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CO2热泵空调系统在轨道交通领域应用

研究

摘要：轨道交通行业现在采用的主要制冷剂R134a、R407C和R401A都有较

高的GWP，作为自然工质的CO（ODP=0，GWP=1）是一个制冷剂理想的选择。本文

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对CO热泵空调系统的优缺点、优化研究方向及推广制约因素等情况进行了归纳

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总结。

关键词：CO2热泵空调轨道交通制冷剂跨临界循环

上世纪90年代开始，以《蒙特利尔议定书》为代表的国际性法律法规强制

逐步淘汰高臭氧层破坏潜能值（ODP）和高全球变暖潜能值（GWP）的制冷剂。

2021年9月15日《〈蒙特利尔议定书〉基加利修正案》在我国正式生效，进一

步加速了制冷剂的替代进程。目前在轨道交通车辆行业，空调系统主要采用的制

冷剂R134a、R407C和R401A，这几种制冷剂不含氯元素（ODP=0），但是GWP值

都较高（R134a为1300、R407C为1620、R401A为1920），急切的需求一种更加

环保的制冷剂作为替代品。从长期来看，作为自然工质的CO（ODP=0，GWP=1）

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是制冷剂理想的选择。

CO热泵空调系统优势：

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l)安全性能好,CO无毒且不可燃,化学性质非常稳定。

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2)来源广泛和价格优势明显,可从环境中获取也可从其它生产排放中收集,并

且无需回收或再生。

3)与材料和润滑油具有兼容性。

4)良好的传热和流动特性,0℃时CO饱和液体的动力粘度只有R134a的

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39.3%、R410a的62.1%,这使得CO在管道中的压力降较小;表面张力更小,小的表

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面张力可以减少结晶和气泡长大所需的过热量,对换热效果起到积极的作用。

5)绝热指数较高k=l.30,压缩机压比比其他制冷系统低,容积效率相对较高。

6)单位容积制冷量大,0℃时CO单位容积制冷量为2260OkJ/m,是CFCs、

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HCFCs与HFCs类制冷剂单位容积制冷量的3～8倍。

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CO热泵空调系统缺点：

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1）CO2跨临界循环系统运行压力高(冷却放热的高压侧压力在10MPa左右,低

压侧压力在3.5MPa左右)，系统较高的承压能力需要更复杂的系统配置，运行过

程中的安全因素也需慎重考虑；

2）较大的高低压差导致节流过程中的不可逆损失较大，并且排气温度较高，

导致CO热泵系统的运行效率较低。

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系统的优化研究：

现阶段对系统优化及性能提升的研究有如下几个方向:多级压缩、膨胀功回

收、增加回热器等。此外较高的系统运行压力，要求对换热元件进行重新的设

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计，近些年微通道换热器也是一个提高系统性能的研究方向。

双级压缩：在常规CO增压系统中引入辅助压缩机，可实现将气液分离器中

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的饱和蒸汽直接压缩至排气压力，后被高压级压缩机吸入压缩，减小不可逆损失。

膨胀机：采用CO膨胀机（Expander）代替传统节流装置，回收膨胀功，是

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提高跨临界CO循环COP的有效方式之一。

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回热器：利用回热使节流前的制冷剂液体与压缩机吸入前的制冷剂蒸气进行

热交换,使液体过冷、蒸气过热。回热器在制冷循环中具有重要作用:①降低冷凝

器出口工质温度获得更多热量;②减小节流损失获得更多冷量;③提高压缩机吸气

温度,避免压缩机液击。

喷射器：喷射