二氧化碳在冷库制冷系统的应用

C O2在冷库制冷系统的应用

辽宁石油化工大学汤玉鹏一、C O2作为制冷剂的发展历史

在19世纪末至20世纪30年代前，C O2（R744），氨（R717），S O2（R764），氯甲烷（R40）等曾被广泛应用。

1850年，最初是由美国人A l e x a n d e r T w i n i n g提出在蒸汽压缩系统中采用C O2作为制冷剂，并获英国专利[1]。

1867年，T h a d d e u s S C L o w e首次成功使用C O2应用于商业机，获得了英国专利。于1869年制造了一台制冰机。

1882年，C a r l v o n L i n d e为德国埃森的F K r u p p公司设计和开发了采用C O2

作为工质的制冷机。

1884年，WR a y d t设计的C O2压缩制冰系统获得了英国15475号专利。澳大利亚的J Ha r r i s o n设计了一台用于制冷的C O2装置获得了英国1890号专利。

1886年，德国人F r a n z Wi n d h a u s e n设计的C O2压缩机获得了英国专利。英国的J&E Ha l公司收购了该专利，将其改进后于1890年开始投入生产。

19世纪90年代美国开始将C O2应用于制冷。

1897年K r o e s c h e l B r o s锅炉公司在芝加哥成立了分公司，生产C O2压缩机。

1919年前后，C O2制冷压缩机才被广泛应用在舒适性空调中。

1920年，在教堂的空调系统中得到应用。

1925年，干冰循环用于空气调节。

1927年，在办公室的空调系统中得到使用。

1930年，在住宅的空调系统中得到使用，后来又被用于各种商业建筑和公共设施的空调制冷系统。

C O2制冷曾经达到很辉煌的程度。据统计，1900年全世界范围内的356艘船舶中，37%用空气循环制冷机，37%用氨吸收式制冷机，25%使用C O2蒸气压缩式制冷机。发展到1930年，80%的船舶采用C O2制冷机，其余的20%则用氨制冷机。由于当时的技术水平比较差，C O2较低的临界温度（31.1℃）和较高的临界压力(7.37MP a)，使得C O2系统的效率较低。加上其冷凝器的冷却介质多采用温度较低的地下水或海水，基本属于亚临界循环。当水温较高时（如热带海洋上行驶的轮船其冷却水的温度可接近30℃），其制冷效率会更加下降。所以C O2制冷技术并没有进一步开发运用于汽车空调、热泵等。

1931年，以R12为代表的C F C s制冷剂一经开发，便以其无毒、不可燃、

不爆炸、无刺激性、适中的压力和较高的制冷效率，很快取代了C O2在安全制冷剂方面的位置，C O2逐渐不再被作为制冷剂使用。

C O2制冷剂的再受重视

由于C F C s对于臭氧层和大气变暖的不利影响，保护环境，实现C F C s替代成为全世界共同关注的问题。从1985年的《保护臭氧层的维也纳公约》到1987年的《蒙特利尔议定书》，以及1990年伦敦会议和1992年哥本哈根会议对蒙特利尔议定书的修正，世界范围内的C F C s替代进程在不断加快。1991年6月，我国在修改的《蒙特利尔议定书》上签字，成为缔约国之一。1992年5~7月编制了“中国消耗臭氧层物逐步淘汰国家方案”，并于1993年1月经国务院批准。这样按国家方案，逐步淘汰消耗臭氧层物质已经成为一项国际责任。

C F C s替代的首要原因是因为它们破坏臭氧层，因此新的替代工质必须对于臭氧层没有破坏。HF C类工质，因为对于臭氧层没有破坏力，成为替代C F C s的重要工质。特别是HF C134a作为C F C12的替代物已被大规模生产与应用。HF C s虽然不破坏臭氧层，但它们化学性稳定，释放后能够积累，这最终导致明显的温室效应。虽然人们可以努力合成性能更佳的工质，但由于制冷剂的使用量非常大，最终将不可避免地有相当部分泄漏到大气中去。任何大量人工合成物质排放到自然界中，都会对于环境造成影响，因此现在一种普遍的观点是采用自然工质。前国际制冷学会主席，挪威的G L o r e n t z e n在1989~1994年大力提倡使用自然工质[2,3]，特别是对于C O2的研究与推广应用上起了很好的带头作用。从此C O2制冷装置的研究与应用又一次成为在全球范围内受重视的热点。

二、C O2制冷剂的性质

C O2（R744）是在19世纪60年代研究成功的一种制冷剂，它的标准

沸点

-78.2℃，凝固温度-56.55℃，临界压力7.372Mp a，临界温度31.1℃。0℃时的容积制冷量5398K c a l/m³，ODP为0，G WP为1。

（一）C O2制冷剂具有的主要优势

1、环境友好性。C O2是天然物质，ODP=0（臭氧层潜能值为0），G WP=1（全球气候变暖潜能值为1）。对大气臭氧层没有破坏作用，可以减少全球温室效应。

2、无毒、不燃。C O2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。

3、价格便宜（不需要回收设备）。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，解决化合物对环境的污染问题，具有良好的经济性。4、单位容积制冷量大（系统体积小）。分子量小，制冷能力大。可减少制冷设备与管道尺寸。

5、与普通润滑剂和结构材料相兼容。可适应各种润滑油和常见机械零部件材料。

6、传热性能和流动性能好。C O2黏度小，流体的流动阻力小，传热性能比

C F C类制冷剂好。

（二）C O2制冷剂存在的主要缺点

1、运行压力高。C O2临界压力7.38MP a，C O2跨临界制冷循环的工作压力最高可达到10MP a约为传统制冷工质C F C或HC F C系统压力的６～８倍。

2、管材、管件、阀门高要求。在大、中型制冷系统中通过控制C O2制冷剂的含水量，采用以碳钢为主的管道材料，使系统综合成本最低。如果不控制含水量，C O2制冷设备和管道都需要采用不锈钢或铜材防腐，导致造价升高。系统高压力对管材、管件、阀门提出更高要求，成本也更大。此外管道若采用不锈钢或16Mn r，不锈钢焊口需经过处理，否则容易腐蚀，16Mn r焊接后需经过热处理，在中国现有条件下，现场没法进行处理，如果出现问题，危险性更大。中国没有这方面的规范和部门对此进行检验，检验标准生产厂家按自己厂家的标准执行。

3、水的影响。C O2系统中如果有水分，不但会造成冰堵，C O2和水反应生产碳酸，对系统造成腐蚀。通常在系统中增加干燥过滤器，经常更换干燥过滤器，但在如此高的压力下，更换过滤器，对设备管理人员提出了更高的要求。

4、临界温度低。C O2的临界温度是31.1℃，在传统的C O2亚临界循环下要求冷凝温度低于31.1℃，这也使循环过程很接近临界点，导致相变过程线较短，使得循环的单位制冷量小，C OP(制冷效率)低。

5、C O2冲霜的问题。如果采用电融霜，运行费用非常高；采用水融霜，融霜时