關(guān)于ＣＯ_２作為環(huán)保制冷劑的性能分析

[摘要]針對(duì)CFC和HCFC及HFC類制冷劑對(duì)大氣臭氧層、全球溫室效應(yīng)影響問題，采用對(duì)比分析方法，分析了CO₂作為替代制冷劑的明顯優(yōu)勢和不足及應(yīng)用前景。結(jié)果表明，CO₂是理想的環(huán)保制冷劑之一，隨著制冷與空調(diào)技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展必將會(huì)得到廣泛應(yīng)用。

[關(guān)鍵詞]制冷劑 CO₂環(huán)保 性能

中圖分類號(hào)：O69文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1671－7597（2009）0510099－02

在19世紀(jì)八十年代到20世紀(jì)三十年代，CO₂曾作為第一代制冷劑被廣泛地應(yīng)用于制冷空調(diào)系統(tǒng)中，與氨制冷劑一樣，是當(dāng)時(shí)最為常用的制冷工質(zhì)。但從20世紀(jì)30年代以后，由于當(dāng)時(shí)技術(shù)水平比較差，CO₂制冷劑低臨界溫度（31.1℃）和較高的臨界壓力（7.38MPa），使得CO₂蒸汽壓縮制冷循環(huán)效率較低，基本停用。然而從20世紀(jì)70年代起，由于發(fā)現(xiàn)了第二代制冷劑CFC和HCFC具有破壞大氣臭氧層的作用和較高的溫室效應(yīng)，并且作為它們的替代制冷劑HFC同樣具有較高的溫室效應(yīng)，而CO₂作為天然工質(zhì)，即不破壞臭氧層，全球溫室效應(yīng)又低，而且無毒、不可燃，并具有單位容積制冷量高等優(yōu)點(diǎn)，又重新被人們所認(rèn)識(shí)而獲得再興。近年來，對(duì)CO₂作為環(huán)保制冷劑的研究一直是制冷空調(diào)技術(shù)領(lǐng)域中廣泛關(guān)注的熱點(diǎn)之一。

一、環(huán)保制冷劑的選擇原則

作為環(huán)保制冷劑除了考慮應(yīng)滿足常規(guī)制冷劑在熱力學(xué)、物理化學(xué)及經(jīng)濟(jì)性方面的基本要求外，更重要的是考慮要滿足在安全性和環(huán)境影響方面的要求。

（一）安全性方面的要求

制冷劑應(yīng)在工作溫度范圍內(nèi)不燃燒、不爆炸，無毒或低毒；滲透能力弱，易于撿漏；萬一泄露，無刺激性氣味，對(duì)人體健康無損害，與食品相接觸時(shí)無污染。

（二）環(huán)境影響方面的要求

制冷劑存留于大氣中的壽命要短，以減少對(duì)人類賴以生存環(huán)境的影響。ODP（Ozone Deletion Potential）是表示制冷劑消耗大氣臭氧分子潛在程度的指標(biāo)，是基于CFC-11為1.0的相對(duì)比較值。作為環(huán)保制冷劑ODP值應(yīng)為零或盡可能地小，以減少對(duì)大氣臭氧層的破壞；GWP（Global

Warming Potential）是衡量制冷工質(zhì)對(duì)全球氣候變暖影響的指標(biāo)，是基于作用100年的CO₂為1.0的相對(duì)比較值，作為環(huán)保制冷劑GWP值要盡可能地低[1]。以減少對(duì)全球溫室效應(yīng)影響；另外應(yīng)無光霧反應(yīng)，對(duì)大氣、水源和土壤等影響要少。

（三）熱力學(xué)方面的要求

制冷劑的標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)要低，以滿足制冷獲得較低蒸發(fā)溫度的要求；工作壓力適宜，壓力比要小，以減小壓縮耗功和壓縮級(jí)數(shù)；汽化潛熱要大，單位容積制冷量要大些，以減少制冷劑的循環(huán)量，從而縮小制冷壓縮機(jī)的尺寸；導(dǎo)熱系數(shù)要高，以提高換熱設(shè)備的換熱效率。

（四）物理化學(xué)方面的要求

制冷劑的密度和黏度要小，以減少制冷劑在制冷系統(tǒng)中的流動(dòng)阻力；能與潤滑油良好相溶，以使壓縮機(jī)各部分得到充分潤滑；具有一定的吸水性，以免在系統(tǒng)的低溫部分產(chǎn)生冰塞現(xiàn)象，不腐蝕金屬，具有較好的化學(xué)穩(wěn)定性和絕緣性；熱穩(wěn)定性好，高溫下不分解。

（五）經(jīng)濟(jì)性方面的要求

生產(chǎn)工藝簡單，成本低，價(jià)格便宜，容易獲得。

二、CO₂制冷劑的性質(zhì)

常溫下的CO₂是一種無色、無嗅的氣體，其熱物性參數(shù)與常用制冷劑的性能比較見表1。

（一）CO₂制冷劑具有的主要優(yōu)勢

1．CO₂是天然物質(zhì)，ODP=0，GWP=1。使用CO₂作為制冷工質(zhì)，對(duì)大氣臭氧層沒有破壞作用，可以減少全球溫室效應(yīng)，來源廣泛，勿需回收，可以大大降低制冷劑替代成本，節(jié)約能源，從根本上解決化合物對(duì)環(huán)境的污染問題，具有良好的經(jīng)濟(jì)性。

2．CO₂安全無毒、不可燃，并具有良好的熱穩(wěn)定性，即使在高溫下也不會(huì)分解出有害的氣體。萬一泄漏對(duì)人體、食品、生態(tài)都無損害。

3．CO₂具有與制冷循環(huán)和設(shè)備相適應(yīng)的熱物性。分子量小，制冷能力大，0℃的單位制冷量比常規(guī)制冷劑高5～8倍，因而對(duì)于相同冷負(fù)荷的制冷系統(tǒng)，壓縮機(jī)的尺寸可以明顯減小，重量減輕，整個(gè)系統(tǒng)非常緊湊；潤滑條件容易滿足，對(duì)制冷系統(tǒng)常見材料無腐蝕，可以改善開啟式壓縮機(jī)的密封性能，減少泄漏。

4．CO₂黏度小，0℃時(shí)CO₂飽和液體的運(yùn)動(dòng)黏度只是NH3的5.2%、R12的23.8%[5]，流體的流動(dòng)阻力小，傳熱性能比CFC類制冷劑更好，可以改善全封閉制冷壓縮機(jī)的散熱。

（二）CO₂制冷劑存在的主要缺點(diǎn)及分析

1．CO₂臨界壓力較高（7.38MPa），因此CO₂跨臨界制冷循環(huán)的工作壓力較傳統(tǒng)的亞臨界兩相制冷循環(huán)的工作壓力高得多，約為傳統(tǒng)制冷工質(zhì)CFC或HCFC系統(tǒng)壓力的６～８倍[4]。

所以制冷系統(tǒng)中工質(zhì)流經(jīng)的管路系統(tǒng)必須經(jīng)安全性分析。但是由于CO₂的單位容積制冷量約為常規(guī)制冷劑的5～8倍，系統(tǒng)所需的CO₂容積流量很小，而設(shè)備內(nèi)氣體的爆炸能量為壓力與容積乘積的函數(shù)，所以雖然系統(tǒng)的工質(zhì)壓力高，但容積較小，其壓力和容積的乘積與常規(guī)工質(zhì)相差不大，設(shè)備內(nèi)氣體的爆炸能量增加的并不多。以可靠性理論為依據(jù)，根據(jù)CO₂跨臨界制冷系統(tǒng)管道可靠性的不同影響因素及其變化規(guī)律，對(duì)不同管材情況下的可靠性進(jìn)行深入地研究與分析，得到的結(jié)論是：當(dāng)管路系統(tǒng)的管外徑給定時(shí)，只要合理地選擇管材和管壁厚度，就能保證系統(tǒng)在給定壓力下運(yùn)行的可靠性和安全性，CO₂跨臨界循環(huán)較高的運(yùn)行壓力是可以得到合理解決的；現(xiàn)有鋼管基本可以直接應(yīng)用，而現(xiàn)有銅管則需根據(jù)管徑和壁厚經(jīng)安全性分析后選用[6]。因此CO₂運(yùn)行工作壓力較高所引起的安全性問題，并不會(huì)影響CO₂作為環(huán)保制冷劑推廣應(yīng)用的障礙。

2．CO₂單級(jí)壓縮跨臨界循環(huán)的性能系數(shù)COP比相同溫度條件下的R12、R22、R134a等常規(guī)制冷劑的制冷性能系數(shù)都低。針對(duì)CO₂制冷循環(huán)性能系數(shù)低的缺點(diǎn)，學(xué)者們經(jīng)研究探索發(fā)現(xiàn)，完全可以通過完善系統(tǒng)循環(huán)方式、優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)備來解決，如采用雙級(jí)壓縮和采用膨脹機(jī)回收一部分膨脹功的措施加以改善，來提高制冷循環(huán)效率。有理論分析表明，采用膨脹機(jī)CO₂跨臨界循環(huán)的效率要高于常規(guī)制冷工質(zhì)的節(jié)流膨脹循環(huán)[2]。

三、CO₂制冷劑的應(yīng)用前景

自前國際制冷學(xué)會(huì)主席G．Lorentzen提出采用CO₂作為環(huán)保制冷劑及跨臨界循環(huán)理論以來[7]，CO₂在環(huán)保和性能上的優(yōu)勢越來越多地吸引了世界各國學(xué)者研究的注意力，其系統(tǒng)和部件的開發(fā)也得到了很大的發(fā)展，現(xiàn)有研究結(jié)果表明，CO₂系統(tǒng)在高環(huán)境溫度（45℃以上）時(shí)，制冷性能低于傳統(tǒng)系統(tǒng)，35～45℃間與傳統(tǒng)系統(tǒng)相近，35℃以下時(shí)性能更優(yōu)[5]。目前CO₂跨臨界循環(huán)在汽車空調(diào)、熱泵、商用制冷裝置、食品冷藏冷凍等方面的應(yīng)用前景都很好，性能都相當(dāng)于甚至好于原來采用R22或R12或R134a的制冷裝置，特別適用于需要大的溫度變化的場合，而且在較低的蒸發(fā)溫度下性能較好[2]。

CO₂作為一種天然制冷工質(zhì)，就其物性特征而言，具有其他非天然工質(zhì)不可比擬的優(yōu)勢。伴隨著CO₂制冷系統(tǒng)研究工作的不斷深入，CO₂作為新一代制冷工質(zhì)將會(huì)得到進(jìn)一步推廣，相信在不久的將來，汽車空調(diào)系統(tǒng)、商用制冷系

統(tǒng)、住宅空調(diào)系統(tǒng)以及各個(gè)生產(chǎn)企業(yè)的熱泵干燥系統(tǒng)將會(huì)大量使用CO₂替代現(xiàn)有制冷工質(zhì)。

四、結(jié)束語

作為制冷劑，人們希望它環(huán)保、高效、經(jīng)濟(jì)，但實(shí)際上并不存在一種十全十美的制冷劑。與其他制冷劑相比，CO₂具有環(huán)保、安全、經(jīng)濟(jì)和單位容積制冷量等性能方面上的明顯優(yōu)勢，也有運(yùn)行工作壓力和效率方面上的不足。目前的研究表明，只要合理選擇管材和管壁的厚度，可保證CO₂系統(tǒng)在跨臨界壓力下運(yùn)行的安全性和可靠性，而合理改善CO₂跨臨界循環(huán)方式，可以有效地減少節(jié)流損失，提高系統(tǒng)的循環(huán)效率，CO₂作為環(huán)保制冷劑之一，有著很好的應(yīng)用前景，隨著制冷與空調(diào)技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展必將會(huì)得到廣泛應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

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[6]王侃宏，CO₂跨臨界循環(huán)的理論分析和實(shí)驗(yàn)研究，天津：天津大學(xué)，2000.

[7]Lorentzen G．The use of natural refrigerants：a complete solution to the CFC/HCFC predicament. Int J Refrig,1995,18（3）：190-197.

作者簡介：

葉學(xué)群，阜新高等專科學(xué)校，副教授，研究方向：制冷與空調(diào)技術(shù)。