二氧化碳制冷技术

二氧化碳制冷技术

二氧化碳具有高密度和低粘度，其流动损失小、传热效果良好，并且通过对传热作用的强化，可以弥补其循环不高的缺点。同时二氧化碳环境表现优良、费用低易获取、稳定性好、有利于减小装置体积。最重要的是，其安全无毒，不可燃，这一点比R290具有明显的优势。

当然，采用二氧化碳为制冷剂也有缺点，二氧化碳高的临界压力和低的临界温度也给它做制冷剂带来了许多难题。无论亚临界循环还是跨临界循环，二氧化碳制冷系统的运行压力都将高于传统的制冷空调系统，这必然会给系统及部件的设计带来许多新的要求。同时现阶段还存在二氧化碳制冷系统的效率相对较低的问题。

目前二氧化碳的研究和应用主要集中于三个方面：

一方面是汽车空调领域，由于制冷剂排放量大，对环境的危害也大，必须尽早采用对环境无危害的制冷剂；

第二方面是热泵热水器，二氧化碳在超临界条件下放热存在一个相当大的温度滑移，有利于将热水加热到一个更高的温度；

第三方面是考虑到二氧化碳良好的低温流动性能和换热特性，采用它作为复叠制冷循环低温级制冷剂。

在复叠式制冷系统中，二氧化碳循环在亚临界条件下运行。此时二氧化碳用作低压级制冷剂，高压级用NH3作制冷剂。与其它低压制冷剂相比，即使处在低温，二氧化碳的粘度也非常小，传热性能良好，因为利用潜热，其制冷能力相当大。

目前，欧洲在超市中已建立了几个这种用二氧化碳作低温制冷剂的复叠式制冷系统，运行情况表明技术上是可行的，这种系统还适用于低温冷冻干燥过程。

当前关于R22制冷剂的替代国际上主要有两种技术方案：

一种是以北欧国家和韩国为代表，其主张采用天然工质作为替代物，如纯工质R290、R1270、R744、R600a、R600、R717等，以及HCs类的混合物；

另一种是以美国和日本为代表的采用HFCs作为替代物，如美国联合信号公司的非共沸混合物R410A、杜邦公司和I.C.I公司的混合物R407C，以及R32和R152a等，这些制冷剂的ODP均为0，能够达到保护臭氧层的目的，但是会产生温室效应。

目前看来，二氧化碳在国内市场的前景，还有点像“雾里看花”，就像王立群所言，他们都了解它的好，但真正用的少。国内空调行业暂时看不到二氧化碳发展的影子，其在国内冷冻冷藏市场也才刚刚迈步，但在热

泵热水器领域，国内即将出台二氧化碳热泵热水器的核心配件标准——GB/T26181-2010。参与标准制定的上海日立电器有限公司热泵推进办公室部长乐红胜认为，虽然在国内采用二氧化碳制冷剂的热泵热水器还没问世，核心部件压缩机也处于研发阶段，“但这一超前标准的制定，将会对产品的市场推广起到良好的作用。”

CO2制冷剂的性质

（一）CO2制冷剂具有的主要优势

1．CO2是天然物质，ODP=0，GWP=1。使用CO2作为制冷工质，对大气臭氧层没有破坏作用，可以减少全球温室效应，来源广泛，勿需回收，可以大大降低制冷剂替代成本，节约能源，从根本上解决化合物对环境的污染问题，具有良好的经济性。

2．CO2安全无毒、不可燃，并具有良好的热稳定性，即使在高温下也不会分解出有害的气体。万一泄漏对人体、食品、生态都无损害。

3．CO2具有与制冷循环和设备相适应的热物性。分子量小，制冷能力大，0℃的单位制冷量比常规制冷剂高5～8倍，因而对于相同冷负荷的制冷系统，压缩机的尺寸可以明显减小，重量减轻，整个系统非常紧凑；润滑条件容易满足，对制冷系统常见材料无腐蚀，可以改善开启式压缩机的密封性能，减少泄漏。

4．CO2黏度小，0℃时CO2饱和液体的运动黏度只是NH3的5.2%、R12的23.8%，流体的流动阻力小，传热性能比CFC类制冷剂更好，可以改善全封闭制冷压缩机的散热。

（二）CO2制冷剂存在的主要缺点及分析

1．CO2临界压力较高（7.38MPa），因此CO2跨临界制冷循环的工作压力较传统的亚临界两相制冷循环的工作压力高得多，约为传统制冷工质CFC或HCFC系统压力的６～８倍。

所以制冷系统中工质流经的管路系统必须经安全性分析。但是由于CO2的单位容积制冷量约为常规制冷剂的5～8倍，系统所需的CO2容积流量很小，而设备内气体的爆炸能量为压力与容积乘积的函数，所以虽然系统的工质压力高，但容积较小，其压力和容积的乘积与常规工质相差不大，设备内气体的爆炸能量增加的并不多。

以可靠性理论为依据，根据CO2跨临界制冷系统管道可靠性的不同影响因素及其变化规律，对不同管材情况下的可靠性进行深入地研究与分析，得到的结论是：当管路系统的管外径给定时，只要合理地选择管材和管壁厚度，就能保证系统在给定压力下运行的可靠性和安全性，CO2跨临界循环较高的运行压力是可以得到合理解决的；现有钢管基本可以直接应用，而现有铜管则需根据管径和壁厚经安全性分析后选用。因此CO2运行工作

压力较高所引起的安全性问题，并不会影响CO2作为环保制冷剂推广应用的障碍。

2．CO2单级压缩跨临界循环的性能系数COP比相同温度条件下的R12、R22、R134a等常规制冷剂的制冷性能系数都低。针对CO2制冷循环性能系数低的缺点，学者们经研究探索发现，完全可以通过完善系统循环方式、优化系统设备来解决，如采用双级压缩和采用膨胀机回收一部分膨胀功的措施加以改善，来提高制冷循环效率。有理论分析表明，采用膨胀机CO2跨临界循环的效率要高于常规制冷工质的节流膨胀循环。

CO2制冷剂的应用前景

自前国际制冷学会主席G．Lorentzen提出采用CO2作为环保制冷剂及跨临界循环理论以来[7]，CO2在环保和性能上的优势越来越多地吸引了世界各国学者研究的注意力，其系统和部件的开发也得到了很大的发展，现有研究结果表明，CO2系统在高环境温度（45℃以上）时，制冷性能低于传统系统，35～45℃间与传统系统相近，35℃以下时性能更优[5]。目前CO2跨临界循环在汽车空调、热泵、商用制冷装置、食品冷藏冷冻等方面的应用前景都很好，性能都相当于甚至好于原来采用R22或R12或R134a 的制冷装置，特别适用于需要大的温度变化的场合，而且在较低的蒸发温度下性能较好。