浅谈CO2作为环保制冷剂的发展.pdf

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摘要:本文分析了CO2作为替代制冷剂的明显优势和不足
及应用前景。CO2是理想的环保制冷剂之一,随着制冷与空调
技术领域的发展必将会得到广泛应用。
关键词:制冷剂;CO2;环保;性能
一、环保制冷剂的选择原则
作为环保制冷剂除了考虑应满足常规制冷剂在热力学、物
理化学及经济性方面的基本要求外,更重要的是考虑要满足在
安全性和环境影响方面的要求。
(一)安全性方面的要求
制冷剂应在工作温度范围内不燃烧、不爆炸,无毒或低毒;
渗透能力弱,易于捡漏;万一泄露,无刺激性气味,对人体健康
无损害,与食品相接触时无污染。
(二)环境影响方面的要求
制冷剂存留于大气中的寿命要短,以减少对人类赖以生存
环境的影响。ODP是表示制冷剂消耗大气臭氧分子潜在程度的
指标,是基于CFC-。作为环保制冷剂
ODP值应为零或尽可能地小,以减少对大气臭氧层的破坏;GWP
是衡量制冷工质对全球气候变暖影响的指标,是基于作用100
,作为环保制冷剂GWP值要尽可
能地低[1]。以减少对全球温室效应影响;另外应无光雾反应,
对大气、水源和土壤等影响要少。
(三)热力学方面的要求
制冷剂的标准沸点要低,以满足制冷获得较低蒸发温度的
要求;工作压力适宜,压力比要小,以减小压缩耗功和压缩级
数;汽化潜热要大,单位容积制冷量要大些,以减少制冷剂的循
环量,从而缩小制冷压缩机的尺寸;导热系数要高,以提高换热
设备的换热效率。
(四)物理化学方面的要求
制冷剂的密度和黏度要小,以减少制冷剂在制冷系统中的
流动阻力;能与润滑油良好相溶,以使压缩机各部分得到充分润
滑;具有一定的吸水性,以免在系统的低温部分产生冰塞现象,
不腐蚀金属,具有较好的化学稳定性和绝缘性;热稳定性好,高
温下不分解。
(五)经济性方面的要求
生产工艺简单,成本低,价格便宜,容易获得。
二、CO2制冷剂的性质
常温下的CO2是一种无色、无嗅的气体,其热物性参数与
常用制冷剂的性能比较见表1。
(一)CO2制冷剂具有的主要优势
,ODP=0,GWP=1。使用CO2作为制冷工
质,对大气臭氧层没有破坏作用,可以减少全球温室效应,来
源广泛,勿需回收,可以大大降低制冷剂替代成本,节约能
源,从根本上解决化合物对环境的污染问题,具有良好的经济
性。
、不可燃,并具有良好的热稳定性,即使
在高温下也不会分解出有害的气体。万一泄漏对人体、食品、
生态都无损害。
。分子量
小,制冷能力大,0℃的单位制冷量比常规制冷剂高5~8倍,
因而对于相同冷负荷的制冷系统,压缩机的尺寸可以明显减
小,重量减轻,整个系统非常紧凑;润滑条件容易满足,对制冷
系统常见材料无腐蚀,可以改善开启式压缩机的密封性能,减
少泄漏。
,0℃时CO2饱和液体的运动黏度只是NH3的
%、%[5],流体的流动阻力小,传热性能比CFC
类制冷剂更好,可以改善全封闭制冷压缩机的散热。
(二)CO2制冷剂存在的主要缺点及分析
(),因此CO2跨临界制冷循
环的工作压力较传统的亚临界两相制冷循环的工作压力高得
多,约为传统制冷工质CFC或HCFC系统压力的6~8倍[4]。
所以制冷系统中工质流经的管路系统必须经安全性分析。
但是由于CO2的单位容积制冷量约为常规制冷剂的5~8倍,系
统所需的CO2容积流量很小,而设备内气体的爆炸能量为压力
与容积乘积的函数,所以虽然系统的工质压力高,但容积较
小,其压力和容积的乘积与常规工质相差不大,设备内气体的
爆炸能量增加的并不多。以可靠性理论为依据,根据CO2跨临
界制冷系统管道可靠性的不同影响因素及其变化规律,对不同
管材情况下的可靠性进行深入地研究与分析,得到的结论是:
当管路系统的管外径给定时,只要合理地选择管材和管壁厚
度,就能保证系统在给定压力下运行的可靠性和安全性,CO2
跨临界循环较高的运行压力是可以得到合理解决的;现有钢管基
本可以直接应用,而现有铜管则需根据管径和壁厚经安全性分
析后选用[6]。因此CO2运行工作压力较高所引起的安全性问
题,并不会影响CO2作为环保制冷剂推广应用的障碍。

件下的R12、R22、R134a等常规制冷剂的制冷性能系数都低。
针对CO2制冷循环性能系数低的缺点,学者们经研究探索发
现,完全可以通过完善系统循环方式、优化系统设备来解决,
如采用双级压缩和采用膨胀机回收一部分膨胀功的措施加以改
善,来提高制冷循环效率。有理论分析表明,采用膨胀机CO2
跨临界循环的效率要高于常规制冷工质的节流膨胀循环[2]。
三、CO2制冷剂的应用前景
CO2在环保和性能上的优势越来越多地吸引了世界各国学
者研究的注意力,其系统和部件的开发也得到了很大的发展,
现有研究结果表明,CO2系统在高环境温度(45℃以上)时,
制冷性能低于传统系统,35~45℃间与传统系统相近,35℃以
下时性能更优[5]。目前CO2跨临界循环在汽车空调、热泵、商
用制冷装置、食品冷藏冷冻等方面的应用前景都很好,性能都
相当于甚至好于原来采用R22或R12或R134a的制冷装置,特
别适用于需要大的温度变化的场合,而且在较低的蒸发温度下
性能较好[2]。
CO2作为一种天然制冷工质,就其物性特征而言,具有其
他非天然工质不可比拟的优势。伴随着CO2制冷系统研究工作
的不断深入,CO2作为新一代制冷工质将会得到进一步推广,
相信在不久的将来,汽车空调系统、商用制冷系统、住宅空调
系统以及各个生产企业的热泵干燥系统将會大量使用CO2替代
现有制冷工质。
四、结束语
作为制冷剂,人们希望它环保、高效、经济,但实际上并
不存在一种十全十美的制冷剂。与其他制冷剂相比,CO2具有
环保、安全、经济和单位容积制冷量等性能方面上的明显优
势,也有运行工作压力和效率方面上的不足。目前的研究表
明,只要合理选择管材和管壁的厚度,可保证CO2系统在跨临
界压力下运行的安全性和可靠性,而合理改善CO2跨临界循环
方式,可以有效地减少节流损失,提高系统的循环效率,CO2
作为环保制冷剂之一,有着很好的应用前景,随着制冷与空调
技术领域的发展必将会得到广泛应用。
参考文献:
[1]姜守忠,制冷原理[M].北京:高等教育出版社,
.
[2]刘卫华,制冷空调新技术及进展[M].北京:***出
版社,.
[3]俞炳丰,制冷与空调应用新技术[M].北京,.
[4]刘圣春、马一太、管海清,CO2空气源热泵热水器的研
究现状与展望[J].北京,.
(作者单位:松下冷机系统(大连)有限公司)