CO2制冷劑的特性與應(yīng)用

王 鐵

（大連新明華電子科技有限公司 大連 116630）

引言

制冷劑的選擇對制冷系統(tǒng)尤為重要。選擇制冷劑時(shí)須考慮性能、安全性、可靠性、環(huán)境友好性和成本等因素。其中，最主要的因素是安全性、可靠性和環(huán)境友好性。二氧化碳是一種常見的自然工質(zhì)，對環(huán)境沒有損害，消耗臭氧潛能值（ODP）為0，全球變暖潛能值（GWP）為1，無毒且不可燃，二氧化碳的密度比空氣高，在制冷方面二氧化碳工質(zhì)較傳統(tǒng)工質(zhì)有優(yōu)勢，但在安全方面也存在一些問題。

1 CO2制冷劑的發(fā)展與特性

CO2作為最早的制冷劑之一，在19世紀(jì)末到20世紀(jì)30年代得到了普遍的應(yīng)用，到1930年，80%的船舶使用 CO2制冷劑，但由于當(dāng)時(shí)采用的CO2亞臨界循環(huán)系統(tǒng)效率低，同時(shí)，氯氟烴（CFCs）制冷劑的出現(xiàn)，導(dǎo)致了CO2制冷劑使用的下降，最終在20世紀(jì)50年代，CO2制冷系統(tǒng)被完全淘汰[1]。

在20世紀(jì)80年代末發(fā)現(xiàn)合成制冷劑的不良影響后，人們對CO2重新產(chǎn)生了興趣。CO2制冷在住宅和商業(yè)建筑的空調(diào)系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用?？傊?，目前正在研究的CO2制冷有許多應(yīng)用潛力，其中大部分是很有前景的。

1.1 CO2跨臨界循環(huán)

以CO2為制冷劑的跨臨界循環(huán)的高壓排熱過程具有較大的溫度滑移，可以更好地與水的溫升過程相匹配，使其非常適合應(yīng)用于熱泵熱水器中[2]。與其他對流制冷劑相比，CO2制冷劑跨臨界運(yùn)行的溫度范圍最高，即（-50 ～120）℃[3]?？缗R界循環(huán)的唯一缺點(diǎn)是高壓。CO2的臨界壓力是73.7 bar。如果CO2經(jīng)過一個(gè)跨臨界循環(huán)，那么它的高壓將超過73.7 bar，這是相當(dāng)高的。這就需要一個(gè)能夠耐受如此高壓力的設(shè)備。高壓有其自身的優(yōu)點(diǎn)（如設(shè)備和設(shè)計(jì)緊湊）和缺點(diǎn)（昂貴的設(shè)備和安全問題）。然而，隨著當(dāng)前技術(shù)的進(jìn)步，這種壓力并不是一個(gè)大問題。

1.2 熱物理性質(zhì)

高壓特性意味著CO2設(shè)備部件可以設(shè)計(jì)成更小的尺寸，同時(shí)CO2具有非常低的粘度，即使在很小的流速下也能達(dá)到雷諾數(shù)，這意味著CO2大多數(shù)流動是紊流，傳熱率很高。當(dāng)換熱率較高時(shí)，換熱器的尺寸可以大大減小，以達(dá)到同樣的換熱量。壓縮機(jī)的尺寸也可以減少。盡管CO2跨臨界循環(huán)壓力高，但與其他制冷劑相比，高壓和低壓之間的比率很低。這樣與相同容量的對流制冷劑的壓縮機(jī)相比，CO2壓縮機(jī)的整體尺寸更小。

1.3 安全性

一般情況下，CO2被認(rèn)為是無毒的，但當(dāng)濃度超過2%時(shí)會產(chǎn)生危害。CO2是無色無味的，所以不容易被發(fā)現(xiàn)，因此，在通風(fēng)不良的場所中，應(yīng)安裝CO2探測器。且由于CO2的密度比空氣高，容易占據(jù)較低的區(qū)域，因此在不通風(fēng)的房間中泄漏更致命。所以，探測器應(yīng)安裝在靠近地面的位置。

除了毒性問題外，CO2設(shè)備中由于操作壓力引起的爆炸也是一個(gè)安全問題。爆炸造成的震動和飛濺的碎片可能會造成傷害。所以CO2設(shè)備的安全設(shè)計(jì)應(yīng)注意以下5點(diǎn)：

1）設(shè)備在高壓側(cè)和低壓側(cè)都應(yīng)有一個(gè)超壓釋放閥。

2）部件應(yīng)在正常工作壓力和溫度的兩倍（或更多）的情況下進(jìn)行壓力測試。

3）壓力測試應(yīng)包括其他操作影響，如由于壓力循環(huán)、蠕變、振動和腐蝕(特別是在存在水的情況下)造成的疲勞。

4）所有部件的設(shè)計(jì)壓力和溫度都應(yīng)該達(dá)到系統(tǒng)在靜止?fàn)顟B(tài)下可能遇到的最高壓力和溫度（包括安全系數(shù)）。

5）當(dāng)考慮系統(tǒng)的大小與所涉及的壓力時(shí)，CO2系統(tǒng)的相對爆炸能量與對流系統(tǒng)的近似相同。這主要是因?yàn)閷τ谙嗤芰Φ南到y(tǒng)而言，CO2系統(tǒng)擁有更小的系統(tǒng)尺寸和更少的費(fèi)用。

2 CO2的應(yīng)用

2.1 水源熱泵

生產(chǎn)熱水是CO2熱泵的最佳應(yīng)用，因?yàn)榭缗R界循環(huán)的溫度滑移大，與水的溫升過程相匹配，熱泵是水加熱的最優(yōu)方式，政府和其他注重能源效率的機(jī)構(gòu)正在大力鼓勵(lì)熱泵的使用。與電加熱相比，熱泵可以減少67%的能源使用，與燃料加熱相比會更多。

在住宅中，由于熱水是最高的使用能源之一，加上環(huán)境和能源效率的優(yōu)勢，CO2熱泵技術(shù)有很大的未來前景。

2.2 汽車空調(diào)

CO2制冷系統(tǒng)在汽車空調(diào)領(lǐng)域也有較大的應(yīng)用前景。CO2系統(tǒng)緊湊及傳熱性好，適用于設(shè)備空間有限及對能源效率要求高的汽車空調(diào)領(lǐng)域。汽車空調(diào)消耗的制冷劑占全球制冷劑的31%，總計(jì)超過15萬噸/年。同樣，汽車空調(diào)泄漏率最高[4]。所以對CO2的更改將是非常有利的。最近的研究表明，隨著氫氟碳化物的逐步淘汰，CO2系統(tǒng)與常用的HFC系統(tǒng)相比具有優(yōu)越性，CO2是汽車空調(diào)的最佳選擇。

由于CO2系統(tǒng)是比較新的，所以汽車空調(diào)系統(tǒng)容易出現(xiàn)更多的維護(hù)問題。所以需要合格的技術(shù)人員來處理這項(xiàng)新技術(shù)。由于重量和空間要求有限，再加上汽車的空調(diào)系統(tǒng)和其他電氣和機(jī)械系統(tǒng)的集成，這項(xiàng)技術(shù)在車輛中變得更加復(fù)雜。在CO2汽車空調(diào)被完全接受之前，這些問題以及其他一些小的經(jīng)濟(jì)問題都需要得到解決。此外，蒸發(fā)器上的結(jié)霜問題也沒有得到有效解決。盡管存在這些挑戰(zhàn)，CO2仍被證明是一種理想的制冷劑，能夠立即提供高溫?zé)崃?，同時(shí)需要更少的空氣來傳遞熱量。這使得復(fù)雜的汽車環(huán)境控制成為一個(gè)研究熱點(diǎn)[5]。

2.3 商用制冷

商用制冷是零售商店用來陳列、保存或準(zhǔn)備的方便顧客購買食品和飲料的設(shè)備。這些設(shè)備包括超級市場的冷藏展示柜、冷藏自動售貨機(jī)、飲水機(jī)及制冰機(jī)。商用制冷消耗的制冷劑占全球制冷劑的28%，是全球第二大制冷劑應(yīng)用領(lǐng)域。這使得它成為進(jìn)入環(huán)境的制冷劑的最大排放者之一，約占全球排放量的37%。2002年，商業(yè)制冷導(dǎo)致超過18.5萬噸制冷劑泄漏到大氣中[6]。此外，這一領(lǐng)域的能源利用通常非常高，因此需要有效的制冷系統(tǒng)。研究表明，CO2的相關(guān)成本和能耗與其他制冷系統(tǒng)不相上下。實(shí)際上，有人認(rèn)為CO2系統(tǒng)是未來的主導(dǎo)技術(shù)，因?yàn)樗鼈兙哂辛己玫臒嵛锢砗桶踩阅堋?/p>

CO2技術(shù)甚至被用于獨(dú)立的瓶裝冷卻器和冷熱自動售貨機(jī)。輕商業(yè)領(lǐng)域的主要投資指向CO2技術(shù)，在世界范圍內(nèi)有超過85 000個(gè)裝置在運(yùn)行[7]，這些自動販賣機(jī)大多利用跨臨界循環(huán)。

2.4 家用空調(diào)

由于對家用空調(diào)設(shè)備的高需求和對HFC替代品的要求， CO2家用空調(diào)一直是研究機(jī)構(gòu)和工業(yè)研究的重點(diǎn)。家用空調(diào)機(jī)組的年需求量超過4 000萬臺，在大多數(shù)居住區(qū)市場需求預(yù)計(jì)還會進(jìn)一步增長[4]，空調(diào)是僅次于熱水器的第二大能源消耗。在這種應(yīng)用中，對環(huán)境影響的關(guān)注點(diǎn)更多地集中在能源使用引起的排放問題上，而不是制冷劑泄漏的直接影響。因此，能源效率是至關(guān)重要的[5]。CO2在固定式空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用取得了良好的效果。采用單向制冷劑回路的機(jī)組工作可靠且效率更高。

2.5 冷藏運(yùn)輸

由于CO2設(shè)備具有高效、可靠和緊湊的特點(diǎn)，使得CO2制冷系統(tǒng)在冷藏運(yùn)輸領(lǐng)域得到大力推廣，在冷藏運(yùn)輸領(lǐng)域 CO2制冷系統(tǒng)被認(rèn)為是HFC制冷系統(tǒng)的替代品。冷藏運(yùn)輸方式包括易腐貨物卡車、公共和貨物火車和船舶。相對較高的密度和容量是CO2在冷藏運(yùn)輸領(lǐng)域的另一個(gè)優(yōu)勢。

3 CO2的未來應(yīng)用

CO2制冷的潛力遠(yuǎn)比上面討論的應(yīng)用更廣泛。專家認(rèn)為，盡管CO2是目前使用范圍最廣的天然制冷劑，但作為一種制冷劑，即使在制冷行業(yè)之外，它也有占領(lǐng)更多市場的潛力[4]。CO2作為制冷劑的一些未來潛在用途是信息技術(shù)（IT）設(shè)備冷卻、工業(yè)熱泵和工業(yè)廢熱回收。

3.1 信息技術(shù)設(shè)備冷卻

隨著對隨時(shí)隨地向任何人提供信息的需求的增長，對高性能數(shù)據(jù)中心的需求也在增加。要做到這一點(diǎn)，就需要高密度的數(shù)據(jù)存儲和處理環(huán)境，并且必須有一個(gè)有效的制冷系統(tǒng)，以確保工作環(huán)境不會過熱，并確保信息的平穩(wěn)運(yùn)行和流動。因此，一個(gè)具有高COP和自動控制的高效冷卻系統(tǒng)對于節(jié)能和數(shù)據(jù)中心的平穩(wěn)運(yùn)行至關(guān)重要。與傳統(tǒng)的水基系統(tǒng)相比，CO2是電良性的，因此CO2冷卻系統(tǒng)可以有效、可靠地提供吸熱過程，而不會干擾IT設(shè)備。CO2冷卻系統(tǒng)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是其緊湊性，便于與IT設(shè)備和周圍結(jié)構(gòu)的集成。此外，它是余熱回收的一種形式，有可能同時(shí)加熱和冷卻[4]。

3.2 工業(yè)熱泵

CO2可以用于回收有用的余熱，同時(shí)為作業(yè)過程提供低溫?zé)幔ǜ哌_(dá)130 ℃）。因此，CO2熱泵在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用具有節(jié)能和良好的應(yīng)用前景。同時(shí)在紡織品洗滌、食品和化妝品生產(chǎn)設(shè)施的洗滌等領(lǐng)域也具有良好的應(yīng)用前景。因?yàn)橄礈焖玫臒崴梢院苋菀缀透咝У赜蒀O2熱泵提供。

3.3 工業(yè)廢熱回收

許多工業(yè)過程產(chǎn)生的熱量由于不能被有效地重復(fù)利用而作為廢物釋放到環(huán)境中。這種廢熱可以有效地應(yīng)用在CO2熱泵領(lǐng)域，這種余熱回收可以減少產(chǎn)生熱水的能源成本。此外，該行業(yè)將通過滿足有關(guān)釋放到環(huán)境中的廢物的溫度規(guī)定來減少廢物處理，并在提供有用的熱量的同時(shí)減少廢物的支出。

4 結(jié)論

從CO2作為一種制冷劑的歷史背景出發(fā)，探討了CO2在制冷工業(yè)中影響其性能的具體特性。由于其優(yōu)越的性能，特別是在制冷方面，我們相信CO2將在未來制冷技術(shù)的許多應(yīng)用中占據(jù)主導(dǎo)地位。