 CO2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。
液体CO2 冷冻手术刀应用
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
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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。
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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
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。
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
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。
源自文库 2 CO2制冷技术
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(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。
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2.2 CO2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。
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；
缺点：
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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22MPa ③ 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。
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℃。