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二氧化碳制冷剂的自然冷媒

  热力学性质较好的CFCs曾经使二氧化碳逐渐退出制冷领域,随着人们对环保问题的重视以及跨临界制冷循环的提出,天然工质二氧化碳以其对环境友好和热物理特性优良,从众多制冷剂中脱颖而出。已故国际制冷学会主席Lorentzen认为二氧化碳是“21世纪最具前景的制冷剂”,他针对二氧化碳临界温度较低的特点,提出跨临界制冷循环理论,指出二氧化碳跨临界循环可望在汽车空调和热泵等领域发挥重要作用。与其他制冷剂相比,应用二氧化碳作制冷剂的制冷空调具有许多优点,主要概括如下:
 
(1)环境性能优良。二氧化碳是自然界天然存在的物质,其ODP=0,GWP= 1。而现在作为推荐的替代工质HFC及其混合物的ODP虽为零,但GWP比二氧化碳高1 000~2 000倍。如果考虑到所用二氧化碳大多为化工副产品,用它做制冷剂正好回收要排向大气的废物,二氧化碳的温室效应就应为零,再加上HFCs及其混合物不但会增加温室效应,而且可能产生其他未知的副作用,二氧化碳在这一方 面的优势就更为明显,尤其是随着制冷空调设备数量的增加,对各种制冷工质的需要量逐年上升,在选择和确定现有制冷空调设备的制冷工质替代物时,完全有理由把更多精力投向对人类自身生存环境无破坏的自然工质二氧化碳。
 
(2)经济性能好。二氧化碳来源广,成本低廉,从无需回收或再生角度看,操作运行费用低。
 
(3)化学稳定性好。二氧化碳与水混合时呈弱酸性,可腐蚀碳钢等普通金属,但不腐蚀不锈钢和铜类金属。当输送的二氧化碳比较干燥,含水率小于8ppm时可采用普通的碳素钢。
 
(4)安全无毒不可燃。即使在高温下也不分解产生有害气体,因为二氧化碳是碳的最高价氧化状态,具有非常稳定的化学性质。
 
65)具有与制冷循环和设备相适应的热物理性质。二氧化碳的蒸发潜热较天,单位积制冷量相当高(0C时单位容积制冷量是氦的1.58 倍,是R22的5.12倍和RI2的8. 25倍),故压缩机及部件尺寸较小;运动黏度低,0C时二氧化碳饱和液体的运动黏度只有题的5.29、场N12的28.89%.二氧化碳的早热系数商,而且液体密度和范气密度的比值小,节波目各回路间翻》树8分配比较均小、各回路的传热管均能得到有效利用,这就使其流动和传的村性得到提高,大火减小了管道和热交换器的尺寸,使整个系统非常石浓。地热指教较高尺一1.30.压缩机压比约为25-3.0、比其他制冷系统低,容积收事相对较大,接近于最佳经济水平。
 
当然采用 氧化城为制冷利出有缺点、当它在空气中的浓度低于2%时对人没有明品危害、但如果超过此浓度则可引起呼吸器官损害、甚至室息死亡。除此以外,二氧化城的高格界压力和低临界温度也给它用门制冷剂带来许多难题。无论亚临界循环还是跨临界循环,二氧化城制冷系统的运行压力都将高于传统制冷空调系统。这必然会给系统及部件的设计带来许多新要求,同时现阶段还存在二氧化碱制冷系统效率相对较低的问题。目前,二氧化城主要应用于:
 
(1)二氧化碱汽车空调系统。汽车空调蔡统工.质泄漏量大、允许空间小,二氧化碳系统单位齐积制冷量大、冬李可向车厢提供足够的热量,完成紧凑式结构设计且无环境负担、图而最早应用于汽车空调系统。
 
二氧化碱汽车空调系统的研究由挪威SINTEF研究所率先发起,他们先从理论上论述了二氧化碱用于汽车空调领域的可能性,随后又对二氧化碳汽车空调系统进行了样机实验。美国但利诺伊大学(UIUC)空调和制冷中心的Bullard 等人在美国各大制冷空调企业支持下建立T相应的汽车空调实验台,对系统中回热器特性及市置特点进行了研究、并与其他替代工质R134a、R410/A 等进行了比较、他们还对二氧化碱工质在家用空调、超市冷柜等方面的应用进行了理论与实验研究。丹麦的Holst等在丹佛斯(Danfos)建立了二氧化碳跨临界汽车空调实验台、对系统的调节部件进行了分析与研究。国内上海交通大学对二氧化城汽车空调进行了仿真研究,并对二氧化碳汽车空调系统的强度进行了分析。这些研究都表明二氧化碳跨临界循环用于车辆空调不仅具有环境方面的优势而且在系统效率上也有提高的潜力。
 
值得提的是, 欧盟计划至2010年将氧化气体排放量降低60%,车辆的制冷制报耗量不得大于l0g.200年出厂的机动车排放的有害气体必须比二氧化碳低150信,欢盟在计刘出台汽车制冷利新政策的同时,0仍允许在2007年前出厂的新车每年损耗4的RIS4A制冷剂、RISLo可以使用至201年,报悉、德国汽车制道商将根据自己的情况提前引入二氧化碳汽车空调技术。这样,他国汽车可以提前占领不断增长的国际汽车市场。
 
2)化成的采热火员。氧化碳在气体冷却器中有较大的温度变化(约8-代,因而较早地引越r人们的重视。10正赶设介心水温的大制度变化、既可满足用户的需要又他有效提高系使的性
 
氧化出的装作水高的研交山中器成SITE研究所来先发起,他们时二氧化餐水水热处特物进行日不设与实验研究,证明广二氧化时跨临界环水木菜仅具有高的供热系数,而且系统紧凑,供水温度高、潜力。在口木,二氧化碱热泉热水器以其良在工业和民用两方面都具有相当大的发展cute)"的称号。从2001年投放市场以来、好的节能生态性能赢得了“生态精灵(80销售最稳步.上升,由于它价格较费(超过5000美元),从2002年10月开始采用政府补贴的办法促进销售。2003 年日本二氧化碳热泵热水器的产销量为75万套,预计到J 2010年将达到近520万套,市场发展十分迅速,现今日本市场上有16种不同类型的二氧化碳热泵热水器,日木近几年二氧化碳热泵热水器的市场销量。
日本电力工业中央研究院与东京电力公司及Denso公司的Suikawa等人合作,对改进型二氧化碳热泵热水器的全年平均性能系数进行了测算,结果表明,包括风扇和水泵耗功在内的全年系统平均COP值仍可高达3.0。2002 年,日本大金公司推出了采用单级摆动转子式压缩机的二氧化碳热泵热水器。2002 年,挪威科技大学制冷空调系的Jorn Stene设计了三段逆流式气体冷却器以便更好的与其温度滑移相匹配,气体冷却器低温段用于水的预热,中温段用于低温空间供热,高温段用于将水加热到60~70C.他们所建立的套6. 5kW的二氧化碳热泵系统已经于2002年8月开始运行。国内西安交通大学在二氧化碳热泵热水器的实验方面也取得了很好的成果。
 
(3)二氧化碳复叠式制冷。二氧化碳与其他制冷剂相比,即使处在低温,黏度也非常小,传热性能良好,因而二氧化碳做低温制冷剂的复叠式制冷系统也很有优势。目前,欧洲在超市中已建立了几个这种复叠式制冷系统,运行情况表明技术上是可行的,这种系统还适用于低温冷冻干燥过程。瑞士Nestle公司采用氨和二氧化碳制冷剂替代RI3BI,对法国Beauvais大型冷库进行改造,改造后二氧化碳充注量为80kg,氨为1 30kg,,系统在一36C的蒸发温度时额定制冷能力为1 20kW.美国伊利诺伊大学ACRC研究中心的Jang和Hmjak对复叠式系统中二氧化碳在低温的冷凝情况进行了实验研究,德国Grso公司推出CO,/NH整装型复叠式制冷压缩机四,燕发温度为-45C时制冷量在300 2 70kW. Serio Giroto等分析了商用制冷系统中使用RIOA和二氧化碳的区别,并分析了全年的能耗,从现有的技术水平来看,二氧化碳全年能耗略高于RIO4A,随着技术的进步,二氧化碳系统能耗将等于或低于RIOIA 系统能耗:国内天津大学热能研究所建立了R290/CO0 复叠式制冷循环实验台,得出了不同带发观度下的最佳低温循环的冷凝温度和最佳流量比。浙江大学对采用二氧化成和按经于普冷领城进行了理论分(R290、R600n、 R600) 组成的混合工质自复叠制冷系统应用I工质对系统压比和性能析,研究了在二氧化碳作为低沸点工质时,高佛点工质和中部点含量的变化情况。系数COP的影响,及这些性能参数随系统中二氧化碳原尔
 
尽管如影,脱化成 家桃的器及药临界指环等特点使得儿主更设备与传院的制冷(冷却器)、膨胀机等设备。系统相差很大,需要研究开发与之配套的压缩机、冷凝器。