跨临界循环二氧化碳制冷系统研究

摘要：本文对CO2跨临界制冷循环的典型流程与特点进行了阐述；并从超临界CO2特性的研究、CO2制冷设备的研究和开发以及CO2跨临界循环系统安全和可靠性方面展开论述，分析了二氧化碳跨临界循环制冷的发展趋势。

关键词：二氧化碳；跨临界循环；制冷

中图分类号：TQ116.3文献标识码： A 文章编号：

前言：

作为最早的制冷剂之一，CO2在19世纪得到了广泛的应用。到19世纪30年代，世界上约80%的船舶采用了CO2制冷，但是当时的CO2制冷效率不够高，功耗极大，并逐渐被同期出现的以R12为代表的氟氯烃制冷剂代替。近年来，制冷剂对臭氧层破坏加剧，且造成了全球温室效应等诸多环保问题，CO2作为制冷剂重新出现在公众视野中。本文将对CO2跨临界循环制冷的研究现状和进展进行介绍。

一、CO2跨临界制冷循环流程及其特点

CO2跨临界制冷循环基本流程

CO2跨临界制冷系统流程图如图1所示，压缩机对气体工质进行压缩，使其压力升至超临界压力之上，（f—a过程），进而在气体冷却器内由冷却介质对其进行冷却（a—b过程）；为使制冷压缩机的性能系数（COP）有所提高，在内部回热器中，压缩机将进一步对从气体冷却器中释放的气体进行回气冷却（b—c,e—f过程）；最后进行节流降压（c—d过程），部分液体发生液化，在进入蒸发器后，湿蒸气发生汽化（d—e过程）进而对附近的介质热量进行吸收，最终达到了制冷目的。储液器的作用是进行液气分离并负责制冷剂的补充。

图1 CO2跨临界制冷系统流程图

本系统的最显著特点是工质的吸热和放热过程在相对应的亚临界区和超临界区分别进行，压缩机的吸气压力要比临界压力低，临界温度高于蒸发温度，循环吸热过程依然在亚临界状态下发生，通过潜热完成换热过程。但是临界压力低于压缩机的排气压力，所以工质的冷凝过程不同于其在亚临界状态下的过程，而是通过显热实现换热过程。

CO2跨临界制冷循环特点

CO2跨临界的优点

CO2具有无毒、来源丰富、制冷量大等优点。这是唯一一种天然的、兼备热力特性、环保特性、安全特性的制冷工质。

CO2跨临界循环的高能效

在CO2跨临界循环系统在运行状态下具有较高的工作压力，但是其压比相对较低，且压缩机的工作效率较高；在超临界状态下，流体所具备的特殊热物理性质使其在流动和换热方面具有极大的优势，采用CO2作为制冷剂使得整个制冷系统能效很高。在气体冷却器中，CO2 有很大的温度变化，气体冷却器进口处的空气温度有可能近似接近于出口制冷剂的温度，从而减少了高压侧不可逆转传热导致的损失。

CO2跨临界循环具有最好的排气压力

CO2的临界点为31℃（7.38MPa），其临界温度较低，在采用跨临界循环制冷时，制冷循环的排热过程并不是一个冷凝过程，压缩机的冷却温度和排气压力分别是两个独立的数据。通过研究表明，循环的COP随着高压侧压力的变化存在一个最大值。所以，CO2跨临界制冷循环系统在各种工况下，存在了与最大COP值相对应的最佳排气压力。

CO2跨临界循环对热泵效率有提升作用

在大多数传统的空调系统中，冷凝热都被当作废热直接排放出去，这样不仅对局部环境造成了热污染，也浪费了能量。在超临界区工质密度持续升高的情况下，循环的放热过程在面对跨临界循环必然有很大的温度滑移。这种温度滑移匹配于与所需的变温热源，属于劳伦兹循环殊的一种，在将其用于热回收过程中，必然会产生很高的放热效率。这是一种独特的优势，能较好地应用于高温和温差较大所需要的热回收。CO2这种大幅度的温度变化非常适用于水的加热，热泵的效率因此较高。

二、CO2跨临界循环设备的研究和开发

在CO2跨临界循环中，气体冷却器、制冷压缩机、蒸发器和膨胀机或膨胀阀是其主要设备；辅助设备包括回热器、中间冷却器和储液器等等。

制冷压缩机

在整个系统运转中，制冷剂对其效率和可靠性影响最大。容积效率、指示效率是压缩机工作性能的衡量指标。在压缩过程中，这两个数值主要受气阀和气腔的压力损失、气体与气缸传热、气缸泄露等因素影响。在诸多因素中，气缸泄露对压缩机性能影响最大。气缸泄露分为活塞与气缸间隙泄露和出口气阀泄露，在这其中，活塞间隙泄露又是影响压缩机工作状态的最重要因素。要降低泄露，首先要减小密封长度，然后采取有效措施进行补漏。

（二）气体冷却器

根据超临界状态下CO2的特性，以紧凑式微通道换热器为中心展开对气体冷却器的研究和开发。

在超临界状态下，CO2的压力较高，出口温度并不依赖于出口压力，所以较大的压降是允许的。在超临界状态下，CO2具有非常好的热传导性，因此制冷剂的流量密度设计相对较大（600—1200kg/m2s）,所采用的管径也比较小。

（三）蒸发器

制冷剂的物性特点是促使蒸发器向小管径、流量高密度和高换热系数方向发展的主要原因。

“平行流”式的蒸发器性能较高，是蒸发器今后的主要发展方向。CO2平行微管式蒸发器由平行微管、积液管和微管之间的空气肋片构成，与空气冷却器的结构形式相同。但在蒸发器内，CO2的密度变化幅度高于气体冷却器，所以用于蒸发器的微管数相对也比较多。

（四）膨胀机

对于CO2跨临界制冷循环系统来说，膨胀机的设计开发是其中比较困难的一步。膨胀比的确定、泄露和耐压问题是需要解决的关键问题。

在膨胀机内，CO2由超临界状态发生膨胀后转入液态，并进一步膨胀至气液两相区，膨胀机内CO2的相态由此变化复杂，且在超临界状态下，CO2的物理参数在其向液态转变时会有不稳定性，膨胀比因此很难进行确定。通过大量的研究报告发现，CO2膨胀机在其研制过程中，最关键的就在于其耐压与泄露问题的解决。

三、CO2跨临界循环系统的安全与可靠性

CO2制冷系统的安全性尚待我们进一步的证明。首先要对其高压的安全性予以保障。这要求各个系统部件和管道的设计要满足承压要求，并且在超压状况下系统运行的安全性；其次对CO2和油的相互作用的研究需要进一步加强，对CO2和橡胶的渗透与爆发性解压作用的研究有待进一步深入，以避免泄漏问题的发生，提高系统安全性与可靠性。

四、结束语

（一）CO2制冷循环系统的特点

CO2是一种兼备良好的热力特性、环境特性和安全性的自然工质；CO2在跨临界状态下循环运行，工作压力较高，但是压比相对较低，压缩机也有相对较高的效率；在不同工况下，CO2跨临界制冷循环中存在与最大COP值相对应的最佳排气压力；CO2跨临界制冷循环用于高温和较大温差所需要的热回收具有其特有的优势。

（二）对CO2特性在超临界状态下的研究

在超临界下CO2特性基本特性已经得到证实与认可，但要想对CO2特性在超临界状态下有更精确的掌控，大量的基础性研究工作尚需开展。

（三）对CO2制冷设备和系统安全可靠性的开发与研究：

在投入了大量的研究后，CO2跨临界制冷循环设备的应用日渐成熟，并逐步向商业化过渡，但仍需进一步的改进与完善。

参考文献：

[1] 武孟.二氧化碳跨临界循环特性及系统控制研究[D].中南大学,2009.

[2] 龚毅,侯峰,梁志礼等.跨临界 CO2循环制冷系统的实验研究[J].制冷技术,2012,(1).

[3] 张伟江,杨亮,张春路等.二氧化碳跨临界制冷系统高压优化问题[C].//中国工程热物理学会2010年工程热力学与能源利用学术会议论文集.2010:1-10.

[4] 姜云涛,马一太,李敏霞等.二氧化碳跨临界循环系统用新型膨胀机的研发[J].制冷学报,2010,31(5):1-4.

[5] 李丽霞,姬长发,赵文秀等.CO2制冷系统的技术进展[J].应用能源技术,2008

,(7):30-34.