马 飙,冀兆良

(1.河北科技大学建筑工程学院,河北石家庄050000;2.广州大学土木工程学院,广东广州510006)

1 前 言

制冷技术领域众所周知,包括R134a在内的HFCs类制冷剂及其混合型制冷剂,都有温室效应问题,不能够满足长期环保要求,因此,重新研究应用天然制冷剂越来越受到重视,甚至被誉为是解决环境问题的最终方案,CO2制冷剂就是其中之一。CO2作为制冷剂具有良好的热力性能和环保特性,CO2制冷剂跨临界循环的放热过程可以和变温热源相匹配,更接近劳仑兹循环,从而可得到较高的用能效率,这一点尤其受重视。与其它制冷剂相比,CO2具有下列优点:

1)ODP=0,且GWP=1,约为R134a、R22的千分之一;

2)运动粘度低,压缩比较低,单位容积制冷量大,有很好的传热性能;

3)来源广泛,价格低廉,制冷系统维护简单;

4)无毒、无臭、无污染,不燃、不爆,对常用材料没有腐蚀性[1]。

CO2制冷在应用上的不足之处主要是其临界温度低 (31.1℃),压力比小,排气压力高,节流损失大,材料耗费多,安全性可靠性较差,混入润滑油中后会导致润滑油粘性急剧下降。

CO2制冷系统在应用上需要研究和解决的问题主要有系统装置的结构设计和优化、CO2高效压缩机的研究开发、低温下CO2换热性能的研究及耐高压高效换热器的开发、膨胀机内部两相流过程的研究及膨胀机结构设计优化以及完善的控制策略设计、超临界CO2流动传输特性的研究、气体冷却器和蒸发器的结构设计和优化、跨临界循环系统的压比控制和容量调节方法的研究、系统的高压及超压情况下的安全性和系统润滑油的选择等。

2 CO2制冷剂应用研究现状

2.1 纯质CO2制冷剂在单级压缩制冷的应用研究

2.1.1 CO2跨临界制冷循环的应用研究

CO2跨临界制冷循环最早是由前国际制冷协会主席G.Lorentzen在20世纪80年代提出的,并开展了相关的研究工作,目前研究的CO2制冷系统很大部分都是采用的跨临界循环。

CO2跨临界制冷循环的流程与普通的蒸汽压缩式制冷循环略有不同,其循环过程如图1所示,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,冷却换热过程依靠显热来完成,此时的高压换热器称为气体冷却器。

图1 CO2跨临界制冷循环

CO2跨临界循环具有的特点:CO2的吸、放热分别在亚临界和跨临界区进行,高压侧的冷却过程中不发生相变,换热全部通过显热交换完成;CO2循环在跨临界条件下运行,其工作压力虽然较高,但压比却很低,压缩机的效率相对较高;CO2跨临界制冷循环在不同工况下,存在对应于最大COP值的最佳排气压力;CO2跨临界制冷循环用于热回收时,有较高的放热效率,用于较高温度和较大温差需要的热回收时具有独特的优势。

在现阶段,该系统的缺点是其效率较低,尤其是当环境温度较高时,此外,跨临界循环的排气压力高达12MPa左右,远高于常规系统,使跨临界循环的应用受到了一定限制。但由于跨临界循环具有鲜明的特点和特殊的应用前景,目前已成为CO2制冷循环最为活跃的研究方向。在基本的CO2跨临界循环的基础上,已发展出多种改进的CO2跨临界循环,如双级压缩CO2跨临界制冷循环、带膨胀机的CO2跨临界制冷循环、带引射器的CO2跨临界制冷循环、带引射器和经济器的CO2跨临界制冷循环等。所以改进和完善跨临界系统的循环方式、优化系统与设备是推广应用CO2的关键[2-3]。2.1.2 CO2超临界制冷循环的应用研究

CO2超临界循环与普通的蒸汽压缩式制冷循环完全不同,所有的循环状态都在临界点以上,工质的循环过程没有相变,不能变为液态,实际上是气体循环,其循环过程如图2所示,这种循环方式在原子能发电时采用,一般不用于制冷空调领域。

对于超临界CO2的几个基本特性虽已得到公认,但目前对于超临界CO2流动和换热性能的研究尚不成熟,虽然一些研究者通过大量的理论和实验研究得出了一些经验关联式,但仍然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。

图2 CO2超临界制冷循环

2.1.3 CO2亚临界制冷循环的应用研究

CO2亚临界制冷循环的流程与普通的蒸汽压缩式制冷循环完全一样,其循环过程如图3所示。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。早年的CO2制冷循环多为亚临界循环,目前,CO2亚临界循环主要用于低温冷冻设备所用复叠式制冷系统的低温级。

图3 CO2亚临界制冷循环

CO2亚临界系统的压力水平约为4MPa,与现有R410A系统压力相当,远低于跨临界循环12MPa左右的压力水平。亚临界方式或者含有亚临界的混合方式是CO2应用于超市制冷的重要方式,采用CO2亚临界复叠系统的低温应用越来越多,其竞争力也越来越强。

2.2 CO2制冷剂在复叠制冷循环的应用研究

CO2制冷剂在复叠式制冷系统中用作低温级制冷剂,高温级制冷剂用NH3或R290。J.Pettersen和A.Jakobsen的研究表明,与NH3两级压缩系统相比,低温级采用CO2的系统,可实现-45～-50℃的低温。

采用CO2作为复叠式制冷循环的低温级制冷剂有许多优点:

1)CO2在蒸发温度为-50℃以下时仍有足够的蒸发压力,可以满足目前食品低温保存的要求,而且蒸发器内不会产生负压;

2)由于CO2无毒、不可燃、没有气味,且相对分子质量比空气重,可以按照氢氟烃制冷剂的规程处理;

3)CO2是天然工质,对环境的影响小,在解决了工质替代问题的同时,第一级制冷剂的充注量还可以减少,而且第一级的制冷系统也可以在远离公众的场合设置,安全问题完全可以解决。

4)与其它的低温制冷剂相比,即使处于低温状况,CO2的黏度也非常小,传热性能良好,因为利用其潜热吸热,单位容积制冷量大,大大减小了所需换热器的面积,使得这种低温制冷系统具有很强的竞争力,同时系统的安装成本、操作和维护成本也可以减低。

目前,国际上对CO2复叠式制冷循环的应用已经比较普遍,国外许多超市和工厂都使用了CO2复叠式制冷。但是由于CO2的三相点温度为-56.6℃,这就限制了它在温度更低的制冷系统中的使用。为了用于低温系统,有人曾提出了使用CO2二元甚至多元混合做为低温级,即把CO2与R170或R1150等混合,做成混合制冷剂,由于R170的熔点低达-183.3℃,R1150的熔点为-169.14℃,所以混合物的熔点可低于-56.6℃,扩大了CO2应用于低温制冷的范围。

2.3 CO2混合制冷剂的制冷循环应用研究

2.3.1 CO2/二甲醚混合制冷剂跨临界制冷循环的研究

与纯质CO2相比,在制冷模式下,CO2/DME的系统运行压力降低了2 MPa,在制热模式下系统压力降低了1.9 MP,同时COP基本不变[4]。

对CO2/DME混合制冷剂的跨临界制冷循环性能的分析:

1)在保持跨临界制冷循环特性和CO2压缩机直接充灌的原则下,CO2/DME混合制冷剂的质量配比范围为90/10～100/0。

2)90/10质量配比的CO2/DME混合制冷剂的跨临界制冷循环特性与纯质CO2相比,制冷量、压缩机功耗、COP随高压侧压力的变化规律基本一致。在相同工况的制冷模式下,CO2/DME的COP比CO2提高了4.3%,最佳排气压力降低了3 MPa;制热模式下,CO2/DME的最优制热系数比CO2提高了3.1%,最佳排气压力降低了3 MPa。

3)在相同的过热度条件下,纯质CO2的COP增加幅度大于混合工质CO2/DME。

2.3.2 采用CO2天然混合制冷剂的制冷系统的研究

采用CO2混合工质,可以有效地改善纯的CO2系统存在的不足。针对三组CO2天然混合工质R744/R290、R744/R600、R744/R600a,在相同工况下,R744/R290的冷凝压力比R744R/R600高12%～23%,比R744/R600a高19%～24%;R744/R290的COP值比R744/R600高33%～41%,比R744/R600a高25%～32%。

3组天然混合工质的蒸气压缩制冷循环的分析:

1)随着三组混合制冷剂中CO2质量百分数的增加,制冷量呈下降趋势。随着蒸发器出口温度的增加,3组制冷剂的制冷量均上升。

2)制冷模式下3组混合制冷剂的系统COP均随CO2质量百分数的增加而下降,其中R744/R290的COP最大。

3)随着CO2质量配比的增加,3组混合制冷剂的制冷循环冷凝器压力逐渐升高。通过控制混合制冷剂中CO2质量百分数的大小,可以使其高压侧压力接近于传统蒸气压缩制冷系统的压力。在相同工况下,R744/R290的压力均明显高于其它两种混合制冷剂,也就是说R744/R600和R744/R600a的压力优势更明显[5]。

2.4 CO2制冷系统设备的应用研究

2.4.1 压缩机方面的应用研究

压缩机是制冷系统的关键部件,对整个系统的效率和可靠性影响最大。衡量压缩机工作性能的指标有指示效率和容积效率,其主要与气阀和气腔的压力损失、汽缸泄漏、气体与汽缸传热等因素有关。与使用普通制冷剂的压缩机相比,CO2循环压缩机具有工作压力高、压差大、压比小、体积小、重量轻、运动部件间隙难以控制、润滑较困难等特点。因此CO2压缩机的研究开发一直是制冷技术发展的难点。

德国的Jurgen Sub和Horst Kruse对CO2活塞式压缩机的指示效率进行了理论分析和实验研究,指出阀室的压力损失和气缸壁的传热损失对指示效率的影响很小,但气缸的泄漏损失对指示效率的影响很大,因此要降低泄漏就要减小密封长度,并采用有效的密封措施。美国马里兰大学Radermacher和日本静冈大学Fukuta合作进行了滑片式压缩机应用于CO2跨临界制冷循环的研究[6],结果表明滑片压缩机可作为单级压缩机、双级压缩机和压缩膨胀机应用于CO2跨临界循环中,泄漏损失是影响效率的主要因素,若把CO2压缩机的间隙量减小到R134a压缩机间隙量的三分之二,可获得相同的容积效率。近几年来,我国在CO2制冷技术研究方面也取得了较大进步,开发了CO2制冷压缩机样机,进行了性能模拟和实验研究[7],研究了CO2膨胀机[8-9]和CO2制冷系统喷射器[10],取得了阶段性研究成果。

目前,世界上许多知名公司都相继开发了不同形式的CO2压缩机,其中部分产品已经市场化和系列化,用于热泵热水器、大型超市陈列柜等,但成果的关键技术都处于保密阶段。意大利OFFICINE MARIO DORIN公司开发的半封闭式活塞CO2压缩机已开始批量生产,包括双缸单级和两级活塞压缩机,可用于空调和热泵。由于CO2输气量小且壳体厚,高转速下仍具有很好的噪声特性和振动特性,瑞士的苏黎世大学对应用在家庭热水器上的半封闭小型无油活塞式压缩机进行了开发研究。日本DENSO公司设计开发了用于CO2热水器的涡旋压缩机,还有日本MYCOM公司推出的CO2单级螺杆压缩机,主要应用于冷冻、空调系统,整个机组的设计是冷热同时利用,压缩机的排气用来加热热水,机组设油水蓄热槽,低温CO2用于制冷。同时,德国Bock公司、Danfoss公司等都分别进行了这一领域的研究和开发。文献 [11]分析了已开发的各种类型的CO2压缩机的特点,总结了在压缩机研究中的关键技术,认为在未来CO2压缩机发展方向是开发无油压缩机、双级压缩机和膨胀压缩机。

2.4.2 蒸发器的应用研究

由于物性特点,蒸发器的发展也是一个管径越来越小、流量密度越来越高、换热系数越来越大的过程。“平行流”式蒸发器具有较高的性能,是今后的发展方向。CO2平行微管式蒸发器是由积液管、平行微管和微管间的空气肋片组成,结构形式与空气冷却器相同,但由于蒸发器内CO2密度变化较气体冷却器大,因而蒸发器所需的微管数较多[12]。

2.4.3 冷凝器 (气体冷却器)的应用研究

CO2跨临界循环系统的运行压力较高,出口温度独立于出口压力,允许有较大的压降,并且CO2有良好的传热特性和容积制冷量,因此制冷剂侧一般设计成较大的流量密度 (600～1200kg/m2s)采用较小的管径,在1997年Lorentzen和Pettersen提出了铜制 “平行流”空气冷却器的概念。“平行流”空气冷却器由积液管、平行微管以及微管间的空气肋片组成。微管嵌入积液管的 “插槽”上。这种换热器管径更小,换热强度更高,结构更为紧凑,具有较大的潜力,成为气体冷却器的新标准。所以气体冷却器和蒸发器设计得更为紧凑、高效。对于气体冷却器,为了充分利用超临界过程的温度特性,冷却过程应尽量采用逆流式换热方式。CO2气体冷却器主要有2种类型:一种是用空气冷却,一般用于汽车空调、家用空调等方面;另一种是用水冷却,主要是套管式和壳管式两种类型的换热器,常用于热泵热水器。目前,在CO2跨临界制冷循环系统中,微通道换热器代替传统的翅片管换热器是气体冷却器和蒸发器发展的趋势。微通道换热器的主要优点是高效、耐压、体积小、制冷剂充灌量少。

气体冷却器集管的横截面通常是圆形,内径略大于微通道管。由于CO2系统中的高压,设计双入口集管,可大大减少集管质量、尺寸和换热器内部面积。Pettersen等设计开发的微通道气体冷却器,使用这种装置的CO2系统的COP显著提高。微通道蒸发器目前是汽车空调工业的研究课题,日本一些厂家已将CO2热泵热水器推向市场,为了使系统更加紧凑高效,所用的气体冷却器通常有多种形式[13]。2.4.4 阀门及辅助设备的应用研究

对亚临界系统,由于CO2机组的高压侧压力在4MPa左右,与现有R410a系统相当,因此,大部分用于R410a系统的部件无需作太大修改即可应用于CO2亚临界系统。而对跨临界系统应用的部件,其设计压力需要考虑到12MPa,远远超过常规系统,因此需要特别设计。Danfoss、Sporlan、Hansen、Fujikoki和Henry等公司已有较齐全的亚临界系统的配套阀件,Carel和Danfoss也已经推出了用于亚临界和跨临界系统的电子膨胀阀和对应的电子控制器;Alfa Laval和Swep公司也已经推出亚临界应用的板式换热器;Temprite公司已推出了亚临界和跨临界应用的油路产品[14]。

总体上,CO2亚临界系统的零部件和系统的发展水平较高,产品种类和系列也较齐全,而CO2超临界系统的零部件和系统尚处在研发阶段,产品种类和系列不多,但各大商用冷冻公司正积极加大在超临界系统和产品开发上的投入。

3 CO2制冷系统的工程应用

3.1 CO2制冷系统在商业建筑中的应用

CO2制冷系统在商业建筑中的应用主要是在各国超市的应用,CO2在大、中型的超市制冷系统上的应用有三种基本方式:

1)作第二制冷剂用于主制冷循环的二次回路,或称有相变的二次回路;

2)作主制冷剂,应用于亚临界系统,采用亚临界循环;

3)作主制冷剂,应用于跨临界系统,采用跨临界循环。

针对不同的应用需求和超市有中、低温两段温区制冷的需要,可在以上3种基本方式的基础上,组合出各种不同的混合系统。

目前,超市CO2制冷系统的应用数量不断增长,全球各大连锁超市集团,特别是本部在欧洲的超市集团,纷纷设立CO2制冷示范店,如英国最大的超市连锁商Tesco(到2012年底,Tesco计划有150家商店使用CO2制冷系统),瑞士第二大的零售集团Coop,加拿大领先的零售集团Loblaw和全球最大的连锁超市Walmart等等。

下面,对超市CO2制冷系统在各地区的应用作一个简单介绍。

1995年,在政府的资助下,瑞典成功安装了第一个CO2超市制冷系统,截至2011年,瑞典至少有180个超市采用了CO2系统。从 2001年开始,Carrier-Linde公司已经在欧洲成功安装了100多套CO2亚临界超市制冷系统。丹麦于2004年安装了第一套超市CO2跨临界循环制冷系统。1996年,美洲市场上首套CO2制冷系统安装完成,该系统中CO2作中温系统的二次回路的第二制冷剂。从2006年开始到2008年7月,北美市场上至少安装了8套CO2作第二制冷剂的低温系统,首套采用CO2亚临界复叠式的低温制冷系统也已经在2008年得到应用。2007年,Carrier-Linde公司与澳大利亚Frigrite公司合作在泰国安装了亚洲的第一套超市CO2复叠制冷系统。

总之,CO2制冷系统在欧洲超市的发展趋势十分明显,尤其是在北欧国家;在美洲和亚洲,其应用实例较少;而在澳大利亚和新西兰,其应用也越来越多[14]。

3.2 CO2制冷系统在冷藏库中的应用

目前我国食品加工与冷藏业中的大中型冷库80%都采用NH3作为制冷剂,NH3是一种重要的制冷剂,它有一百多年的历史,但遗憾的是NH3有毒性,需要增加安全保护措施。而且目前在食品加工和冷藏工业中,随着食品冷冻温度的不断降低,快速冻结的发展,要求制冷工质的温度进一步降低。文献 [15]的研究表明,当氨的温度达到-51℃时,饱和压力已经接近真空,不可能再作为制冷工质,而CO2仍能维持413kPa的饱和压力。因此如果在蒸发温度低于-40℃时采用NH3系统就会带来蒸发压力过低的问题,而CO2则不存在这样的问题。所以可以采用复叠式系统,根据国外专家的评估,蒸发温度在-35℃以下,采用CO2与氨复叠式制冷,不仅可以降低初次投资、提高效率,而且大大减少了系统的充氨量、提高了食品冷加工企业的安全系数。文献 [16]列出了采用的NH3/CO2复叠式循环的优点。

文献 [17]报道了一个实际装置的配置,该系统CO2的蒸发温度为-42℃,冷凝温度-11℃,CO2充注量2500kg,氨的充注量240kg,CO2回路配备两台往复式压缩机,制冷量分别为210kW和140kW,循环贮液器4.745m3,采用壳管式冷凝-蒸发器;还报道在蒸发温度-35℃以下,采用复叠式系统的效率高于传统的氨两级压缩系统,采用复叠式系统不仅能够满足环保的要求,而且能够满足工业安全的要求。根据国内贸易工程设计研究院考察团2005年对美国冷库的考察[18],在美国冷库中氨仍然是一种主要的制冷剂。尤其大型冷库基本均采用氨作为制冷剂,同时,天然工质CO2已经在冷库制冷系统中得到实际应用,采用CO2/NH3复叠式制冷系统的大型冷藏库已经开始实用,并运行良好[19]。雀巢公司在法国的Beauviai冷库已经采用了NH3/CO2复叠式系统[20]。

3.3 CO2制冷在汽车空调中的应用

目前汽车空调中主要采用R134a工质,据签署的 《京都议定书》,R134a也是将被淘汰的工质。以后汽车空调新型制冷剂中最具潜力的是CO2,CO2汽车空调系统最初的研究由挪威SINTEF研究所率先发起,他们先从理论上论述了CO2用于汽车空调领域的可能性,随后又对CO2汽车空调系统进行了样机实验。CO2应用于汽车空调有许多优势:

1)汽车空调制冷剂易泄露、排放量大,采用CO2作为制冷剂有完全环保的特点;

2)CO2压缩比低,因此压缩机效率高,同时,高压侧CO2温度变化大,使进口空气温度与CO2的排气温度可以非常接近,这样,也减少了高压侧不可逆传热引起的损失。

国际上几个著名的汽车公司对CO2汽车空调的研究和应用,作出了巨大的贡献:1994年,由5个欧洲汽车制造商和4个配件商联合发起了名为“RACE”的项目,联合欧洲著名高校研制CO2汽车空调系统,到2003年欧洲生产的部分汽车已装备了CO2汽车空调系统。美国UIUC大学建立了相应的汽车空调实验台,对系统中回热器特性进行了研究,并与R134a和R410A等工质进行了比较。Danfoss建立了CO2跨临界汽车空调实验台,对系统的调节部件进行了分析和研究。Calsonic Kansei公司公布的该公司CO2轿车空调研制方面的进展表明,CO2汽车空调系统与R134a系统的制冷性能相当。1996年德国KONVECTA生产的以CO2为工质的公交客车空调通过了各种试验,并进行了实际的运行。另外CO2汽车空调装置在德国奔驰公司汽车上试用也取得了较好的效果。Konvecta公司生产的以CO2为工质的空调公交车已运行数年。在日本,丰田汽车公司与电子装备公司共同研制的燃料电池汽车“FCHV”上安装了CO2空调系统,并进入了商业化阶段。世界第二大汽车零件供应商维斯通也成功开发了CO2汽车空调系统,并在2003年东京车展上展出。

这些成果表明,CO2跨临界循环用于汽车空调不仅具有环境方面的优势,而且在系统效率方面也有提高的潜力[21]。

3.4 CO2制冷在热泵系统中的应用

CO2热泵领域的研究是1994年由挪威SINTEF研究所率先对CO2跨临界循环在热泵上的应用作了理论和实验上的研究,随后他们制作了CO2热泵热水器样机,对其性能和系统设计进行了试验研究。实验结果表明:

1)在蒸发温度为0℃时,水温可以从9℃加热到60℃,其热泵能效比可高达4.3。同时,比起电热水器和燃气热水器,它的能耗可降低75%,甚至更多;

2)传统热泵热水器制取热水一般不超过55℃,若要制得较高温热水则制热系数下降;而CO2热泵热水器由于采用跨临界循环,在气体冷却器中的换热温差小,换热效率高,能制得90℃高温热水;

3)在商用和住宅建筑的能量需求中,约有1/4～1/3来源于对热水的需求。采用CO2热泵为商用和住宅建筑供应热水,可使其总用能量减少20%;

4)在寒冷地区,传统空气源热泵的制热量和效率随环境温度的降低下降很快,热泵的使用受到限制;而CO2热泵系统在低温环境下能够维持较高的供热量,大大节约辅助加热设备所耗费的能量。

综上所述,CO2跨临界循环气体冷却器所具有的较高排气温度和较大的温度滑移 (约80～100℃)与冷却介质的温升过程相匹配,使其在热泵循环方面具有独特的优势。跨临界CO2热泵及其部件的开发研究已经成为目前制冷领域的热点之一。CO2作为制冷工质在热泵中的应用,将有效解决空调冷热源面临的资源与环境的压力,由于其节能的潜力非常大,开发CO2热泵热水器的市场前景广阔,意义重大。

德国在CO2应用于热泵领域的研究最为广泛深入。Dresden大学的H.Quack教授搭建了跨临界CO2热泵系统试验台,通过试验分析了系统的热力学性能和各种循环方式的计算方法,并对系统部件的设计、选取和组装进行了研究,且研制了CO2膨胀机以降低系统的节流损失,提高系统的COP。美国Richer等人开发了家用热泵空调器,与R410a相比,当室外温度较高时,跨临界CO2热泵的供热系数稍低;当室外温度较低时,两个系统的换热系数几乎相等[22]。日本对CO2热泵热水器的研究开发起步也较早,目前的相关技术也较为成熟。在1995年,日本CRIEPI,东京电力公司和DENSO公司就开始合作研究CO2热泵系统,开发以CO2为工质的家用热泵热水器,产品自2002年投放市场后,销售量稳步上升。它以其节能、环保、高效的性能享有“生态精灵”的称号。日本三洋、大金等公司也相继研制开发推出了各有特色的CO2热泵热水器,且COP也随之提高。Sanyo公司研发出了高效多功能天然工质CO2热泵式加热器,其制热功率为7 kW,可广泛应用于地板、浴室加热系统和除湿系统,目前,日本的CO2热泵热水器累计销售量已达到几百万台[23]。

4 CO2制冷剂的应用发展前景

CO2作为制冷剂的优点和CO2在超临界、跨临界和亚临界范围内的使用价值,使CO2在国际上得到广泛的认可,CO2可以应用于制冷空调系统的大部分领域,就目前发展现状而言,在汽车空调、热泵和复叠式循环等领域应用前景良好。在汽车空调、超市陈列柜,以及自动售货机中正在提倡使用CO2制冷剂。在大型工业系统中,CO2作为复叠系统的低温级制冷剂使用,通常以氨等作为高温级制冷剂。在中型商业系统中,CO2也用作复叠系统的低温级制冷剂,以HCFCs或HFCs作为高温级制冷剂。CO2热泵热水器商业化的成功经验,对开发CO2冷冻冷藏制冷系统是很好的借鉴。CO2具有良好的安全性能,从环境问题、安全问题和成本差异等方面比较,尤其是它的价格便宜。在全世界许多地区的应用正变得越来越流行,发展前景十分广阔,随着CO2制冷的研究技术问题的解决,CO2在制冷、空调和热泵领域的发展将更加深入,应用更加广泛。

在我国CO2制冷技术研究方面也取得了较大进步,开发了CO2制冷压缩机样机,进行了性能模拟和实验研究,研究了CO2膨胀机和CO2制冷系统喷射器,取得了阶段性研究成果。

因此我们可以预期CO2制冷剂的应用前景。除了汽车空调、热泵和复叠式循环等,CO2还可以用在其它很多地方,如大型制冷系统、平板冻结机、螺旋冻结机、冰淇淋生产厂、奶制品厂、鱼类加工厂、渔船和冷冻干燥设备等。事实上任何蒸发温度高于-55℃的系统都可以采用CO2,99%的低温制冷系统可以由NH3/CO2复叠式低温制冷系统完成。以及环保、节能的CO2热泵代表着空调和热水器行业的高端技术产品,将是行业发展的新趋势,随着国际上对HCFCs和 HFCs物质限制日期的临近,CO2热泵系统必将代替传统的热泵系统。

5 结语

二氧化碳是制冷空调行业的天然制冷剂之一,其在制冷行业的广泛使用。国内外对二氧化碳制冷循环投入了大量的研究,应用研究日趋成熟,逐步向商业化应用发展,但仍然有待于进一步的改进和完善,特别是系统的循环效率和安全性与可靠性:一方面要保证高压安全性,包括保证设计的各个系统部件及管道满足承压要求和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。在设备的开发方面,国内的研究应注意结合新材料的开发以及机械制造新技术的开发,以及在相同的承压能力的要求下,使设备的小型化得以实现。

尽管到目前为止,CO2制冷系统的系统效率不特别具有竞争力,投资成本也相对较高,但随着人们环保意识的增强、以及对环境有影响的制冷剂的逐步淘汰,并随着CO2制冷技术的发展、CO2制冷效率的提高以及向规模化应用方向的进步,CO2制冷的应用前景十分乐观,CO2已经成为最有前途的制冷剂之一。而中国人口众多,随着生活水平的提高,超市业的潜力巨大,推广CO2制冷系统对我国具有重要的意义。

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