二氧化碳跨临界制冷循环.pdf

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，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COP，

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100MPa，有时甚至要求在150MPa。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