新型制冷剂CO2的能分析及应用.doc

新型制冷剂CO2的性能分析及应用 摘要：本文分析总结了CO2 的物理化学性质和制冷特性；阐述了制冷循环的基本原理；介绍了CO2 制冷技术在汽车空调、热泵系统和复叠式制冷系统等方面的应用。 引言 由于全球气温变暖、气候异常等环境问题日益严重，环保节能成为整个国际社会的焦点问题之一。近几十年来制冷空调行业等，大量使用CFCs和HCFCs制冷工质，造成大气臭氧层空洞和温室效应的危害，已被人们广泛认同。CFCs对于臭氧层和大气变暖的不利影响，保护环境，实现CFCs替代成为全世界共同关注的问题。HFCs类工质，因为对于臭氧层没有破坏力，成为替代CFCs的重要工质。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。因此CO2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。 由于自然工质CO2以其良好的环保特性、优良的传热特性和相当大的单位容积制冷量等优点，前国际制冷学会主席G.Lorentzen认为二氧化碳是无可取代的制冷工质[1]，并提出跨临界循环理论，指出其可望在汽车空调和热泵领域发挥重要作用。他的主张得到众多学者的大力支持，从而在全球范围内掀起了一股CO2制冷工质的再开发与研究热潮。因此，本文将CO2 的物理化学性质和制冷特性；阐述了制冷循环的基本原理及其应用。 1、CO2的物理性质 在常温常压下，二氧化碳是无色无味的气体，如图1-1所示，二氧化碳三相点温度为-56.6℃，压力为0.518MPa；其临界温度为31.1℃，临界压力为7.38MPa，临界密度ρc = 369.71 kg/m3。从对环境的影响来看，CO2 是除水和空气以外，与环境最为友善的制冷工质。CO2的ODP（Ozone Depression Potential）为0，GWP 仅为1，CO2是工业领域仅次于水和空气的环保物质，是制冷制中对环境影响最小的工质，不会破坏臭氧层，对全球变暖的作用很小，况且作为制冷剂的CO2无论是自然提取或是利用工业废气，这反而都有助于减少温室气体的排放。此外，CO2 作为制冷工质还有许多独特的性质： (1)良好的安全性和化学稳定性，不可燃，即便在高温下也不分解产生有害气体，可适应各种润滑油和常用机械零部件材料； (2)单位容积制冷量相当高,可减小制冷系统与热泵设备尺寸。 (3)优良的流动特性，动力粘度低，设备压降损失较小； (4)优良的传热特性,导热系数较大，换热效果好； (5)CO2 制冷循环的压缩比要比常规工质制冷循环低，压缩机的容积效率可维持在较高的水平。 综上所述，二氧化碳以其良好的环保性、优良的流动传热特性和相当大的单位容积制冷量等优点，再度受到了人们的广泛重视。前国际制冷学会主席G.Lorentzen认为CO2是无可取代的制冷工质。 表1为二氧化碳与几种常用制冷剂各种性质参数之间的比较。从表1中可以看到二氧化碳的两个特点： 1）、三相点压力较高，为0.518MPa，是大气压的5倍多，因此在常压下CO2只存在固相和气相，而不存在液相。所以在一个大气压下，CO2只存在固液两相的转化，也就是我们熟悉的干冰升华凝华。2）二氧化碳临界点温度很低，为31.1℃，因此在传统的CO2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，使得循环的制冷量较小，COP低。但是较低的临界温度也使二氧化碳很容易达到超临界状态，使CO2的跨临界循环和超临界循环在实际中成为可能。 2、CO2的制冷循环形式 CO2的循环形式基本有三种：超临界CO2制冷循环、跨临界CO2循环、亚临界CO2制冷循环，此外最近也有学者提出了CO2蒸气-固体颗粒的制冷循环。 （1）亚临界制冷循环：指压缩机的吸、排气压力都低于临界压力，蒸发温度和冷凝温度也低于临界温度，并且循环的吸、放热过程都在亚临界条件下进行，换热过程主要依靠潜热来完成的制冷循环。其循环过程如图2 所示。早年的CO2制冷循环多为亚临界循环，由于其制冷效率低，目前主要用于复叠制冷循环中； （2）跨临界制冷循环：指压缩机的吸气压力低于临界压力，蒸发温度低于临界温度，但压缩机的排气压力高于临界压力；循环的吸热过程在亚临界条件下进行，换热过程主要是依靠潜热来完成，但循环的冷却换热过程依靠显热来完成，其循环过程如图3 所示。此时的高压换热器不再称为冷凝器，而称为气体冷却器（简称气冷器）。跨临界制冷循环是当前CO2 制冷循环研究中最为活跃的领域； （3）超临界循环：指所有的循环状态都在临界点以上，工质的循环过程没有