跨臨界CO2制冷循環(huán)系統(tǒng)與應用研究進展

軒福臣 謝 晶,3,4

(1. 上海水產(chǎn)品加工及貯藏工程技術(shù)研究中心，上海 201306；2. 上海冷鏈裝備性能與節(jié)能評價專業(yè)技術(shù)服務平臺，上海 201306；3. 食品科學與工程國家級實驗教學示范中心〔上海海洋大學〕，上海 201306；4. 上海海洋大學食品學院，上海 201306)

當今世界面臨著非常嚴峻的環(huán)境問題，尤其是臭氧層破壞的問題，為此，全社會都在尋找節(jié)能環(huán)保的綠色制冷方式[1]。斯德哥爾摩人類環(huán)境會議指出：為了人類的將來，保護環(huán)境已成為我們這一代人重要的任務，這個任務要與世界和平、經(jīng)濟發(fā)展協(xié)調(diào)實現(xiàn)[2]。

CO2(R744)作為自然工質(zhì)，從自然界中容易獲得，在19世紀末到20世紀中期開始使用，但CO2亞臨界制冷循環(huán)的效率偏低，隨著外界溫度的升高，CO2系統(tǒng)的制冷效率會變低，能耗變大，因而CO2未受到普遍關注[3]，取而代之的是氨、鹵代烴(CFCS、HCFCS、HFCS)制冷劑開始出現(xiàn)。隨著臭氧層破壞成為全世界共同關注的問題，人們逐漸認識到鹵代烴是導致臭氧層破壞的主要原因；由于跨臨界CO2制冷循環(huán)的深入研究，目前CO2已作為清潔、環(huán)保、綠色的制冷劑被逐漸采用[4]。CO2(ODP=0，GWP=1)作為一種自然工質(zhì)，非常符合替代鹵代烴制冷劑的要求；同時，CO2作為制冷劑具有高密度、低黏度，流動損失小、傳熱效果良好等優(yōu)點[5]，但CO2臨界壓力高，對壓縮機及管路設備有耐高壓要求，制冷劑容易發(fā)生泄漏，另外，中國對跨臨界CO2換熱器的研究起步較晚。因此，文章對跨臨界CO2循環(huán)制冷設備的研究及其應用進行了綜述，并對目前存在的問題進行了討論，提出了解決思路，旨在為跨臨界CO2設備的研究以及應用提供更好的指導。

1 跨臨界CO2制冷循環(huán)系統(tǒng)所用設備

跨臨界CO2循環(huán)系統(tǒng)由壓縮機、節(jié)流裝置、換熱器等組成封閉回路，見圖1。CO2在蒸發(fā)器中吸收周圍環(huán)境中的熱量，然后進入CO2壓縮機被壓縮，從壓縮機出來后進入空氣冷卻器放出熱量，然后節(jié)流變?yōu)闈裾魵?，重新進入蒸發(fā)器吸熱蒸發(fā)，進而連續(xù)制冷。目前對跨臨界CO2制冷循環(huán)系統(tǒng)的研究大部分仍停留在計算機模擬仿真、理論分析、試驗探索階段，進入大規(guī)模應用的案列較少。由于跨臨界CO2循環(huán)中壓力高，容易出現(xiàn)氣缸泄漏問題，且CO2的高擴散性能和低黏滯性會對密封產(chǎn)生不良影響，為了降低泄漏，系統(tǒng)需采用更有效的密封方式[6]。

1. 氣體冷卻器 2. CO2壓縮機 3. 蒸發(fā)器 4. 節(jié)流閥

1.1 CO2制冷壓縮機

CO2壓縮機是使CO2增壓并實現(xiàn)輸送的制冷設備。CO2的臨界壓力高(7.38 MPa)，臨界溫度較低(31.3 ℃)。因此，CO2壓縮機的運行要求耐高壓，對管材、管件、閥門有較高要求，運動部件間隙控制要求更加精確，壓縮機的入口溫度要高于臨界溫度。如果CO2系統(tǒng)中存在水分，不但會造成冰堵，由于CO2與水反應會生成碳酸，從而引起壓縮機的腐蝕，因此對CO2壓縮機材料有一定的要求；CO2壓縮機內(nèi)部壓力較高，壓縮機內(nèi)部的回油系統(tǒng)要求也更加嚴格。

侯秀娟[7]采用ANSYS軟件對CO2活塞式壓縮機的曲柄連桿機構(gòu)和渦旋式壓縮機的動渦盤進行了模擬研究，進而對活塞連桿機構(gòu)和動渦盤進行了優(yōu)化設計，提高了系統(tǒng)的制冷效率。Ma等[8]對跨臨界CO2壓縮機吸氣和排氣閥片的運動特性進行了研究，并在CO2壓縮機的吸氣管段中加入了冷卻機構(gòu)，減少了不可壓縮液體對吸氣和排氣閥片造成的不良影響。Ling等[9]對CO2壓縮機的運轉(zhuǎn)頻率展開了研究，建立了CO2壓縮機工作頻率與室外風扇轉(zhuǎn)速之間的數(shù)學模型，進而對跨臨界CO2系統(tǒng)進行了優(yōu)化。薛衛(wèi)東等[10]設計了微型CO2壓縮機，運動結(jié)構(gòu)用油泵進行潤滑，為了防止制冷劑泄漏，曲軸伸出端采用機械密封。Kus等[11]對無油渦輪式CO2壓縮機進行了研究，評估了無油CO2壓縮機制冷系統(tǒng)運行的可行性。

孫玉等[12]對多種形式的CO2壓縮機進行了分析討論，對于CO2渦旋式壓縮機，主要解決了制冷劑泄漏的問題；CO2活塞式壓縮機可以耐高壓，并采用橡膠密封環(huán)減少制冷劑的泄漏；滑片式CO2壓縮機比R134a壓縮機更適合在高轉(zhuǎn)速的條件下運行，但在CO2壓縮機中，機械結(jié)構(gòu)的潤滑、壓縮腔的泄漏、軸承的選用、制冷劑的泄漏等問題比較突出，另外，氟化橡膠中的CO2滲透擴散作用大于其他橡膠，因此CO2和潤滑油的相互作用、CO2和橡膠的滲透作用是研究的重點，也可以開發(fā)新型CO2壓縮機來解決潤滑、泄漏等問題。

1.2 CO2制冷循環(huán)系統(tǒng)換熱器

CO2換熱器主要由盤管和散熱片兩部分組成。盤管向液體提供升華過程所需的管程和熱量，促使液體沸騰汽化；散熱片是為了擴大熱交換面積。

馬一太等[13]對CO2水—水泵展開了試驗探究，并將降膜式蒸發(fā)器引入到CO2熱泵系統(tǒng)，得出了吸氣過熱度的升高會影響壓縮機的排氣溫度，但不會對系統(tǒng)運行的效率造成影響。呂靜等[14]將CO2與微通道技術(shù)相結(jié)合，展開了CO2在微通道蒸發(fā)器內(nèi)沸騰換熱的研究，為CO2微通道蒸發(fā)器的設計提供了理論基礎。Ayad等[15]研究了不同管路在微型通道中CO2蒸發(fā)，建立了小通道內(nèi)CO2沸騰換熱試驗數(shù)據(jù)庫，同時建立了小通道內(nèi)CO2蒸發(fā)換熱系數(shù)的預測模型，并利用建立的水平流動試驗數(shù)據(jù)庫對該模型進行了驗證，該數(shù)據(jù)庫涵蓋了汽車空調(diào)中CO2蒸發(fā)器的運行情況。與鹵代烴制冷劑不同的是，提高CO2的質(zhì)量速度并不能顯著改善傳熱系數(shù)，且加速了干涸現(xiàn)象的出現(xiàn)。在CO2超低溫級并聯(lián)熱泵系統(tǒng)的蒸發(fā)器蒸發(fā)過程中，常常由于干冰堵塞使得系統(tǒng)操作失敗，Yamasaki等[16]對蒸發(fā)/升華過程的擴展通道進行了設計，并解決了此問題。

跨臨界CO2制冷循環(huán)的制冷效率與氣體冷卻器的種類和換熱性能有必然的聯(lián)系，為了提高系統(tǒng)的制冷效率，需對其進行優(yōu)化分析。毛航等[17]對CO2-氣冷器的特性展開了研究，通過改變翅片的結(jié)構(gòu)，采用ANSYS軟件建立數(shù)學模型，并將建立的數(shù)學模型導入mode FRNTIER軟件，應用NSGA-Ⅱ遺傳算法對其進行優(yōu)化設計，整理出了最優(yōu)參數(shù)。胡海濤等[18]研究了新型帶有氣冷器的CO2地源熱泵系統(tǒng)，搭建了該系統(tǒng)的試驗模型，并將兩種不同的系統(tǒng)進行對比分析，發(fā)現(xiàn)CO2-氣冷器地源熱泵比R134a地源熱泵初投資低20%。諶盈盈等[19]創(chuàng)建了帶氣體冷卻器跨臨界CO2熱泵熱水系統(tǒng)模型，對管內(nèi)CO2和水側(cè)的流動特性和傳熱性能進行了模擬研究，結(jié)合最佳排氣壓力，得出了使系統(tǒng)高效運轉(zhuǎn)的方法，為氣冷器的優(yōu)化提供了理論基礎。馬瑞芳等[20]建立了新型套管式氣體冷卻器熱力學仿真模型，從結(jié)構(gòu)和運行參數(shù)兩方面對雙級套管式氣體冷卻器換熱特性的影響進行了模擬研究，結(jié)果表明，在流量變化很小的情況下，調(diào)整管路兩側(cè)的換熱系數(shù)來增加總的換熱系數(shù)，進而提高制冷效率。

Tassou等[21]將CO2氣體冷卻器與現(xiàn)有的CO2增壓器制冷試驗臺相連接，采用分布(詳細模型)和集總(簡單模型)方法建立了翅片管式CO2氣體冷卻器模型，分析和比較了CO2氣體冷卻器的尺寸和控制對系統(tǒng)運行的影響。Tsamos等[22]在工程方程求解器平臺上建立了詳細的數(shù)學模型，并在實驗臺上對試驗結(jié)果進行了驗證，對兩種氣體冷卻器在CO2制冷循環(huán)系統(tǒng)中單獨安裝和試驗設計中，制定了CO2氣體冷卻器的設計準則。

換熱器是CO2制冷系統(tǒng)中重要的換熱設備，其換熱效果對制冷效率有著重要的影響。目前對換熱器的增強換熱是后續(xù)探索的重要方向，主要包括兩個方面：換熱器內(nèi)流體狀態(tài)的變化和對各結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，其中研究的方法有三類：數(shù)值模擬計算、試驗方式研究、理論探究。中國對于換熱器的研究起步比較晚，換熱器的理論研究還有待提高，換熱器的模型建立大多停留在一維、二維方面，三維的換熱器模型研究比較少[23]。

2 跨臨界CO2制冷系統(tǒng)的應用

中國每年對食品的需求量巨大，為了減少食品不必要的損失，食品低溫冷凍及加工過程顯得非常重要，CO2作為自然工質(zhì)，無毒，可代替鹵代烴制冷劑運用于食品冷凍及精加工過程中。此外，CO2的氣化潛熱大，單位體積制冷量約為鹵代烴制冷劑的5～8倍；由于CO2的導熱系數(shù)高，液體和蒸氣的密度比值小，節(jié)流過后通過各管路的制冷劑分配比較合理，壓縮機及整個系統(tǒng)的尺寸可以設計得更小，使跨臨界CO2制冷系統(tǒng)比鹵代烴制冷循環(huán)系統(tǒng)更加緊湊。因此，跨臨界CO2制冷循環(huán)系統(tǒng)在食品行業(yè)、汽車空調(diào)、熱泵方面有很好的前景，其在不同行業(yè)中的應用見表1，在應用中的SWOT分析見表2。由表2可知，CO2的冷凝壓力約為10 MPa，為R134a的11倍，對設備及其閥門有較高要求，且需要采用中溫級和低溫級的雙級工作系統(tǒng)，前期投資較大。

表1 跨臨界CO2制冷循環(huán)在不同行業(yè)中的應用Table 1 Application of cross-critical CO2 refrigeration cycle in different industries

表2 跨臨界CO2制冷循環(huán)在應用中的SWOT分析Table 2 SWOT analysis of cross-critical CO2 refrigeration cycle in application

2.1 跨臨界CO2制冷循環(huán)系統(tǒng)在食品行業(yè)中的應用

CO2作為制冷工質(zhì)，可以應用于商超領域來冷凍冷藏食品，并以跨臨界方式運行，如果發(fā)生制冷劑泄漏，由于CO2無毒無害，化學性質(zhì)穩(wěn)定，不會產(chǎn)生較大的人員與食品安全的損失[24]。因此，跨臨界CO2制冷循環(huán)系統(tǒng)在食品行業(yè)中得到了普遍的應用，截止2018年3月，全球主要國家跨臨界CO2制冷商超分布數(shù)量見圖2。由圖2可知，大約有10 000家超市采用了跨臨界CO2制冷循環(huán)系統(tǒng)，大部分集中在日本和歐洲地區(qū)；在歐洲所有超市中，采用跨臨界CO2制冷循環(huán)系統(tǒng)的超市占大多數(shù)?？缗R界CO2制冷系統(tǒng)具有高效節(jié)能的優(yōu)點，與鹵代烴制冷系統(tǒng)對比經(jīng)濟性節(jié)能分析如圖3所示。挪威的EEMA1000超市采用了跨臨界CO2循環(huán)制冷系統(tǒng)，實現(xiàn)了節(jié)能30%的效果。德國的麥德龍在Real商場中使用了跨臨界CO2系統(tǒng)[25-26]。在食品加工的水溫冷熱聯(lián)供上，徐建楚[27]將跨臨界CO2制冷循環(huán)系統(tǒng)與鹵代烴制冷系統(tǒng)冷水機組的進行了比較，最后得出跨臨界CO2制冷系統(tǒng)的效率高于鹵代烴制冷系統(tǒng)的冷水機組。在挪威海岸運行的水產(chǎn)品加工CO2制冷系統(tǒng)中，對蒸發(fā)器、噴射器進行了數(shù)值研究，性能提高了70%[28]。

CO2機組制冷時，相關數(shù)據(jù)[29]顯示：CO2機組的冷凝熱是制冷量的1.2倍，隨意排放冷凝熱，會造成能源的損失，因此可以將排放的冷凝熱加以回收利用，用來制備熱水，可以用在肉類屠宰、水產(chǎn)品的蒸煮等方面。

圖2 全球主要國家跨臨界CO2制冷系統(tǒng)商超數(shù)量

Figure 2 The number of trans-critical CO2refrigeration systems in major countries

圖3 經(jīng)濟性節(jié)能分析Figure 3 Economic and energy saving analysis

經(jīng)研究[30]表明，跨臨界CO2制冷系統(tǒng)的制冷系數(shù)比鹵代烴制冷循環(huán)系統(tǒng)的高，即跨臨界CO2制冷循環(huán)系統(tǒng)能源利用率高，因此，跨臨界CO2制冷系統(tǒng)可以節(jié)約大量的能源。由于CO2的臨界溫度較低，運行壓力為鹵代烴制冷劑的6～8倍，對設備要求高，且CO2配件的研發(fā)和生產(chǎn)技術(shù)多被歐洲發(fā)達國家掌握，如何使跨臨界CO2制冷系統(tǒng)在全球范圍內(nèi)更加高效、低廉的冷凍冷藏食品是未來研究的方向。

2.2 跨臨界CO2制冷循環(huán)系統(tǒng)在汽車空調(diào)中的應用

由于環(huán)境問題，為避免汽車空調(diào)行業(yè)面臨R134a替代困難的問題，必須加大對環(huán)保制冷劑的研究力度。金紀峰等[31]研究了由微通道換熱器、氣液分離器等制冷設備組成的CO2跨臨界汽車空調(diào)系統(tǒng)，并對該系統(tǒng)進行了在線測試，發(fā)現(xiàn)制冷性能比R134a稍差，并測試了節(jié)流閥的開度、CO2壓縮機的轉(zhuǎn)速等對CO2汽車空調(diào)性能產(chǎn)生的影響，該系統(tǒng)與傳熱效率非常高的微通道氣冷器相結(jié)合，提高了CO2汽車空調(diào)的制冷效率，并得出當壓縮機轉(zhuǎn)速900 r/min，環(huán)境溫度25 ℃，系統(tǒng)COP達到最高為2.83。簡林樺等[32]對CO2汽車空調(diào)中的氣冷器進行了分析，用ANSYS軟件對CO2氣體冷卻器的換熱特性展開了討論，研究了內(nèi)部速度場和溫度場的變化，分別分析了排氣壓力、制冷劑流量等對氣體冷卻器的換熱影響，研究表明，減小氣冷器的CO2出口溫度時，排氣壓力的提高有助于增加制冷效率，通過增加冷卻水的流量來減小氣冷器的出口溫度，也有助于提高制冷系統(tǒng)的性能。葉禾等[33]從壓縮機、換熱器、膨脹閥等設備出發(fā)，對汽車CO2制冷系統(tǒng)部件進行了狀況分析，并從理論上說明了CO2制冷劑可以替代現(xiàn)有的鹵代烴制冷劑，但CO2制冷空調(diào)工作的環(huán)境壓力較高，對管路材料及其設備有較高的耐高壓要求。

為了提高CO2制冷空調(diào)的效率，Yu等[34]將不同比例的CO2和丙烷進行混合，探究了不同比例下CO2和丙烷對CO2空調(diào)制冷效率的影響，并得出了CO2和丙烷的混合比例為3∶2時，此時系統(tǒng)COP達到最大值。CO2汽車空調(diào)系統(tǒng)中，壓縮機是耗能的主要部件，石明星等[35]建立了CO2汽車空調(diào)壓縮機穩(wěn)態(tài)模型，得出CO2的質(zhì)量流量、壓縮機的輸入功率、排氣溫度隨壓縮比的增加而增加。

2.3 跨臨界CO2制冷系統(tǒng)在熱泵技術(shù)中的應用

熱泵是一種高效加熱裝置，可將能量由低溫處傳送到高溫處，工作原理是逆卡諾循環(huán)。目前CO2熱泵技術(shù)已開始應用于賓館、醫(yī)院、寫字樓等場地[36]。以某賓館為例，按每年熱水需求量25 440 L，出水溫度65 ℃，進水溫度15 ℃，楊德宇等[37]研究了不同熱源的熱水器年耗能量和年耗費用，如表3所示。由表3可知，CO2熱泵熱水器的年實際耗能量和年運營費用比其他類型的熱水器低，經(jīng)濟性能非常優(yōu)越。

葉箐箐等[18]分析了帶氣冷器的CO2熱泵系統(tǒng)，并對系統(tǒng)的特性進行了預測，得出該系統(tǒng)比傳統(tǒng)的R134a系統(tǒng)節(jié)能23%。劉忠彥[13]應用CFD軟件研究了CO2熱泵的蒸發(fā)器，并分析了該換熱器的換熱特性。易長樂等[38]開發(fā)了一種小型家用CO2熱泵系統(tǒng)，并對該系統(tǒng)的主要部件進行了選型設計。CO2熱泵熱水器具有高效、環(huán)保的優(yōu)點，車媛媛等[39]搭建了一套CO2熱泵熱水器循環(huán)裝置(圖4)，并對循環(huán)的參數(shù)進行了設計計算，通過改變循環(huán)水的進口溫度、進口流速等設計參數(shù)研究對系統(tǒng)性能的影響。陸軍亮等[40]研究了水源型CO2熱泵熱水器系統(tǒng)，測試了換熱器的進水溫度對系統(tǒng)性能系數(shù)的影響。鄒春妹等[41]在跨臨界CO2熱泵熱水器中引入了噴射嘴，并對該CO2熱泵熱水裝置進行了試驗研究，分別分析了換熱效率、噴射效率等參數(shù)對系統(tǒng)產(chǎn)生的影響。劉東岳等[42]對CO2熱泵熱水系統(tǒng)中毛細管的布置、內(nèi)外部影響因素進行了分析，并對并聯(lián)的3條毛細管用于節(jié)流進行了試驗論證。Liu等[43]利用CO2變頻壓縮機制冷系統(tǒng)，對膨脹閥的開度、冷熱水流量進行調(diào)節(jié)，研究發(fā)現(xiàn)，當壓縮機的頻率為50 Hz，膨脹閥的開度為330脈沖，冷熱水流量分別為0.2，0.1 m3/h時，CO2熱泵COP達到最大。Song等[44]從理論和試驗上研究了水溫對R134a和跨臨界CO2系統(tǒng)的影響，并得出在-20～7 ℃，水溫從15 ℃上升到32 ℃時，CO2熱泵系統(tǒng)能耗有所下降，此時供熱能力達到最佳。

表3 不同熱源熱水器的經(jīng)濟性對比?Table 3 Economic comparison of water heaters with different heat sources

? 熱源單價：a. 元/kg;b. 元/m3;c. 元/(kW·h)。

1. 節(jié)流閥 2. 內(nèi)部熱交換器 3. 氣體冷凝器 4. CO2壓縮機 5. 儲液器 6. 蒸發(fā)器

圖4 CO2跨臨界熱泵循環(huán)裝置圖

Figure 4 Diagram of CO2trans-critical heat pump circulator

CO2作為制冷劑應用于熱泵系統(tǒng)，與其他常規(guī)制冷劑相比可以達到更高的排氣溫度，CO2壓縮機由于排氣壓力較高，壓縮比較小，因此，壓縮機的絕熱效率較高，更加節(jié)能。對CO2跨臨界系統(tǒng)的研究包括理論、試驗研究、模型的建立，并利用中溫和低溫壓縮技術(shù)、過冷技術(shù)進行優(yōu)化設計。CO2熱泵推廣面臨的首要問題是系統(tǒng)壓力較高，對材料的要求及制造工藝更加嚴格，壓縮技術(shù)有待完善，未來的CO2熱泵技術(shù)可以與計算機控制深度融合，從而使CO2熱泵更加高效、穩(wěn)定、安全的運行[45]。

3 結(jié)論與展望

由于CO2無毒無味，化學性質(zhì)穩(wěn)定，作為制冷劑時，在食品行業(yè)、汽車空調(diào)、熱泵中被逐漸采用，其中跨臨界CO2制冷循環(huán)在食品冷凍冷藏及商超領域發(fā)展迅速，并可以通過高溫冷凝熱的回收生成高品質(zhì)的熱源，實現(xiàn)安全、低碳、高效的利用價值；跨臨界CO2制冷循環(huán)應用于汽車空調(diào)上不僅可以減少環(huán)境污染，還可以提高制冷系數(shù)，因此，跨臨界CO2循環(huán)汽車空調(diào)在未來有很大的應用空間；CO2熱泵系統(tǒng)與普通的熱泵系統(tǒng)相比，跨臨界CO2熱泵系統(tǒng)可以一次性得到90 ℃的熱水，可以將低品位能源高效地轉(zhuǎn)化為高品位能源，在高溫熱泵領域有相當大的優(yōu)勢，與其他類型熱水器相比，其經(jīng)濟性能非常優(yōu)越，但目前對家用熱泵與大型CO2熱泵的研究仍屬于空白部分，有相當大的研究前景。

跨臨界CO2系統(tǒng)換熱器三維模型建立的研究較少，因此需進一步展開研究。此外，換熱器增強換熱也是未來研究的重點。CO2的臨界溫度低，排氣壓力高，節(jié)流損失比較大，因而對CO2和潤滑油的相互作用及壓縮機材料的密封性是未來研究的熱點，以及開發(fā)無油壓縮機和壓縮機的微型化設計也將是重點關注的方向?？傊?，在大力倡導“綠色、環(huán)保、節(jié)能”的前提下，跨臨界CO2制冷系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)能源的節(jié)約，減少環(huán)境的破壞，符合環(huán)境友好型發(fā)展的需求。