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二氧化碳制冷劑的自然冷媒

  熱力學性質較好的CFCs曾經使二氧化碳逐漸退出制冷領域,随着人們對環保問題的重視以及跨臨界制冷循環的提出,天然工質二氧化碳以其對環境友好和熱物理特性優良,從衆多制冷劑中脫穎而出。已故國際制冷學會主席Lorentzen認為二氧化碳是“21世紀最具前景的制冷劑”,他針對二氧化碳臨界溫度較低的特點,提出跨臨界制冷循環理論,指出二氧化碳跨臨界循環可望在汽車空調和熱泵等領域發揮重要作用。與其他制冷劑相比,應用二氧化碳作制冷劑的制冷空調具有許多優點,主要概括如下:
 
(1)環境性能優良。二氧化碳是自然界天然存在的物質,其ODP=0,GWP= 1。而現在作為推薦的替代工質HFC及其混合物的ODP雖為零,但GWP比二氧化碳高1 000~2 000倍。如果考慮到所用二氧化碳大多為化工副産品,用它做制冷劑正好回收要排向大氣的廢物,二氧化碳的溫室效應就應為零,再加上HFCs及其混合物不但會增加溫室效應,而且可能産生其他未知的副作用,二氧化碳在這一方 面的優勢就更為明顯,尤其是随着制冷空調設備數量的增加,對各種制冷工質的需要量逐年上升,在選擇和确定現有制冷空調設備的制冷工質替代物時,完全有理由把更多精力投向對人類自身生存環境無破壞的自然工質二氧化碳。
 
(2)經濟性能好。二氧化碳來源廣,成本低廉,從無需回收或再生角度看,操作運行費用低。
 
(3)化學穩定性好。二氧化碳與水混合時呈弱酸性,可腐蝕碳鋼等普通金屬,但不腐蝕不鏽鋼和銅類金屬。當輸送的二氧化碳比較幹燥,含水率小于8ppm時可采用普通的碳素鋼。
 
(4)安全無毒不可燃。即使在高溫下也不分解産生有害氣體,因為二氧化碳是碳的最高價氧化狀态,具有非常穩定的化學性質。
 
65)具有與制冷循環和設備相适應的熱物理性質。二氧化碳的蒸發潛熱較天,單位積制冷量相當高(0C時單位容積制冷量是氦的1.58 倍,是R22的5.12倍和RI2的8. 25倍),故壓縮機及部件尺寸較小;運動黏度低,0C時二氧化碳飽和液體的運動黏度隻有題的5.29、場N12的28.89%.二氧化碳的早熱系數商,而且液體密度和範氣密度的比值小,節波目各回路間翻》樹8分配比較均小、各回路的傳熱管均能得到有效利用,這就使其流動和傳的村性得到提高,大火減小了管道和熱交換器的尺寸,使整個系統非常石濃。地熱指教較高尺一1.30.壓縮機壓比約為25-3.0、比其他制冷系統低,容積收事相對較大,接近于最佳經濟水平。
 
當然采用 氧化城為制冷利出有缺點、當它在空氣中的濃度低于2%時對人沒有明品危害、但如果超過此濃度則可引起呼吸器官損害、甚至室息死亡。除此以外,二氧化城的高格界壓力和低臨界溫度也給它用門制冷劑帶來許多難題。無論亞臨界循環還是跨臨界循環,二氧化城制冷系統的運行壓力都将高于傳統制冷空調系統。這必然會給系統及部件的設計帶來許多新要求,同時現階段還存在二氧化堿制冷系統效率相對較低的問題。目前,二氧化城主要應用于:
 
(1)二氧化堿汽車空調系統。汽車空調蔡統工.質洩漏量大、允許空間小,二氧化碳系統單位齊積制冷量大、冬李可向車廂提供足夠的熱量,完成緊湊式結構設計且無環境負擔、圖而最早應用于汽車空調系統。
 
二氧化堿汽車空調系統的研究由挪威SINTEF研究所率先發起,他們先從理論上論述了二氧化堿用于汽車空調領域的可能性,随後又對二氧化碳汽車空調系統進行了樣機實驗。美國但利諾伊大學(UIUC)空調和制冷中心的Bullard 等人在美國各大制冷空調企業支持下建立T相應的汽車空調實驗台,對系統中回熱器特性及市置特點進行了研究、并與其他替代工質R134a、R410/A 等進行了比較、他們還對二氧化堿工質在家用空調、超市冷櫃等方面的應用進行了理論與實驗研究。丹麥的Holst等在丹佛斯(Danfos)建立了二氧化碳跨臨界汽車空調實驗台、對系統的調節部件進行了分析與研究。國内上海交通大學對二氧化城汽車空調進行了仿真研究,并對二氧化碳汽車空調系統的強度進行了分析。這些研究都表明二氧化碳跨臨界循環用于車輛空調不僅具有環境方面的優勢而且在系統效率上也有提高的潛力。
 
值得提的是, 歐盟計劃至2010年将氧化氣體排放量降低60%,車輛的制冷制報耗量不得大于l0g.200年出廠的機動車排放的有害氣體必須比二氧化碳低150信,歡盟在計劉出台汽車制冷利新政策的同時,0仍允許在2007年前出廠的新車每年損耗4的RIS4A制冷劑、RISLo可以使用至201年,報悉、德國汽車制道商将根據自己的情況提前引入二氧化碳汽車空調技術。這樣,他國汽車可以提前占領不斷增長的國際汽車市場。
 
2)化成的采熱火員。氧化碳在氣體冷卻器中有較大的溫度變化(約8-代,因而較早地引越r人們的重視。10正趕設介心水溫的大制度變化、既可滿足用戶的需要又他有效提高系使的性
 
氧化出的裝作水高的研交山中器成SITE研究所來先發起,他們時二氧化餐水水熱處特物進行日不設與實驗研究,證明廣二氧化時跨臨界環水木菜僅具有高的供熱系數,而且系統緊湊,供水溫度高、潛力。在口木,二氧化堿熱泉熱水器以其良在工業和民用兩方面都具有相當大的發展cute)"的稱号。從2001年投放市場以來、好的節能生态性能赢得了“生态精靈(80銷售最穩步.上升,由于它價格較費(超過5000美元),從2002年10月開始采用政府補貼的辦法促進銷售。2003 年日本二氧化碳熱泵熱水器的産銷量為75萬套,預計到J 2010年将達到近520萬套,市場發展十分迅速,現今日本市場上有16種不同類型的二氧化碳熱泵熱水器,日木近幾年二氧化碳熱泵熱水器的市場銷量。
日本電力工業中央研究院與東京電力公司及Denso公司的Suikawa等人合作,對改進型二氧化碳熱泵熱水器的全年平均性能系數進行了測算,結果表明,包括風扇和水泵耗功在内的全年系統平均COP值仍可高達3.0。2002 年,日本大金公司推出了采用單級擺動轉子式壓縮機的二氧化碳熱泵熱水器。2002 年,挪威科技大學制冷空調系的Jorn Stene設計了三段逆流式氣體冷卻器以便更好的與其溫度滑移相匹配,氣體冷卻器低溫段用于水的預熱,中溫段用于低溫空間供熱,高溫段用于将水加熱到60~70C.他們所建立的套6. 5kW的二氧化碳熱泵系統已經于2002年8月開始運行。國内西安交通大學在二氧化碳熱泵熱水器的實驗方面也取得了很好的成果。
 
(3)二氧化碳複疊式制冷。二氧化碳與其他制冷劑相比,即使處在低溫,黏度也非常小,傳熱性能良好,因而二氧化碳做低溫制冷劑的複疊式制冷系統也很有優勢。目前,歐洲在超市中已建立了幾個這種複疊式制冷系統,運行情況表明技術上是可行的,這種系統還适用于低溫冷凍幹燥過程。瑞士Nestle公司采用氨和二氧化碳制冷劑替代RI3BI,對法國Beauvais大型冷庫進行改造,改造後二氧化碳充注量為80kg,氨為1 30kg,,系統在一36C的蒸發溫度時額定制冷能力為1 20kW.美國伊利諾伊大學ACRC研究中心的Jang和Hmjak對複疊式系統中二氧化碳在低溫的冷凝情況進行了實驗研究,德國Grso公司推出CO,/NH整裝型複疊式制冷壓縮機四,燕發溫度為-45C時制冷量在300 2 70kW. Serio Giroto等分析了商用制冷系統中使用RIOA和二氧化碳的區别,并分析了全年的能耗,從現有的技術水平來看,二氧化碳全年能耗略高于RIO4A,随着技術的進步,二氧化碳系統能耗将等于或低于RIOIA 系統能耗:國内天津大學熱能研究所建立了R290/CO0 複疊式制冷循環實驗台,得出了不同帶發觀度下的最佳低溫循環的冷凝溫度和最佳流量比。浙江大學對采用二氧化成和按經于普冷領城進行了理論分(R290、R600n、 R600) 組成的混合工質自複疊制冷系統應用I工質對系統壓比和性能析,研究了在二氧化碳作為低沸點工質時,高佛點工質和中部點含量的變化情況。系數COP的影響,及這些性能參數随系統中二氧化碳原爾
 
盡管如影,脫化成 家桃的器及藥臨界指環等特點使得兒主更設備與傳院的制冷(冷卻器)、膨脹機等設備。系統相差很大,需要研究開發與之配套的壓縮機、冷凝器。