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    淺談二氧化碳制冷劑

    作者:雪梅 點擊:1173 發布時間:2020-09-16

      二氧化碳具有高密度和低粘度,其流動損失小、傳熱效果良好,并且通過對傳熱作用的強化,可以彌補其循環不高的缺點。同時二氧化碳環境表現優良、費用低易獲取、穩定性好、有利于減小裝置體積。*重要的是,其安全無毒,不可燃,這一點比R290具有明顯的優勢。 

      當然,采用二氧化碳為制冷劑也有缺點,二氧化碳高的臨界壓力和低的臨界溫度也給它做制冷劑帶來了許多難題。無論亞臨界循環還是跨臨界循環,二氧化碳制冷系統的運行壓力都將高于傳統的制冷空調系統,這必然會給系統及部件的設計帶來許多新的要求。同時現階段還存在二氧化碳制冷系統的效率相對較低的問題。 

      目前二氧化碳的研究和應用主要集中于三個方面:

      一方面是汽車空調領域,由于制冷劑排放量大,對環境的危害也大,必須盡早采用對環境無危害的制冷劑;

      第二方面是熱泵熱水器,二氧化碳在超臨界條件下放熱存在一個相當大的溫度滑移,有利于將熱水加熱到一個更高的溫度;

      第三方面是考慮到二氧化碳良好的低溫流動性能和換熱特性,采用它作為復疊制冷循環低溫級制冷劑。

      在復疊式制冷系統中,二氧化碳循環在亞臨界條件下運行。此時二氧化碳用作低壓級制冷劑,高壓級用NH3作制冷劑。與其它低壓制冷劑相比,即使處在低溫,二氧化碳的粘度也非常小,傳熱性能良好,因為利用潛熱,其制冷能力相當大。

      目前,歐洲在超市中已建立了幾個這種用二氧化碳作低溫制冷劑的復疊式制冷系統,運行情況表明技術上是可行的,這種系統還適用于低溫冷凍干燥過程。

      當前關于R22制冷劑的替代國際上主要有兩種技術方案:

      一種是以北歐和韓國為代表,其主張采用天然工質作為替代物,如純工質R290、R1270、R744、R600a、R600、R717等,以及HCs類的混合物;

      另一種是以美國和日本為代表的采用HFCs作為替代物,如美國聯合信號公司的非共沸混合物R410A、杜邦公司和I.C.I公司的混合物R407C,以及R32和R152a等,這些制冷劑的ODP均為0,能夠達到保護臭氧層的目的,但是會產生溫室效應。 

      目前看來,二氧化碳在國內市場的前景,還有點像“霧里看花”,就像王立群所言,他們都了解它的好,但真正用的少。國內空調行業暫時看不到二氧化碳發展的影子,其在國內冷凍冷藏市場也才剛剛邁步,但在熱泵熱水器領域,國內即將出臺二氧化碳熱泵熱水器的核心配件標準――GB/T26181-2010。參與標準制定的上海日立電器有限公司熱泵推進辦公室部長樂紅勝認為,雖然在國內采用二氧化碳制冷劑的熱泵熱水器還沒問世,核心部件壓縮機也處于研發階段,“但這一超前標準的制定,將會對產品的市場推廣起到良好的作用?!?/span>


      CO2制冷劑的性質

     ?。ㄒ唬〤O2制冷劑具有的主要優勢

      1.CO2是天然物質,ODP=0,GWP=1。使用CO2作為制冷工質,對大氣臭氧層沒有破壞作用,可以減少全球溫室效應,來源廣泛,勿需回收,可以大大降低制冷劑替代成本,節約能源,從根本上解決化合物對環境的污染問題,具有良好的經濟性。

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

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

      4.CO2黏度小,0℃時CO2飽和液體的運動黏度只是NH3的5.2%、R12的23.8%,流體的流動阻力小,傳熱性能比CFC類制冷劑更好,可以改善全封閉制冷壓縮機的散熱。

     ?。ǘ〤O2制冷劑存在的主要缺點及分析

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

      所以制冷系統中工質流經的管路系統必須經安全性分析。但是由于CO2的單位容積制冷量約為常規制冷劑的5~8倍,系統所需的CO2容積流量很小,而設備內氣體的爆炸能量為壓力與容積乘積的函數,所以雖然系統的工質壓力高,但容積較小,其壓力和容積的乘積與常規工質相差不大,設備內氣體的爆炸能量增加的并不多。

      以可靠性理論為依據,根據CO2跨臨界制冷系統管道可靠性的不同影響因素及其變化規律,對不同管材情況下的可靠性進行深入地研究與分析,得到的結論是:當管路系統的管外徑給定時,只要合理地選擇管材和管壁厚度,就能保證系統在給定壓力下運行的可靠性和安全性,CO2跨臨界循環較高的運行壓力是可以得到合理解決的;現有鋼管基本可以直接應用,而現有銅管則需根據管徑和壁厚經安全性分析后選用。因此CO2運行工作壓力較高所引起的安全性問題,并不會影響CO2作為環保制冷劑推廣應用的障礙。

      2.CO2單級壓縮跨臨界循環的性能系數COP比相同溫度條件下的R12、R22、R134a等常規制冷劑的制冷性能系數都低。針對CO2制冷循環性能系數低的缺點,學者們經研究探索發現,完全可以通過完善系統循環方式、優化系統設備來解決,如采用雙級壓縮和采用膨脹機回收一部分膨脹功的措施加以改善,來提高制冷循環效率。有理論分析表明,采用膨脹機CO2跨臨界循環的效率要高于常規制冷工質的節流膨脹循環。

      CO2制冷劑的應用前景

      自前國際制冷學會主席G.Lorentzen提出采用CO2作為環保制冷劑及跨臨界循環理論以來[7],CO2在環保和性能上的優勢越來越多地吸引了世界各國學者研究的注意力,其系統和部件的開發也得到了很大的發展,現有研究結果表明,CO2系統在高環境溫度(45℃以上)時,制冷性能低于傳統系統,35~45℃間與傳統系統相近,35℃以下時性能更優[5]。目前CO2跨臨界循環在汽車空調、熱泵、商用制冷裝置、食品冷藏冷凍等方面的應用前景都很好,性能都相當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,而且在較低的蒸發溫度下性能較好。

      CO2作為一種天然制冷工質,就其物性特征而言,具有其他非天然工質不可比擬的優勢。伴隨著CO2制冷系統研究工作的不斷深入,CO2作為新一代制冷工質將會得到進一步推廣,相信在不久的將來,汽車空調系統、商用制冷系統、住宅空調系統以及各個生產企業的熱泵干燥系統將會大量使用CO2替代現有制冷工質。


      作為制冷劑,人們希望它環保、高效、經濟,但實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具有環保、安全、經濟和單位容積制冷量等性能方面上的明顯優勢,也有運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系統在跨臨界壓力下運行的安全性和可靠性,而合理改善CO2跨臨界循環方式,可以有效地減少節流損失,提高系統的循環效率,CO2作為環保制冷劑之一,有著很好的應用前景,隨著制冷與空調技術領域的發展必將會得到廣泛應用。雪梅一直以來都走在技術前沿,我們公司積極參與項目實施、研發推廣節能產品、踐行節能減排承諾,開發新型節能高效,采用自然工質、環??煽康亩趸級嚎s機。

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