馬 飆,冀兆良

(1.河北科技大學(xué)建筑工程學(xué)院,河北石家莊050000;2.廣州大學(xué)土木工程學(xué)院,廣東廣州510006)

1 前 言

制冷技術(shù)領(lǐng)域眾所周知,包括R134a在內(nèi)的HFCs類制冷劑及其混合型制冷劑,都有溫室效應(yīng)問題,不能夠滿足長期環(huán)保要求,因此,重新研究應(yīng)用天然制冷劑越來越受到重視,甚至被譽(yù)為是解決環(huán)境問題的最終方案,CO2制冷劑就是其中之一。CO2作為制冷劑具有良好的熱力性能和環(huán)保特性,CO2制冷劑跨臨界循環(huán)的放熱過程可以和變溫?zé)嵩聪嗥ヅ?更接近勞侖茲循環(huán),從而可得到較高的用能效率,這一點尤其受重視。與其它制冷劑相比,CO2具有下列優(yōu)點:

1)ODP=0,且GWP=1,約為R134a、R22的千分之一;

2)運(yùn)動粘度低,壓縮比較低,單位容積制冷量大,有很好的傳熱性能;

3)來源廣泛,價格低廉,制冷系統(tǒng)維護(hù)簡單;

4)無毒、無臭、無污染,不燃、不爆,對常用材料沒有腐蝕性[1]。

CO2制冷在應(yīng)用上的不足之處主要是其臨界溫度低 (31.1℃),壓力比小,排氣壓力高,節(jié)流損失大,材料耗費多,安全性可靠性較差,混入潤滑油中后會導(dǎo)致潤滑油粘性急劇下降。

CO2制冷系統(tǒng)在應(yīng)用上需要研究和解決的問題主要有系統(tǒng)裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計和優(yōu)化、CO2高效壓縮機(jī)的研究開發(fā)、低溫下CO2換熱性能的研究及耐高壓高效換熱器的開發(fā)、膨脹機(jī)內(nèi)部兩相流過程的研究及膨脹機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化以及完善的控制策略設(shè)計、超臨界CO2流動傳輸特性的研究、氣體冷卻器和蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計和優(yōu)化、跨臨界循環(huán)系統(tǒng)的壓比控制和容量調(diào)節(jié)方法的研究、系統(tǒng)的高壓及超壓情況下的安全性和系統(tǒng)潤滑油的選擇等。

2 CO2制冷劑應(yīng)用研究現(xiàn)狀

2.1 純質(zhì)CO2制冷劑在單級壓縮制冷的應(yīng)用研究

2.1.1 CO2跨臨界制冷循環(huán)的應(yīng)用研究

CO2跨臨界制冷循環(huán)最早是由前國際制冷協(xié)會主席G.Lorentzen在20世紀(jì)80年代提出的,并開展了相關(guān)的研究工作,目前研究的CO2制冷系統(tǒng)很大部分都是采用的跨臨界循環(huán)。

CO2跨臨界制冷循環(huán)的流程與普通的蒸汽壓縮式制冷循環(huán)略有不同,其循環(huán)過程如圖1所示,壓縮機(jī)的吸氣壓力低于臨界壓力,蒸發(fā)溫度低于臨界溫度,但壓縮機(jī)的排氣壓力高于臨界壓力;循環(huán)的吸熱過程在亞臨界條件下進(jìn)行,換熱過程主要是依靠潛熱來完成,冷卻換熱過程依靠顯熱來完成,此時的高壓換熱器稱為氣體冷卻器。

圖1 CO2跨臨界制冷循環(huán)

CO2跨臨界循環(huán)具有的特點:CO2的吸、放熱分別在亞臨界和跨臨界區(qū)進(jìn)行,高壓側(cè)的冷卻過程中不發(fā)生相變,換熱全部通過顯熱交換完成;CO2循環(huán)在跨臨界條件下運(yùn)行,其工作壓力雖然較高,但壓比卻很低,壓縮機(jī)的效率相對較高;CO2跨臨界制冷循環(huán)在不同工況下,存在對應(yīng)于最大COP值的最佳排氣壓力;CO2跨臨界制冷循環(huán)用于熱回收時,有較高的放熱效率,用于較高溫度和較大溫差需要的熱回收時具有獨特的優(yōu)勢。

在現(xiàn)階段,該系統(tǒng)的缺點是其效率較低,尤其是當(dāng)環(huán)境溫度較高時,此外,跨臨界循環(huán)的排氣壓力高達(dá)12MPa左右,遠(yuǎn)高于常規(guī)系統(tǒng),使跨臨界循環(huán)的應(yīng)用受到了一定限制。但由于跨臨界循環(huán)具有鮮明的特點和特殊的應(yīng)用前景,目前已成為CO2制冷循環(huán)最為活躍的研究方向。在基本的CO2跨臨界循環(huán)的基礎(chǔ)上,已發(fā)展出多種改進(jìn)的CO2跨臨界循環(huán),如雙級壓縮CO2跨臨界制冷循環(huán)、帶膨脹機(jī)的CO2跨臨界制冷循環(huán)、帶引射器的CO2跨臨界制冷循環(huán)、帶引射器和經(jīng)濟(jì)器的CO2跨臨界制冷循環(huán)等。所以改進(jìn)和完善跨臨界系統(tǒng)的循環(huán)方式、優(yōu)化系統(tǒng)與設(shè)備是推廣應(yīng)用CO2的關(guān)鍵[2-3]。2.1.2 CO2超臨界制冷循環(huán)的應(yīng)用研究

CO2超臨界循環(huán)與普通的蒸汽壓縮式制冷循環(huán)完全不同,所有的循環(huán)狀態(tài)都在臨界點以上,工質(zhì)的循環(huán)過程沒有相變,不能變?yōu)橐簯B(tài),實際上是氣體循環(huán),其循環(huán)過程如圖2所示,這種循環(huán)方式在原子能發(fā)電時采用,一般不用于制冷空調(diào)領(lǐng)域。

對于超臨界CO2的幾個基本特性雖已得到公認(rèn),但目前對于超臨界CO2流動和換熱性能的研究尚不成熟,雖然一些研究者通過大量的理論和實驗研究得出了一些經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式,但仍然沒有通用的經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式,部分流動和換熱的機(jī)理尚不明了,有待于進(jìn)一步的研究。

圖2 CO2超臨界制冷循環(huán)

2.1.3 CO2亞臨界制冷循環(huán)的應(yīng)用研究

CO2亞臨界制冷循環(huán)的流程與普通的蒸汽壓縮式制冷循環(huán)完全一樣,其循環(huán)過程如圖3所示。壓縮機(jī)的吸、排氣壓力都低于臨界壓力,蒸發(fā)溫度和冷凝溫度也低于臨界溫度,并且循環(huán)的吸、放熱過程都在亞臨界條件下進(jìn)行,換熱過程主要依靠潛熱來完成。早年的CO2制冷循環(huán)多為亞臨界循環(huán),目前,CO2亞臨界循環(huán)主要用于低溫冷凍設(shè)備所用復(fù)疊式制冷系統(tǒng)的低溫級。

圖3 CO2亞臨界制冷循環(huán)

CO2亞臨界系統(tǒng)的壓力水平約為4MPa,與現(xiàn)有R410A系統(tǒng)壓力相當(dāng),遠(yuǎn)低于跨臨界循環(huán)12MPa左右的壓力水平。亞臨界方式或者含有亞臨界的混合方式是CO2應(yīng)用于超市制冷的重要方式,采用CO2亞臨界復(fù)疊系統(tǒng)的低溫應(yīng)用越來越多,其競爭力也越來越強(qiáng)。

2.2 CO2制冷劑在復(fù)疊制冷循環(huán)的應(yīng)用研究

CO2制冷劑在復(fù)疊式制冷系統(tǒng)中用作低溫級制冷劑,高溫級制冷劑用NH3或R290。J.Pettersen和A.Jakobsen的研究表明,與NH3兩級壓縮系統(tǒng)相比,低溫級采用CO2的系統(tǒng),可實現(xiàn)-45～-50℃的低溫。

采用CO2作為復(fù)疊式制冷循環(huán)的低溫級制冷劑有許多優(yōu)點:

1)CO2在蒸發(fā)溫度為-50℃以下時仍有足夠的蒸發(fā)壓力,可以滿足目前食品低溫保存的要求,而且蒸發(fā)器內(nèi)不會產(chǎn)生負(fù)壓;

2)由于CO2無毒、不可燃、沒有氣味,且相對分子質(zhì)量比空氣重,可以按照氫氟烴制冷劑的規(guī)程處理;

3)CO2是天然工質(zhì),對環(huán)境的影響小,在解決了工質(zhì)替代問題的同時,第一級制冷劑的充注量還可以減少,而且第一級的制冷系統(tǒng)也可以在遠(yuǎn)離公眾的場合設(shè)置,安全問題完全可以解決。

4)與其它的低溫制冷劑相比,即使處于低溫狀況,CO2的黏度也非常小,傳熱性能良好,因為利用其潛熱吸熱,單位容積制冷量大,大大減小了所需換熱器的面積,使得這種低溫制冷系統(tǒng)具有很強(qiáng)的競爭力,同時系統(tǒng)的安裝成本、操作和維護(hù)成本也可以減低。

目前,國際上對CO2復(fù)疊式制冷循環(huán)的應(yīng)用已經(jīng)比較普遍,國外許多超市和工廠都使用了CO2復(fù)疊式制冷。但是由于CO2的三相點溫度為-56.6℃,這就限制了它在溫度更低的制冷系統(tǒng)中的使用。為了用于低溫系統(tǒng),有人曾提出了使用CO2二元甚至多元混合做為低溫級,即把CO2與R170或R1150等混合,做成混合制冷劑,由于R170的熔點低達(dá)-183.3℃,R1150的熔點為-169.14℃,所以混合物的熔點可低于-56.6℃,擴(kuò)大了CO2應(yīng)用于低溫制冷的范圍。

2.3 CO2混合制冷劑的制冷循環(huán)應(yīng)用研究

2.3.1 CO2/二甲醚混合制冷劑跨臨界制冷循環(huán)的研究

與純質(zhì)CO2相比,在制冷模式下,CO2/DME的系統(tǒng)運(yùn)行壓力降低了2 MPa,在制熱模式下系統(tǒng)壓力降低了1.9 MP,同時COP基本不變[4]。

對CO2/DME混合制冷劑的跨臨界制冷循環(huán)性能的分析:

1)在保持跨臨界制冷循環(huán)特性和CO2壓縮機(jī)直接充灌的原則下,CO2/DME混合制冷劑的質(zhì)量配比范圍為90/10～100/0。

2)90/10質(zhì)量配比的CO2/DME混合制冷劑的跨臨界制冷循環(huán)特性與純質(zhì)CO2相比,制冷量、壓縮機(jī)功耗、COP隨高壓側(cè)壓力的變化規(guī)律基本一致。在相同工況的制冷模式下,CO2/DME的COP比CO2提高了4.3%,最佳排氣壓力降低了3 MPa;制熱模式下,CO2/DME的最優(yōu)制熱系數(shù)比CO2提高了3.1%,最佳排氣壓力降低了3 MPa。

3)在相同的過熱度條件下,純質(zhì)CO2的COP增加幅度大于混合工質(zhì)CO2/DME。

2.3.2 采用CO2天然混合制冷劑的制冷系統(tǒng)的研究

采用CO2混合工質(zhì),可以有效地改善純的CO2系統(tǒng)存在的不足。針對三組CO2天然混合工質(zhì)R744/R290、R744/R600、R744/R600a,在相同工況下,R744/R290的冷凝壓力比R744R/R600高12%～23%,比R744/R600a高19%～24%;R744/R290的COP值比R744/R600高33%～41%,比R744/R600a高25%～32%。

3組天然混合工質(zhì)的蒸氣壓縮制冷循環(huán)的分析:

1)隨著三組混合制冷劑中CO2質(zhì)量百分?jǐn)?shù)的增加,制冷量呈下降趨勢。隨著蒸發(fā)器出口溫度的增加,3組制冷劑的制冷量均上升。

2)制冷模式下3組混合制冷劑的系統(tǒng)COP均隨CO2質(zhì)量百分?jǐn)?shù)的增加而下降,其中R744/R290的COP最大。

3)隨著CO2質(zhì)量配比的增加,3組混合制冷劑的制冷循環(huán)冷凝器壓力逐漸升高。通過控制混合制冷劑中CO2質(zhì)量百分?jǐn)?shù)的大小,可以使其高壓側(cè)壓力接近于傳統(tǒng)蒸氣壓縮制冷系統(tǒng)的壓力。在相同工況下,R744/R290的壓力均明顯高于其它兩種混合制冷劑,也就是說R744/R600和R744/R600a的壓力優(yōu)勢更明顯[5]。

2.4 CO2制冷系統(tǒng)設(shè)備的應(yīng)用研究

2.4.1 壓縮機(jī)方面的應(yīng)用研究

壓縮機(jī)是制冷系統(tǒng)的關(guān)鍵部件,對整個系統(tǒng)的效率和可靠性影響最大。衡量壓縮機(jī)工作性能的指標(biāo)有指示效率和容積效率,其主要與氣閥和氣腔的壓力損失、汽缸泄漏、氣體與汽缸傳熱等因素有關(guān)。與使用普通制冷劑的壓縮機(jī)相比,CO2循環(huán)壓縮機(jī)具有工作壓力高、壓差大、壓比小、體積小、重量輕、運(yùn)動部件間隙難以控制、潤滑較困難等特點。因此CO2壓縮機(jī)的研究開發(fā)一直是制冷技術(shù)發(fā)展的難點。

德國的Jurgen Sub和Horst Kruse對CO2活塞式壓縮機(jī)的指示效率進(jìn)行了理論分析和實驗研究,指出閥室的壓力損失和氣缸壁的傳熱損失對指示效率的影響很小,但氣缸的泄漏損失對指示效率的影響很大,因此要降低泄漏就要減小密封長度,并采用有效的密封措施。美國馬里蘭大學(xué)Radermacher和日本靜岡大學(xué)Fukuta合作進(jìn)行了滑片式壓縮機(jī)應(yīng)用于CO2跨臨界制冷循環(huán)的研究[6],結(jié)果表明滑片壓縮機(jī)可作為單級壓縮機(jī)、雙級壓縮機(jī)和壓縮膨脹機(jī)應(yīng)用于CO2跨臨界循環(huán)中,泄漏損失是影響效率的主要因素,若把CO2壓縮機(jī)的間隙量減小到R134a壓縮機(jī)間隙量的三分之二,可獲得相同的容積效率。近幾年來,我國在CO2制冷技術(shù)研究方面也取得了較大進(jìn)步,開發(fā)了CO2制冷壓縮機(jī)樣機(jī),進(jìn)行了性能模擬和實驗研究[7],研究了CO2膨脹機(jī)[8-9]和CO2制冷系統(tǒng)噴射器[10],取得了階段性研究成果。

目前,世界上許多知名公司都相繼開發(fā)了不同形式的CO2壓縮機(jī),其中部分產(chǎn)品已經(jīng)市場化和系列化,用于熱泵熱水器、大型超市陳列柜等,但成果的關(guān)鍵技術(shù)都處于保密階段。意大利OFFICINE MARIO DORIN公司開發(fā)的半封閉式活塞CO2壓縮機(jī)已開始批量生產(chǎn),包括雙缸單級和兩級活塞壓縮機(jī),可用于空調(diào)和熱泵。由于CO2輸氣量小且殼體厚,高轉(zhuǎn)速下仍具有很好的噪聲特性和振動特性,瑞士的蘇黎世大學(xué)對應(yīng)用在家庭熱水器上的半封閉小型無油活塞式壓縮機(jī)進(jìn)行了開發(fā)研究。日本DENSO公司設(shè)計開發(fā)了用于CO2熱水器的渦旋壓縮機(jī),還有日本MYCOM公司推出的CO2單級螺桿壓縮機(jī),主要應(yīng)用于冷凍、空調(diào)系統(tǒng),整個機(jī)組的設(shè)計是冷熱同時利用,壓縮機(jī)的排氣用來加熱熱水,機(jī)組設(shè)油水蓄熱槽,低溫CO2用于制冷。同時,德國Bock公司、Danfoss公司等都分別進(jìn)行了這一領(lǐng)域的研究和開發(fā)。文獻(xiàn) [11]分析了已開發(fā)的各種類型的CO2壓縮機(jī)的特點,總結(jié)了在壓縮機(jī)研究中的關(guān)鍵技術(shù),認(rèn)為在未來CO2壓縮機(jī)發(fā)展方向是開發(fā)無油壓縮機(jī)、雙級壓縮機(jī)和膨脹壓縮機(jī)。

2.4.2 蒸發(fā)器的應(yīng)用研究

由于物性特點,蒸發(fā)器的發(fā)展也是一個管徑越來越小、流量密度越來越高、換熱系數(shù)越來越大的過程。“平行流”式蒸發(fā)器具有較高的性能,是今后的發(fā)展方向。CO2平行微管式蒸發(fā)器是由積液管、平行微管和微管間的空氣肋片組成,結(jié)構(gòu)形式與空氣冷卻器相同,但由于蒸發(fā)器內(nèi)CO2密度變化較氣體冷卻器大,因而蒸發(fā)器所需的微管數(shù)較多[12]。

2.4.3 冷凝器 (氣體冷卻器)的應(yīng)用研究

CO2跨臨界循環(huán)系統(tǒng)的運(yùn)行壓力較高,出口溫度獨立于出口壓力,允許有較大的壓降,并且CO2有良好的傳熱特性和容積制冷量,因此制冷劑側(cè)一般設(shè)計成較大的流量密度 (600～1200kg/m2s)采用較小的管徑,在1997年Lorentzen和Pettersen提出了銅制 “平行流”空氣冷卻器的概念?！捌叫辛鳌笨諝饫鋮s器由積液管、平行微管以及微管間的空氣肋片組成。微管嵌入積液管的 “插槽”上。這種換熱器管徑更小,換熱強(qiáng)度更高,結(jié)構(gòu)更為緊湊,具有較大的潛力,成為氣體冷卻器的新標(biāo)準(zhǔn)。所以氣體冷卻器和蒸發(fā)器設(shè)計得更為緊湊、高效。對于氣體冷卻器,為了充分利用超臨界過程的溫度特性,冷卻過程應(yīng)盡量采用逆流式換熱方式。CO2氣體冷卻器主要有2種類型:一種是用空氣冷卻,一般用于汽車空調(diào)、家用空調(diào)等方面;另一種是用水冷卻,主要是套管式和殼管式兩種類型的換熱器,常用于熱泵熱水器。目前,在CO2跨臨界制冷循環(huán)系統(tǒng)中,微通道換熱器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的翅片管換熱器是氣體冷卻器和蒸發(fā)器發(fā)展的趨勢。微通道換熱器的主要優(yōu)點是高效、耐壓、體積小、制冷劑充灌量少。

氣體冷卻器集管的橫截面通常是圓形,內(nèi)徑略大于微通道管。由于CO2系統(tǒng)中的高壓,設(shè)計雙入口集管,可大大減少集管質(zhì)量、尺寸和換熱器內(nèi)部面積。Pettersen等設(shè)計開發(fā)的微通道氣體冷卻器,使用這種裝置的CO2系統(tǒng)的COP顯著提高。微通道蒸發(fā)器目前是汽車空調(diào)工業(yè)的研究課題,日本一些廠家已將CO2熱泵熱水器推向市場,為了使系統(tǒng)更加緊湊高效,所用的氣體冷卻器通常有多種形式[13]。2.4.4 閥門及輔助設(shè)備的應(yīng)用研究

對亞臨界系統(tǒng),由于CO2機(jī)組的高壓側(cè)壓力在4MPa左右,與現(xiàn)有R410a系統(tǒng)相當(dāng),因此,大部分用于R410a系統(tǒng)的部件無需作太大修改即可應(yīng)用于CO2亞臨界系統(tǒng)。而對跨臨界系統(tǒng)應(yīng)用的部件,其設(shè)計壓力需要考慮到12MPa,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過常規(guī)系統(tǒng),因此需要特別設(shè)計。Danfoss、Sporlan、Hansen、Fujikoki和Henry等公司已有較齊全的亞臨界系統(tǒng)的配套閥件,Carel和Danfoss也已經(jīng)推出了用于亞臨界和跨臨界系統(tǒng)的電子膨脹閥和對應(yīng)的電子控制器;Alfa Laval和Swep公司也已經(jīng)推出亞臨界應(yīng)用的板式換熱器;Temprite公司已推出了亞臨界和跨臨界應(yīng)用的油路產(chǎn)品[14]。

總體上,CO2亞臨界系統(tǒng)的零部件和系統(tǒng)的發(fā)展水平較高,產(chǎn)品種類和系列也較齊全,而CO2超臨界系統(tǒng)的零部件和系統(tǒng)尚處在研發(fā)階段,產(chǎn)品種類和系列不多,但各大商用冷凍公司正積極加大在超臨界系統(tǒng)和產(chǎn)品開發(fā)上的投入。

3 CO2制冷系統(tǒng)的工程應(yīng)用

3.1 CO2制冷系統(tǒng)在商業(yè)建筑中的應(yīng)用

CO2制冷系統(tǒng)在商業(yè)建筑中的應(yīng)用主要是在各國超市的應(yīng)用,CO2在大、中型的超市制冷系統(tǒng)上的應(yīng)用有三種基本方式:

1)作第二制冷劑用于主制冷循環(huán)的二次回路,或稱有相變的二次回路;

2)作主制冷劑,應(yīng)用于亞臨界系統(tǒng),采用亞臨界循環(huán);

3)作主制冷劑,應(yīng)用于跨臨界系統(tǒng),采用跨臨界循環(huán)。

針對不同的應(yīng)用需求和超市有中、低溫兩段溫區(qū)制冷的需要,可在以上3種基本方式的基礎(chǔ)上,組合出各種不同的混合系統(tǒng)。

目前,超市CO2制冷系統(tǒng)的應(yīng)用數(shù)量不斷增長,全球各大連鎖超市集團(tuán),特別是本部在歐洲的超市集團(tuán),紛紛設(shè)立CO2制冷示范店,如英國最大的超市連鎖商Tesco(到2012年底,Tesco計劃有150家商店使用CO2制冷系統(tǒng)),瑞士第二大的零售集團(tuán)Coop,加拿大領(lǐng)先的零售集團(tuán)Loblaw和全球最大的連鎖超市Walmart等等。

下面,對超市CO2制冷系統(tǒng)在各地區(qū)的應(yīng)用作一個簡單介紹。

1995年,在政府的資助下,瑞典成功安裝了第一個CO2超市制冷系統(tǒng),截至2011年,瑞典至少有180個超市采用了CO2系統(tǒng)。從 2001年開始,Carrier-Linde公司已經(jīng)在歐洲成功安裝了100多套CO2亞臨界超市制冷系統(tǒng)。丹麥于2004年安裝了第一套超市CO2跨臨界循環(huán)制冷系統(tǒng)。1996年,美洲市場上首套CO2制冷系統(tǒng)安裝完成,該系統(tǒng)中CO2作中溫系統(tǒng)的二次回路的第二制冷劑。從2006年開始到2008年7月,北美市場上至少安裝了8套CO2作第二制冷劑的低溫系統(tǒng),首套采用CO2亞臨界復(fù)疊式的低溫制冷系統(tǒng)也已經(jīng)在2008年得到應(yīng)用。2007年,Carrier-Linde公司與澳大利亞Frigrite公司合作在泰國安裝了亞洲的第一套超市CO2復(fù)疊制冷系統(tǒng)。

總之,CO2制冷系統(tǒng)在歐洲超市的發(fā)展趨勢十分明顯,尤其是在北歐國家;在美洲和亞洲,其應(yīng)用實例較少;而在澳大利亞和新西蘭,其應(yīng)用也越來越多[14]。

3.2 CO2制冷系統(tǒng)在冷藏庫中的應(yīng)用

目前我國食品加工與冷藏業(yè)中的大中型冷庫80%都采用NH3作為制冷劑,NH3是一種重要的制冷劑,它有一百多年的歷史,但遺憾的是NH3有毒性,需要增加安全保護(hù)措施。而且目前在食品加工和冷藏工業(yè)中,隨著食品冷凍溫度的不斷降低,快速凍結(jié)的發(fā)展,要求制冷工質(zhì)的溫度進(jìn)一步降低。文獻(xiàn) [15]的研究表明,當(dāng)氨的溫度達(dá)到-51℃時,飽和壓力已經(jīng)接近真空,不可能再作為制冷工質(zhì),而CO2仍能維持413kPa的飽和壓力。因此如果在蒸發(fā)溫度低于-40℃時采用NH3系統(tǒng)就會帶來蒸發(fā)壓力過低的問題,而CO2則不存在這樣的問題。所以可以采用復(fù)疊式系統(tǒng),根據(jù)國外專家的評估,蒸發(fā)溫度在-35℃以下,采用CO2與氨復(fù)疊式制冷,不僅可以降低初次投資、提高效率,而且大大減少了系統(tǒng)的充氨量、提高了食品冷加工企業(yè)的安全系數(shù)。文獻(xiàn) [16]列出了采用的NH3/CO2復(fù)疊式循環(huán)的優(yōu)點。

文獻(xiàn) [17]報道了一個實際裝置的配置,該系統(tǒng)CO2的蒸發(fā)溫度為-42℃,冷凝溫度-11℃,CO2充注量2500kg,氨的充注量240kg,CO2回路配備兩臺往復(fù)式壓縮機(jī),制冷量分別為210kW和140kW,循環(huán)貯液器4.745m3,采用殼管式冷凝-蒸發(fā)器;還報道在蒸發(fā)溫度-35℃以下,采用復(fù)疊式系統(tǒng)的效率高于傳統(tǒng)的氨兩級壓縮系統(tǒng),采用復(fù)疊式系統(tǒng)不僅能夠滿足環(huán)保的要求,而且能夠滿足工業(yè)安全的要求。根據(jù)國內(nèi)貿(mào)易工程設(shè)計研究院考察團(tuán)2005年對美國冷庫的考察[18],在美國冷庫中氨仍然是一種主要的制冷劑。尤其大型冷庫基本均采用氨作為制冷劑,同時,天然工質(zhì)CO2已經(jīng)在冷庫制冷系統(tǒng)中得到實際應(yīng)用,采用CO2/NH3復(fù)疊式制冷系統(tǒng)的大型冷藏庫已經(jīng)開始實用,并運(yùn)行良好[19]。雀巢公司在法國的Beauviai冷庫已經(jīng)采用了NH3/CO2復(fù)疊式系統(tǒng)[20]。

3.3 CO2制冷在汽車空調(diào)中的應(yīng)用

目前汽車空調(diào)中主要采用R134a工質(zhì),據(jù)簽署的 《京都議定書》,R134a也是將被淘汰的工質(zhì)。以后汽車空調(diào)新型制冷劑中最具潛力的是CO2,CO2汽車空調(diào)系統(tǒng)最初的研究由挪威SINTEF研究所率先發(fā)起,他們先從理論上論述了CO2用于汽車空調(diào)領(lǐng)域的可能性,隨后又對CO2汽車空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行了樣機(jī)實驗。CO2應(yīng)用于汽車空調(diào)有許多優(yōu)勢:

1)汽車空調(diào)制冷劑易泄露、排放量大,采用CO2作為制冷劑有完全環(huán)保的特點;

2)CO2壓縮比低,因此壓縮機(jī)效率高,同時,高壓側(cè)CO2溫度變化大,使進(jìn)口空氣溫度與CO2的排氣溫度可以非常接近,這樣,也減少了高壓側(cè)不可逆?zhèn)鳠嵋鸬膿p失。

國際上幾個著名的汽車公司對CO2汽車空調(diào)的研究和應(yīng)用,作出了巨大的貢獻(xiàn):1994年,由5個歐洲汽車制造商和4個配件商聯(lián)合發(fā)起了名為“RACE”的項目,聯(lián)合歐洲著名高校研制CO2汽車空調(diào)系統(tǒng),到2003年歐洲生產(chǎn)的部分汽車已裝備了CO2汽車空調(diào)系統(tǒng)。美國UIUC大學(xué)建立了相應(yīng)的汽車空調(diào)實驗臺,對系統(tǒng)中回?zé)崞魈匦赃M(jìn)行了研究,并與R134a和R410A等工質(zhì)進(jìn)行了比較。Danfoss建立了CO2跨臨界汽車空調(diào)實驗臺,對系統(tǒng)的調(diào)節(jié)部件進(jìn)行了分析和研究。Calsonic Kansei公司公布的該公司CO2轎車空調(diào)研制方面的進(jìn)展表明,CO2汽車空調(diào)系統(tǒng)與R134a系統(tǒng)的制冷性能相當(dāng)。1996年德國KONVECTA生產(chǎn)的以CO2為工質(zhì)的公交客車空調(diào)通過了各種試驗,并進(jìn)行了實際的運(yùn)行。另外CO2汽車空調(diào)裝置在德國奔馳公司汽車上試用也取得了較好的效果。Konvecta公司生產(chǎn)的以CO2為工質(zhì)的空調(diào)公交車已運(yùn)行數(shù)年。在日本,豐田汽車公司與電子裝備公司共同研制的燃料電池汽車“FCHV”上安裝了CO2空調(diào)系統(tǒng),并進(jìn)入了商業(yè)化階段。世界第二大汽車零件供應(yīng)商維斯通也成功開發(fā)了CO2汽車空調(diào)系統(tǒng),并在2003年東京車展上展出。

這些成果表明,CO2跨臨界循環(huán)用于汽車空調(diào)不僅具有環(huán)境方面的優(yōu)勢,而且在系統(tǒng)效率方面也有提高的潛力[21]。

3.4 CO2制冷在熱泵系統(tǒng)中的應(yīng)用

CO2熱泵領(lǐng)域的研究是1994年由挪威SINTEF研究所率先對CO2跨臨界循環(huán)在熱泵上的應(yīng)用作了理論和實驗上的研究,隨后他們制作了CO2熱泵熱水器樣機(jī),對其性能和系統(tǒng)設(shè)計進(jìn)行了試驗研究。實驗結(jié)果表明:

1)在蒸發(fā)溫度為0℃時,水溫可以從9℃加熱到60℃,其熱泵能效比可高達(dá)4.3。同時,比起電熱水器和燃?xì)鉄崴?它的能耗可降低75%,甚至更多;

2)傳統(tǒng)熱泵熱水器制取熱水一般不超過55℃,若要制得較高溫?zé)崴畡t制熱系數(shù)下降;而CO2熱泵熱水器由于采用跨臨界循環(huán),在氣體冷卻器中的換熱溫差小,換熱效率高,能制得90℃高溫?zé)崴?

3)在商用和住宅建筑的能量需求中,約有1/4～1/3來源于對熱水的需求。采用CO2熱泵為商用和住宅建筑供應(yīng)熱水,可使其總用能量減少20%;

4)在寒冷地區(qū),傳統(tǒng)空氣源熱泵的制熱量和效率隨環(huán)境溫度的降低下降很快,熱泵的使用受到限制;而CO2熱泵系統(tǒng)在低溫環(huán)境下能夠維持較高的供熱量,大大節(jié)約輔助加熱設(shè)備所耗費的能量。

綜上所述,CO2跨臨界循環(huán)氣體冷卻器所具有的較高排氣溫度和較大的溫度滑移 (約80～100℃)與冷卻介質(zhì)的溫升過程相匹配,使其在熱泵循環(huán)方面具有獨特的優(yōu)勢。跨臨界CO2熱泵及其部件的開發(fā)研究已經(jīng)成為目前制冷領(lǐng)域的熱點之一。CO2作為制冷工質(zhì)在熱泵中的應(yīng)用,將有效解決空調(diào)冷熱源面臨的資源與環(huán)境的壓力,由于其節(jié)能的潛力非常大,開發(fā)CO2熱泵熱水器的市場前景廣闊,意義重大。

德國在CO2應(yīng)用于熱泵領(lǐng)域的研究最為廣泛深入。Dresden大學(xué)的H.Quack教授搭建了跨臨界CO2熱泵系統(tǒng)試驗臺,通過試驗分析了系統(tǒng)的熱力學(xué)性能和各種循環(huán)方式的計算方法,并對系統(tǒng)部件的設(shè)計、選取和組裝進(jìn)行了研究,且研制了CO2膨脹機(jī)以降低系統(tǒng)的節(jié)流損失,提高系統(tǒng)的COP。美國Richer等人開發(fā)了家用熱泵空調(diào)器,與R410a相比,當(dāng)室外溫度較高時,跨臨界CO2熱泵的供熱系數(shù)稍低;當(dāng)室外溫度較低時,兩個系統(tǒng)的換熱系數(shù)幾乎相等[22]。日本對CO2熱泵熱水器的研究開發(fā)起步也較早,目前的相關(guān)技術(shù)也較為成熟。在1995年,日本CRIEPI,東京電力公司和DENSO公司就開始合作研究CO2熱泵系統(tǒng),開發(fā)以CO2為工質(zhì)的家用熱泵熱水器,產(chǎn)品自2002年投放市場后,銷售量穩(wěn)步上升。它以其節(jié)能、環(huán)保、高效的性能享有“生態(tài)精靈”的稱號。日本三洋、大金等公司也相繼研制開發(fā)推出了各有特色的CO2熱泵熱水器,且COP也隨之提高。Sanyo公司研發(fā)出了高效多功能天然工質(zhì)CO2熱泵式加熱器,其制熱功率為7 kW,可廣泛應(yīng)用于地板、浴室加熱系統(tǒng)和除濕系統(tǒng),目前,日本的CO2熱泵熱水器累計銷售量已達(dá)到幾百萬臺[23]。

4 CO2制冷劑的應(yīng)用發(fā)展前景

CO2作為制冷劑的優(yōu)點和CO2在超臨界、跨臨界和亞臨界范圍內(nèi)的使用價值,使CO2在國際上得到廣泛的認(rèn)可,CO2可以應(yīng)用于制冷空調(diào)系統(tǒng)的大部分領(lǐng)域,就目前發(fā)展現(xiàn)狀而言,在汽車空調(diào)、熱泵和復(fù)疊式循環(huán)等領(lǐng)域應(yīng)用前景良好。在汽車空調(diào)、超市陳列柜,以及自動售貨機(jī)中正在提倡使用CO2制冷劑。在大型工業(yè)系統(tǒng)中,CO2作為復(fù)疊系統(tǒng)的低溫級制冷劑使用,通常以氨等作為高溫級制冷劑。在中型商業(yè)系統(tǒng)中,CO2也用作復(fù)疊系統(tǒng)的低溫級制冷劑,以HCFCs或HFCs作為高溫級制冷劑。CO2熱泵熱水器商業(yè)化的成功經(jīng)驗,對開發(fā)CO2冷凍冷藏制冷系統(tǒng)是很好的借鑒。CO2具有良好的安全性能,從環(huán)境問題、安全問題和成本差異等方面比較,尤其是它的價格便宜。在全世界許多地區(qū)的應(yīng)用正變得越來越流行,發(fā)展前景十分廣闊,隨著CO2制冷的研究技術(shù)問題的解決,CO2在制冷、空調(diào)和熱泵領(lǐng)域的發(fā)展將更加深入,應(yīng)用更加廣泛。

在我國CO2制冷技術(shù)研究方面也取得了較大進(jìn)步,開發(fā)了CO2制冷壓縮機(jī)樣機(jī),進(jìn)行了性能模擬和實驗研究,研究了CO2膨脹機(jī)和CO2制冷系統(tǒng)噴射器,取得了階段性研究成果。

因此我們可以預(yù)期CO2制冷劑的應(yīng)用前景。除了汽車空調(diào)、熱泵和復(fù)疊式循環(huán)等,CO2還可以用在其它很多地方,如大型制冷系統(tǒng)、平板凍結(jié)機(jī)、螺旋凍結(jié)機(jī)、冰淇淋生產(chǎn)廠、奶制品廠、魚類加工廠、漁船和冷凍干燥設(shè)備等。事實上任何蒸發(fā)溫度高于-55℃的系統(tǒng)都可以采用CO2,99%的低溫制冷系統(tǒng)可以由NH3/CO2復(fù)疊式低溫制冷系統(tǒng)完成。以及環(huán)保、節(jié)能的CO2熱泵代表著空調(diào)和熱水器行業(yè)的高端技術(shù)產(chǎn)品,將是行業(yè)發(fā)展的新趨勢,隨著國際上對HCFCs和 HFCs物質(zhì)限制日期的臨近,CO2熱泵系統(tǒng)必將代替?zhèn)鹘y(tǒng)的熱泵系統(tǒng)。

5 結(jié)語

二氧化碳是制冷空調(diào)行業(yè)的天然制冷劑之一,其在制冷行業(yè)的廣泛使用。國內(nèi)外對二氧化碳制冷循環(huán)投入了大量的研究,應(yīng)用研究日趨成熟,逐步向商業(yè)化應(yīng)用發(fā)展,但仍然有待于進(jìn)一步的改進(jìn)和完善,特別是系統(tǒng)的循環(huán)效率和安全性與可靠性:一方面要保證高壓安全性,包括保證設(shè)計的各個系統(tǒng)部件及管道滿足承壓要求和保證系統(tǒng)超壓情況下的安全性;另一方面要加強(qiáng)研究CO2和潤滑油的相互作用以及CO2與橡膠的滲透作用和爆發(fā)性解壓作用,避免泄漏,提高安全性。在設(shè)備的開發(fā)方面,國內(nèi)的研究應(yīng)注意結(jié)合新材料的開發(fā)以及機(jī)械制造新技術(shù)的開發(fā),以及在相同的承壓能力的要求下,使設(shè)備的小型化得以實現(xiàn)。

盡管到目前為止,CO2制冷系統(tǒng)的系統(tǒng)效率不特別具有競爭力,投資成本也相對較高,但隨著人們環(huán)保意識的增強(qiáng)、以及對環(huán)境有影響的制冷劑的逐步淘汰,并隨著CO2制冷技術(shù)的發(fā)展、CO2制冷效率的提高以及向規(guī)?；瘧?yīng)用方向的進(jìn)步,CO2制冷的應(yīng)用前景十分樂觀,CO2已經(jīng)成為最有前途的制冷劑之一。而中國人口眾多,隨著生活水平的提高,超市業(yè)的潛力巨大,推廣CO2制冷系統(tǒng)對我國具有重要的意義。

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