二氧化碳跨临界制冷循环

二氧化碳跨临界制冷循环
摘要：CO2是一种环保型的自然工质，它对臭氧层不产生任何破坏作用且具有较小的温室效应。

本文概述跨临界C02制冷循环的原理，提出几个影响该循环的技术关键。

介绍跨临界CO2循环的相关应用领域，指出CO2作为性能良好的自然工质有着很好的发展前景。

关键词：二氧化碳；制冷；跨临界循环
引言
由于制冷剂中氯原子对大气臭氧层有破坏作用，《蒙特利尔协议》规定R12 等CFCS（氯氟碳）在制冷工质中被禁用，危害程度较小的R22 等HCFCS（氢氯氟碳）的禁用日期也一再提前。

目前已获应用的R134a，R410A，R407C 等HFCS （氢氟碳）仍是一类新的化学合成物，它们不仅制造成本昂贵，而且已被证明能产生较为严重的温室效应。

另外，随着研究的深入，有可能证明HFCS 在其它方面也有危害。

因此，在制冷系统中对地球生物圈中原来就有的“自然工质”进行研究，已成为近年来的前沿课题之一。

二氧化碳（R744）目前被称作是一种被遗忘的制冷剂，它在19世纪被广泛地使用，从20世纪30年代后被冷落。

现在，大家认为：已经到了使用现代的高新技术重新利用二氧化碳的时候了。

1.CO2制冷
二氧化碳基本上不会引起环境问题，它无毒不燃，具有氨和烃类制冷剂所不可及的一些优点。

另外它价廉，与一般的制冷设备和润滑系统都相容。

它可以高度压缩，因此可以利用先进设备及设计大大减小压缩机的体积和管道直径。

它在高压下良好的传热效果是该制冷剂的另一个优点。

总而言之，在满足制冷要求的情况下，使用二氧化碳制冷剂可以大大降低设备的投资。

2.工作原理
跨临界蒸汽压缩式制冷循环是利用气体液化后可吸收蒸发（汽化）潜热的特性以达到制冷的目的。

跨临界系统由压缩机C ，气体冷却器G ，内部热交换器I，节流阀V ，蒸发器E 与储存器A组成封闭回路，以CO2为工作介质，气体工质在压缩机C 中升压至超临界压力P2，在T 一S 图上为过程1一2 ，然后进入气体冷却器G 中，被冷却介质（空气或冷却水）所冷却。

为了提高系统的性能系数C O P ，出气体冷却器后的高压气体在内部热交换器中进一步冷却。

它是用压缩机回气管前面的低压低温蒸汽过热这一回热原理实现的，此即过程3一4。

理想情况下，焓降h3一h4=h1’一h0。

然后用节流阀减压，经节流后的气体被冷却，且部分气体液化，湿蒸汽进入蒸发器 E 内汽化，大量吸收周围介质的热量，即输出冷量。

蒸发器中液体并不全部汽化，而是设计成有少量液体盈余，因此其出
口状态O’将在两相区内，这对提高蒸发器传热效率十分有利。

正因为如此，E 出口须配置储存器A ，并与之形成一体，以防压缩机液击和便于压缩机回油（专用回油管道如图上虚线所示）。

储存器出来的低压饱和蒸汽进入内部热交换器的低压侧通道，吸收高压高温的超临界气体的热量后，成为过热蒸汽进入压缩机升压。

如此周而复始完成循环。

图1 跨临界制冷循环系统及其T-S图
目前CO2制冷系统面临的最大问题就是循环过程中需要非常高的压力，这个压力通常都会大于100 MPa，有时甚至要求在150 MPa。

对于这么高的压力，系统很多部件都要经受考验，比如O型圈等各种密封圈，在这么大压力下的使用寿命就成了一个棘手的问题。

但从另一方面高压又是跨临界CO2循环的一个优势所在。

超临界的体积热容比传统工质大很多（5～8倍），故对于给定的热容量来说，需要的CO2工质便成倍减少。

这样CO2制冷系统所需的工质量就有可能比其他工质的少很多，例如相比CFC一12，CO2工质能量密度的提升可使系统的管道直径是CFC一12的30%，虽然增压后管道的壁厚相应增加1倍，但由于管道流通面积的大幅减小还可使管道的重量减少30%～40%…。

这样跨临界CO2制冷系统就确立了自己的优势，例如在汽车空调领域中，系统体积和重量的大幅减小是非常重要的。

3.CO2跨临界循环设备的研究和开发
3.1压缩机
容积效率、指示效率是压缩机工作性能的衡量指标。

CO2压缩机吸排气压差很大，克服流动阻力需要的压差相对很小，与常用系统相比，吸排气阀损失对指示效率的影响也就很小。

CO2压缩机压比小、汽缸内余隙容积的再膨胀行程较短，阀打开较早，所以压缩机容积效率较大。

在诸多因素中，气缸泄露对压缩机性能影响最大。

气缸泄露分为活塞与气缸间隙泄露和出口气阀泄露，在这其中，活塞间隙泄露又是影响压缩机工作状态的最重要因素。

要降低泄露，首先要减小密封长度，然后采取有效措施进行补漏。

这种压缩机的缺点是难于设计具有足够流通面积的阀，而且阀的能量损失较大。

在临界温度附近及其临界温度以上时，超临界CO2，过热和节流的损失很大。

对此，一个方法就是采用分级压缩；另一个方法是收集膨胀时的膨胀功。

此外，单级压缩时终末温度常达到200℃，不利于机器工作，而采用分级压缩时的温度可以降低30～50℃。

采用两级压缩会使系统体积变大，故设计时需要具体问题具体分析。

3.2蒸发器
制冷剂的物性特点是促使蒸发器向小管径、流量高密度和高换热系数方向发展的主要原因。

“平行流”式的蒸发器性能较高，是蒸发器今后的主要发展方向。

CO2平行微管式蒸发器由平行微管、积液管和微管之间的空气肋片构成，与空气冷却器的结构形式相同。

但在蒸发器内，CO2的密度变化幅度高于气体冷却器，所以用于蒸发器的微管数相对也比较多。

3.3空气冷却器
空气冷却器是跨临界CO2循环的一个重要组件，它的设计对循环的可靠性和效率影响很大。

出于跨临界CO2循环的特性，其冷却过程不同于传统制冷工质的恒温冷凝过程，有很大的温度梯度，因此需要与之温度梯度相匹配的空气冷却换热器。

目前有“近逆流”换热器，此装置的热流密度要比叉流好得多。

在空冷器的空气侧，工质的通道开了很多微槽，槽上设有微肋片。

通道的排列是蜿蜒的，管道和空气侧的换热是有序的。

这种排列方式的优点是CO2和空气之间的换热非常类似于逆流，这对CO2的非恒温换热是非常重要的；CO2工质的出口温度非常接近于空气的人口温度，对于合理降低出口工质的焓非常关键。

而在叉流换热器中，工质的出口温度接近空气的混合平均出口温度，而不是更低的实际入口温度。

近逆流换热器中焓值的降低可使CO2工质在进蒸发器时的闪发变小，因此加强了冷却效果。

3.4膨胀机
对于CO2跨临界制冷循环系统来说，膨胀机的设计开发是其中比较困难的一步。

膨胀比的确定、泄露和耐压问题是需要解决的关键问题。

在膨胀机内，CO2由超临界状态发生膨胀后转入液态，并进一步膨胀至气液两相区，膨胀机内CO2的相态由此变化复杂，且在超临界状态下，CO2的物理参数在其向液态转变时会有不稳定性，膨胀比因此很难进行确定。

通过大量的研究报告发现，CO2膨胀机在其研制过程中，最关键的就在于其耐压与泄露问题的解决。

4.CO2跨超临界循环的研究与应用现状
目前CO2的研究和应用主要集中于三个方面：一方面是最急需替代制冷剂的应用场合，如汽车空调。

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，另一方面是考虑到CO2循环的特点最利于采用这种循环的应用场合，如热泵热水器则是考虑到CO2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的特点而倍受关注，再一方面是考虑到CO2的热物理性质和迁移性质特点，采用CO2作为制冷剂如考虑到CO2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。

5.CO2跨超临界循环应用前景
自从Lorentzen 提出采用CO2作为制冷剂以来，世界各国都对跨临界CO2制冷装置投入了大量人力物力进行了研究。

到目前为止，这些研究主要集中在CO2用于各个领域的可行性，包括进行温室效应、分析理想循环、分析制造样机试验CO2的特性、分析采用CO2的安全性、新的适用于CO2部件研究等方面。

在CO2用于各个领域的研究结果表明，跨临界CO2制冷循环在热泵空调商用制冷装置食品冷藏冷冻洗衣机干燥器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。

跨临界CO2制冷循环特别适合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在CO2的各个应用领域中。

跨临界CO2汽车空调特别引人注目，美国挪威欧洲各国日
本等国都对跨临界CO2汽车空调进行了样机实验，研究和理论分析，这一系统的可行性和性能得到了充分的论证，用它来替代氟里昂制冷系统指日可待。

但是对于该系统的研究才有10 年左右的时间，许多方面尚不完善。

目前的研究多针对系统较少针对部件的优化设计，仅有的部件研究要么就是设计简单是在R134a，R12，R22 的部件基础得到的，很少针对CO2本身，要么只是理论上的研究尚无样机生产和实验验证，因此系统和部件的各个方面都还有很大的改进余地。

如果根据CO2的特性对部件结构和系统运行情况进行优化，将提高系统性能。

这包括高效率压缩机、换热器的开发，能够良好控制系统运行状态节流控制部件的开发以及能够胜任两相膨胀的高效膨胀机的开发。

此外，降低系统和部件的成本是将CO2推向市场的前提条件。

目前对于CO2流动和换热性能的研究尚不成熟，没有通用的经验关联式，部分流动和换热的机理尚不明了，有待于进一步的研究，对于CO2制冷系统的安全性相关的研究有待于进一步加强，一方面要保证高压安全性，这包括两个方面：一是保证设计的各个系统部件及管道满足承压要求，二是保证系统超压情况下的安全性；另一方面要加强研究CO2和润滑油的相互作用，以及CO2与橡胶的渗透作用和爆发性解压作用，避免泄漏，提高安全性。

参考文献：
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