第2章CO2制冷技术

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（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
2 CO2Байду номын сангаас冷技术
（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。
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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。
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(2) 换热器 1)气体冷却器
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。
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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？
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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； 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；
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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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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。
图2.12 CO2／NH3复叠式低温制冷系统示意图
制冷循环 单级压缩 双级压缩 复叠压缩 使用原因 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
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。
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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。
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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。
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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 。