1、新型制冷劑CO的性能分析及應(yīng)用摘要：本文分析總結(jié)了 CO的物理化學(xué)性質(zhì)和制冷特性；闡述了制冷循環(huán)的基本原理；介紹了 CO制冷技術(shù)在汽車空調(diào)、熱泵系統(tǒng)和復(fù)疊式制冷系統(tǒng)等方面的應(yīng)用。引言由于全球氣溫變暖、氣候異常等環(huán)境問題日益嚴(yán)重，環(huán)保節(jié)能成為整個(gè)國際社會的焦點(diǎn)問題之一。近幾十年來制冷空調(diào)行業(yè)等，大量使用CFCs和HCFCs制冷工質(zhì)，造成大氣臭氧層空洞和溫室效應(yīng)的危害，已被人們廣泛認(rèn)同。CFCs對于臭氧層和大氣變暖的不利影響，保護(hù)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)CFCs替代成為全世界共同關(guān)注的問題。HFCs類工質(zhì)，因?yàn)閷τ诔粞鯇記]有破壞力，成為替代 CFCs的重要工質(zhì)。但它們化學(xué)性穩(wěn)定，釋放后能夠積累，這最終導(dǎo)致明 顯

2、的溫室效應(yīng)。雖然人們可以努力合成性能更佳的工質(zhì)，但由于制冷劑的使用量非常大，最終將不可避免地有相當(dāng)部分泄漏到大氣中去。任何大量人工合成物質(zhì)排放到自然界中，都會對于環(huán)境造成影響，因此現(xiàn)在一種普遍的觀點(diǎn)是采用自然工質(zhì)。因此CO制冷裝置的研究與應(yīng)用又一次成為在全球范圍內(nèi)受重視的熱點(diǎn)。由于自然工質(zhì)CO以其良好的環(huán)保特性、優(yōu)良的傳熱特性和相當(dāng)大的單位容積制冷量等 優(yōu)點(diǎn)，前國際制冷學(xué)會主席 G.Lorentzen認(rèn)為二氧化碳是無可取代的制冷工質(zhì)，并提出跨臨界循環(huán)理論，指出其可望在汽車空調(diào)和熱泵領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。他的主張得到眾多學(xué)者的大力支持，從而在全球范圍內(nèi)掀起了一股CO制冷工質(zhì)的再開發(fā)與研究熱潮。因此，

3、本文將CO的物理化學(xué)性質(zhì)和制冷特性；闡述了制冷循環(huán)的基本原理及其應(yīng)用。1、CO的物理性質(zhì)在常溫常壓下，二氧化碳是無色無味的氣體，如圖1-1所示，二氧化碳三相點(diǎn)溫度為-56.6 C,壓力為0.518MPa；其臨界溫度為31.1 C，臨界壓力為7.38MPa,臨界密度p c = 369.71 kg/m3。從對環(huán)境的影響來看，CO是除水和空氣以外，與環(huán)境最為友善的制冷工質(zhì)。CO的ODP( Ozone Depression Potential)為0, GWF僅為1, CO是工業(yè)領(lǐng)域僅次于水和空氣的環(huán)保物質(zhì)，是制冷制中對環(huán)境影響最小的工質(zhì)，不會破壞臭氧層，對全球變暖的作用很小，況且作為制冷劑的CQ無論是

4、自然提取或是利用工業(yè)廢氣，這反而都有助于減少溫室氣體的排 放。此外，CO作為制冷工質(zhì)還有許多獨(dú)特的性質(zhì)：(1) 良好的安全性和化學(xué)穩(wěn)定性，不可燃，即便在高溫下也不分解產(chǎn)生有害氣體，可適應(yīng)各種潤滑油和常用機(jī)械零部件材料；(2) 單位容積制冷量相當(dāng)高，可減小制冷系統(tǒng)與熱泵設(shè)備尺寸。(3) 優(yōu)良的流動特性，動力粘度低，設(shè)備壓降損失較小；(4) 優(yōu)良的傳熱特性，導(dǎo)熱系數(shù)較大，換熱效果好；(5) CO2制冷循環(huán)的壓縮比要比常規(guī)工質(zhì)制冷循環(huán)低，壓縮機(jī)的容積效率可維持在較高的水 平。綜上所述，二氧化碳以其良好的環(huán)保性、優(yōu)良的流動傳熱特性和相當(dāng)大的單位容積制冷量等優(yōu)點(diǎn)，再度受到了人們的廣泛重視。前國際制冷學(xué)會

5、主席G.Lorentzen認(rèn)為CO是無可取代的制冷工質(zhì)。圖1-1 CO2相圖表1為二氧化碳與幾種常用制冷劑各種性質(zhì)參數(shù)之間的比較。從表1中可以看到二氧化碳的兩個(gè)特點(diǎn)：表1幾種制冷工質(zhì)的性能比較名稱R744R717R12R22Rl34a分子式CONJhCI-,ChCHCFj二相點(diǎn)Jii力* hfpa15180.006()6().UM川 1三-三相點(diǎn)溫度弋-56.55-77.7-15S” )6()-10 L0消耗臭氧潛能值ODP0nIHJI550全球變暖潛能GIFPdOOa)1IIX5(KI170013U0臨界溫度rc31.1133.0112096,()1017臨界壓力*風(fēng)詁7.37211.424

6、J134.9744.0550 9時(shí)容枳制冷量kJ/rtf22 60()43611274(43442S6O1)、三相點(diǎn)壓力較高，為0.518MPa,是大氣壓的5倍多，因此在常壓下CO只存在固相和氣相， 而不存在液相。所以在一個(gè)大氣壓下，CO只存在固液兩相的轉(zhuǎn)化，也就是我們熟悉的干冰升華凝華。2)二氧化碳臨界點(diǎn)溫度很低，為 31.1 C，因此在傳統(tǒng)的CO亞臨界循環(huán)下要求冷 凝溫度低于31.1 C,這也使循環(huán)過程很接近臨界點(diǎn)，導(dǎo)致相變過程線較短，使得循環(huán)的制冷量較小，CO低。但是較低的臨界溫度也使二氧化碳很容易達(dá)到超臨界狀態(tài)，使CO的跨臨界循環(huán)和超臨界循環(huán)在實(shí)際中成為可能。2、CO的制冷循環(huán)形式CC

7、2的循環(huán)形式基本有三種：超臨界 CO制冷循環(huán)、跨臨界 CQ循環(huán)、亞臨界CO制冷循環(huán)， 此外最近也有學(xué)者提出了 CO蒸氣-固體顆粒的制冷循環(huán)。(1) 亞臨界制冷循環(huán)：指壓縮機(jī)的吸、排氣壓力都低于臨界壓力，蒸發(fā)溫度和冷凝溫度也低于臨界溫度，并且循環(huán)的吸、放熱過程都在亞臨界條件下進(jìn)行，換熱過程主要依靠潛熱來完成的制冷循環(huán)。其循環(huán)過程如圖2所示。早年的CO制冷循環(huán)多為亞臨界循環(huán)，由于其制冷效率低，目前主要用于復(fù)疊制冷循環(huán)中；圖2 CO,亞臨界制冷淅環(huán)畀 Tr 團(tuán) b Hg P h(2) 跨臨界制冷循環(huán)：指壓縮機(jī)的吸氣壓力低于臨界壓力，蒸發(fā)溫度低于臨界溫度，但壓縮機(jī)的排氣壓力高于臨界壓力；循環(huán)的吸熱過程

8、在亞臨界條件下進(jìn)行，換熱過程主要是依靠潛熱來完成，但循環(huán)的冷卻換熱過程依靠顯熱來完成，其循環(huán)過程如圖3所示。此時(shí)的高壓換熱器不再稱為冷凝器，而稱為氣體冷卻器(簡稱氣冷器)。跨臨界制冷循環(huán)是當(dāng)前 CO制冷循環(huán)研究中最為活躍的領(lǐng)域；(3) 超臨界循環(huán)：指所有的循環(huán)狀態(tài)都在臨界點(diǎn)以上，工質(zhì)的循環(huán)過程沒有相變，不能變?yōu)橐簯B(tài)，實(shí)際上是氣體循環(huán)，如圖4所示。這種循環(huán)方式在原子能發(fā)電時(shí)采用，一般不用于制冷空調(diào)領(lǐng)域；圖4超臨界制冷循環(huán)ffl b )lg P -h 33(4) CO蒸氣-固體顆粒的制冷循環(huán)： 如圖1的CO三相圖所示，CO的三相點(diǎn)溫度為-56.6 C, 使CQ制冷循環(huán)不能獲得-56.6 C以下的低

9、溫環(huán)境，所以也有人提出一種利用 CQ蒸氣固體顆粒 作為制冷劑的制冷系統(tǒng)，可以以 CQ為工質(zhì)獲得三相點(diǎn)以下的溫度。3、CQ制冷工質(zhì)的應(yīng)用氧化碳作為一種制冷劑主要應(yīng)用在三個(gè)領(lǐng)域: 熱泵熱水器、汽車空調(diào)和冷凍冷藏系統(tǒng)。3.1 CO 2在汽車空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用目前汽車空調(diào)中主要采用 R134a工質(zhì)，據(jù)1997年底在日本簽署的 京都議定書，R134a 也是將被淘汰的工質(zhì)。以后汽車空調(diào)新型制冷劑中最具潛力的是CQ，CO汽車空調(diào)最初是由挪威SINTEF研究所的G.Lore ntzen 和J. Petters on等人提出的。CQ應(yīng)用于汽車空調(diào)有許多優(yōu)勢：1）汽車空調(diào)制冷劑易泄露、排放量大，采用CQ作為制冷劑具

10、有完全環(huán)保的特點(diǎn)；2）CQ壓縮比低，因此壓縮機(jī)效率高，同時(shí)，高壓側(cè)CQ溫度變化大，使進(jìn)口空氣溫度與CQ的排氣溫度可以非常接近，這樣，也減少了高壓側(cè)不可逆?zhèn)鳠嵋鸬膿p失。3.2 CQ2在熱泵系統(tǒng)中的應(yīng)用二氧化碳熱泵熱水器具有的較高排氣溫度和較大的溫度滑移（約80100C），這與冷卻介質(zhì)的溫升過程相匹配，使其在熱水器應(yīng)用方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢。跨臨界 CQ熱泵及其部件 的開發(fā)研究已經(jīng)成為目前制冷領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一。研究表明：1）在蒸發(fā)溫度為0C時(shí)，水溫可以從10C加熱到60C，其性能系數(shù)可達(dá)到4.3，比電加熱熱水器和燃?xì)鉄崴髂芎目山档?5%以上; 2）傳統(tǒng)熱泵熱水器制取熱水一般不超過55C，若要制得較高

11、溫?zé)崴畡t制熱系數(shù)下降；而CQ熱泵熱水器由于采用跨臨界循環(huán)，在氣體冷卻器中的換熱溫差小，換熱效率高，能制得90 C高溫?zé)崴?）在商用和住宅建筑的能量需求中，約有1/41/3來源于對熱水的需求。采用CQ熱泵為商用和住宅建筑供應(yīng)熱水，可使其總用能量減少 20% 4）在寒冷地區(qū)，傳統(tǒng)空氣源熱泵的制熱量和效率隨環(huán)境溫度 的降低下降很快，熱泵的使用受到限制；而CQ熱泵系統(tǒng)在低溫環(huán)境下能夠維持較高的供熱量，大大節(jié)約輔助加熱設(shè)備所耗費(fèi)的能量。CQ 2作為制冷工質(zhì)在熱泵中的應(yīng)用，將有效解決空調(diào)冷熱源面臨的資源與環(huán)境的壓力，由于其節(jié)能的潛力非常大，開發(fā) CQ熱泵熱水器的市場前景廣闊，意義重大。3.3 CQ2在復(fù)

12、疊式制冷系統(tǒng)中的應(yīng)用CQ 2作為制冷劑的另一個(gè)較有前途的應(yīng)用方式就是在復(fù)疊式制冷系統(tǒng)中用作低溫級制冷劑。在復(fù)疊式制冷系統(tǒng)中，一般用CG作低溫級制冷劑，而高溫級制冷劑用NH或R290b與其它低溫級制冷劑相比，即使處在低溫，CQ的粘度也非常小，傳熱性能良好，制冷能力相當(dāng)大。在冷凍冷藏領(lǐng)域，二氧化碳以其穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)十分適合在食品冷鏈中應(yīng)用。世界各國都有對二氧化碳制冷劑的研究，部分發(fā)達(dá)國家已經(jīng)投入使用，如日本，二氧化碳熱泵熱水器已經(jīng)成為日本政府提倡的熱泵熱水器；在歐洲，汽車空調(diào)和超市食品冷凍方面也相繼使用了二氧化碳。許多世界知名品牌也相繼宣布使用二氧化碳制冷劑，寶馬、豐田、 大眾等公司紛紛宣布使用二

13、氧化碳作為汽車空調(diào)制冷劑，可口可樂公司也宣布在其自動售貨機(jī)的冷凍系統(tǒng)中使用二氧化碳，Danfoss等企業(yè)在歐洲也逐步使用二氧化碳食品冷凍系統(tǒng)。.氧化碳作為制冷劑仿佛已經(jīng)是一種歷史的潮流。4結(jié)語CO以其對環(huán)境的無害性和良好的制冷性能引起了人們的關(guān)注，被前國際制冷學(xué)會主席G.Lorentzen認(rèn)為是無可取代的制冷工質(zhì)。毫無疑問，CO作為制冷工質(zhì)可以應(yīng)用于制冷空調(diào)系統(tǒng)的大部分領(lǐng)域， 就目前發(fā)展現(xiàn)狀而言， 在汽車空調(diào)、熱泵和復(fù)疊式循環(huán)等領(lǐng)域應(yīng)用前景 良好。參考文獻(xiàn)1 GLORENTZEN. The use of naturalrefrigerants:a completepredicamentJ. Int.J.Refrig.， 1995， 18 （ 3） : 190197.2 R E BANKS. Scepticismabout R134a justified. Refrig. Air Con dit.3 LORENTZENG.Revival of1993，66（721）: 914.4 丁國良，黃冬平，張春路2001，22（ 3）:272274.丁國良，黃冬平，張春路3:1723.carb on dioxide as a refrigera ntJ.跨臨界二氧化碳