基于二氧化碳制冷剂的应用研究

摘要：二氧化碳具有优良的热物性，是一种无毒、无害的自然工质，符合可持续发展战略要求，是未来制冷系统中制冷剂的应用发展方向。本文简要介绍了二氧化碳制冷剂的优缺点，并分析了其在制冷系统中的应用。

关键词：二氧化碳；天然工质；制冷系统

中图分类号：TQ116.3文献标识码： A 文章编号：

一、前言

制冷剂是制冷循环系统的重要工作介质，又称为制冷工质。在制冷剂发展史上，氟利昂制冷剂对制冷技术的发展发挥了积极的推动作用。氟利昂制冷剂以其无毒、无味、不易爆炸、化学性和热稳定性好、腐蚀性小等优点，得到了广泛的应用。但相关研究表明，氟利昂在强烈的紫外线照射下会发生一系列化学反应，产生环境污染气体。化学反应过程中产生的氯原子与臭氧分子不断地反应，严重破坏了臭氧层，造成臭氧层空洞，臭氧层的保护迫在眉睫。与此同时，大气中氟利昂浓度的不断增加造成了温室效应问题也越来越受到受到关注。

HCF类工质对臭氧层不具有破坏力，但由于其化学性质较为稳定，能量释放后会积累，从而导致温室效应。近年来，世界各国均在致力于合成高性能的工质，但由于制冷剂的用量在不断增加，很难避免工质泄露的问题，这势必会造成环境污染。考虑到工质环境效应的长期性和安全性，工质的研究应尽量使用对生态平衡有影响到一些非自然工质。高效、低毒、无害的自然工质的研究与应用已成为目前解决环境问题最重要的方案。二氧化碳（CO2）制冷剂作为一种无毒、无害的自然工质，其研究与推广应用已成为现代制冷剂的主要发展方向。

二、二氧化碳制冷剂的性质

随着可持续发展战略的提出，现代制冷剂的研发越来越强调工质的环保性、安全性、经济性以及高循环效率。CO2是一种性能良好的自然工质，其作为制冷剂具有很多其他工质不具有的优点，基本符合现代工质研发的要求。CO2作为制冷剂的具有以下优点：

（一）优良的环境性能

CO2是一种天然物质，其对臭氧的破坏潜能为0，即ODP=0，且其导致温室效应的潜能指数为1，即GWP=1。就其在实际应用来看，CO2多应用于化工副产品的生产中，用CO2作为制冷剂可以有效地将排放到大气中的废物收回，因此其温室效应等于零。

（二）经济性强

CO2是一种天然存在的物质，无需再生或者回收，并且其运行费用和操作费用均较低，具有很强的经济性。

（三）化学稳定性和安全性良好

CO2具有无毒、安全、不可燃等特性，在高温条件下也不会分解出环境优污染气体，能够适应常用油的各种机械零部件。CO2溶于水后，水溶液呈弱酸性，对部分普通金属具有一定的腐蚀性，例如碳钢等。而对于不锈钢类金属不具有腐蚀性。而当运输条件较干燥时，由于CO2本身不具有腐蚀性，在不与水接触的条件下可以采用碳素钢作为容器。

（四）热物理性质与制冷循环系统及其设备相适应

CO2的分子量为44.1，远远低于CFC，具有较大的蒸发汽化潜热，且具有很高的饱和压力，因此，在单位容积内，CO2具有很大的制冷量且运动粘度很低。除此之外，CO2还具有很高的导热系数，其液体密度与蒸汽密度之比很小，进行节流后，各个回路之间的制冷剂能够均匀地分配。相比传统的制冷系统，CO2制冷系统具有更小的容积流量，由此，压缩机阀门及尺寸与管道流通面积之比远远低于制冷系统，从而使得整个系统变得更加紧凑。

三、二氧化碳制冷剂的应用

（一）二氧化碳制冷剂在汽车空调系统中的应用

二氧化碳制冷剂在汽车空调系统中的应用最初是由J.Petterson等人提出，随后，相关的实验台被先后建立起来，对CO2制冷剂在汽车空调系统中的应用进行了研究，并取得了较好的结果。上世纪90年代，挪威SINTEF将CO2的跨临界制冷循环应用于汽车制冷系统中，并开发了其样机。J. Kohler等也进行了相关的研究。第一台CO2制冷空调系统公共汽车样机与1996年言之成功，并且运行良好。一系列的研究表明，在车辆空调系统中应用CO2超临界循环系统不仅可以减少环境污染，同时也大大提高了空调系统的运行效率。相关研究表明，CO2制冷系统与CFC12具有同样优良的性能，且在对适应环境温度变化的性能上，CO2空调系统比CFC12系统更优，在较高的环境温度下，其性能系数也较高。国外一系列相关的研究也表明，CO2制冷系统的性能与CFC12系统的性能相当。

在汽车空调中应用CO2跨临界循环系统充分地利用了CO2的热力学性能良好、饱和压较高力、单位容积内的制冷量较大等优点，确保了空调系统的环保性能。此外，采用了CO2循环系统的空调机释放的潜在能量远远低于一个CO2灭火器还，在保护系统的保护及监控作用下，完全能够确保机械系统的安全可靠。在优化设计系统的循环参数以及各部件的配合等，可以有效地确保系统的稳定性和可靠性。近年来，CO2制冷剂在车辆空空调系统中的应用研究越来越成熟，CO2制冷系统车辆的研究将更加深入。

（二）二氧化碳制冷剂在工业制冷中的应用

CO2制冷工质具有自身液化作用，近年来，一些研究者认为其在工质充灌以及操作维护等方面具有较多的优势，并逐渐代替了传统的R502在制冷中的研究与应用。CO2制冷剂的液化方案逐渐被应用。其主要原理是对CO2气体进行过滤、干燥，并在压缩机中作升压处理，然后与低温制冷工质在冷凝蒸发器中混合，并降温液化。经过节流处理后，CO2工质与CO2气体直接混合，可有效地减少传热温差，从而有效地提高能量的利用率。在运输车冷冻机的应用方面，采用CO2制冷剂可以有效地降低温室效应，不仅避免了环境的污染，且不会增加能耗。此外，采用CO2制冷剂无需对其进行回收和抽吸，便于设备的护养。

目前，国内外对CO2制冷工质的研究与应用越来越重视，CO2汽车空调以及热泵等正被推广推广应用。相比于国外的工业制冷领域中CO2制冷工质的应用研究，我国在这方面还相对落后，还应进一步加大投入和研究力度。

（三）二氧化碳制冷剂在热泵中的应用

CO2制冷剂的另外一个重要的应用领域是HPWH，即热泵热水器。在热泵热水器中采用CO2跨临界的蒸汽压缩循环系统始于1987年，一些可用于可以在商业生产中应用的样机逐渐被研发出来，相关研究者在一系列论文分析了这类热泵的结构、特性及相关的试验结果等。且各类研究结果均显示，CO2制冷剂在热泵热水中的应用具有很多的优势。CO2热泵热水器能够在极其简单的操作条件下将水加热到90℃以上。并且，在采用内部热很大的热交换器时，仍然可以保持适宜的排气温度，且不会影响条件。这一系列的研究及应用表明，CO2制冷系统具有很强的适应性，比传统的热泵系统具有更为广阔的应用空间。此外，CO2跨临界系统可在干燥的热泵中应用，相关研究表明其比传统的R134a热泵具有更少的能量损失，由此可知，CO2工质在热泵中的应用不会影响热泵的耗能，值得在干燥热泵中推广应用。

四、结束语

CO2是一种安全可靠、经济环保的天然制冷剂，其在各个领域的应用不仅可以降低能耗、实现较好的经济效益，对环境保护也具有重要意义。大量相关的研究表明，CO2制冷系统具有与R134a和R12相当的性能，在某些方面甚至更优，且其设备维护简便，CO2不需要回收和循环利用，具有较好的经济性，是未来制冷剂研究和应用的重要发展方向。

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