二氧化碳制冷及其在工程機(jī)械領(lǐng)域的應(yīng)用分析

樂(lè) 俊馬 慶秦 帆

（1.徐州市工程咨詢中心，江蘇 徐州221018；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)電力工程學(xué)院，江蘇 徐州221116）

工程機(jī)械駕駛室保溫性能差，內(nèi)部熱環(huán)境受外界影響大。夏季受太陽(yáng)輻射等因素影響，駕駛室溫度較高，對(duì)駕駛員的身體健康與安全操作造成威脅，需要在駕駛室安裝制冷空調(diào)設(shè)備以提高駕駛?cè)藛T的舒適性。一方面由于工程機(jī)械駕駛室空間較小，不具備安裝較大尺寸空調(diào)設(shè)備的條件；另一方面工程機(jī)械工作環(huán)境復(fù)雜，車(chē)輛震動(dòng)劇烈，傳統(tǒng)的制冷劑容易泄漏并造成環(huán)境污染[1]，因此在工程機(jī)械領(lǐng)域迫切的需要新型的制冷空調(diào)系統(tǒng)。二氧化碳是天然的制冷劑[2]，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，無(wú)毒，不污染環(huán)境。國(guó)內(nèi)外對(duì)二氧化碳制冷進(jìn)行了大量的研究，以二氧化碳作為制冷劑的制冷系統(tǒng)很好的實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的小型化，應(yīng)用研究日趨成熟，成功向商業(yè)化應(yīng)用發(fā)展。目前二氧化碳制冷系統(tǒng)已成功應(yīng)用于商業(yè)建筑、冷藏庫(kù)、熱泵系統(tǒng)、汽車(chē)空調(diào)以及工程機(jī)械等領(lǐng)域[3]。

1 二氧化碳制冷基本原理

1.1 二氧化碳制冷劑性質(zhì)

二氧化碳是良好的天然制冷劑。密度為1.977g/mL、熔點(diǎn)為-56.6℃(226.89kPa、5.2atm)、沸點(diǎn)為-78.5℃(升華)、臨界溫度為31.1℃，常溫下在7092.75kPa(70atm)時(shí)可液化成無(wú)色液體，液態(tài)二氧化碳的密度為1.1g/cm3。液態(tài)二氧化碳蒸發(fā)時(shí)或在加壓冷卻時(shí)可凝成固體二氧化碳，俗稱(chēng)干冰，是一種低溫制冷劑[4]，密度為1.56g/cm3。二氧化碳的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，無(wú)毒，不具可燃性，僅會(huì)在空氣中二氧化碳含量過(guò)高時(shí)，使人因缺氧而發(fā)生窒息。

1.2 二氧化碳制冷系統(tǒng)工作原理

二氧化碳制冷系統(tǒng)可分為閉式系統(tǒng)和開(kāi)式系統(tǒng)兩大類(lèi)[5]。閉式系統(tǒng)是指二氧化碳依次流經(jīng)壓縮機(jī)、冷凝器、節(jié)流機(jī)構(gòu)及蒸發(fā)器這四大部件,再回到壓縮機(jī)的循環(huán)系統(tǒng)；開(kāi)式系統(tǒng)直接通過(guò)節(jié)流機(jī)構(gòu)將二氧化碳節(jié)流成中壓低溫的液體,再進(jìn)入蒸發(fā)器蒸發(fā)制冷，最終排放于環(huán)境的制冷系統(tǒng)。開(kāi)式系統(tǒng)主要應(yīng)用在無(wú)電力供應(yīng)的制冷環(huán)境中。下面主要介紹閉式系統(tǒng)。

二氧化碳制冷循環(huán)的流程如圖1所示，以壓縮機(jī)、氣體冷卻器、膨脹閥、蒸發(fā)器和儲(chǔ)液罐為主要元件，通過(guò)管路組合成為一個(gè)可實(shí)現(xiàn)制冷功能的封閉回路[6]。從狀態(tài)點(diǎn)(1)開(kāi)始，二氧化碳低壓氣體被壓縮機(jī)吸入并經(jīng)過(guò)壓縮后排出壓縮機(jī)；經(jīng)過(guò)壓縮后的二氧化碳制冷劑此時(shí)已成為高溫高壓的氣體，流經(jīng)排氣管到達(dá)氣體冷卻器的入口(2)被冷卻的制冷劑由氣體冷卻器的出口(3)經(jīng)由膨脹閥節(jié)流之后(4)進(jìn)入蒸發(fā)器，蒸發(fā)后進(jìn)入儲(chǔ)液罐，被壓縮機(jī)再次吸入(1)，開(kāi)始下一輪的循環(huán)。

1.3 跨臨界循環(huán)

如圖2通過(guò)與制冷系統(tǒng)流程圖對(duì)應(yīng)的壓焓圖可知，該理想循環(huán)包含壓縮（1-2）、排熱（2-3）、膨脹（3-4）和蒸發(fā)（4-1）四個(gè)基本過(guò)程。

圖1 制冷系統(tǒng)流程圖

圖2 跨臨界循環(huán)壓焓圖

由圖2可以看出，由于工質(zhì)物性的特性，其吸、放熱過(guò)程分別在亞臨界區(qū)和超臨界區(qū)進(jìn)行，這是二氧化碳跨臨界基本循環(huán)有別于常規(guī)制冷劑循環(huán)的主要區(qū)別[7]。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(guò)程在亞臨界條件下進(jìn)行。換熱過(guò)程主要是依靠潛熱來(lái)完成，冷卻換熱過(guò)程依靠顯熱來(lái)完成。此時(shí)的高壓換熱器不再稱(chēng)為冷凝器，而稱(chēng)為氣體冷卻器。

在以空氣為熱源、熱匯的制冷和熱泵系統(tǒng)中，二氧化碳循環(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(duì)較高；流體在超臨界條件下的特殊熱物理性質(zhì)使它在流動(dòng)和換熱方面都具有極大的優(yōu)勢(shì)，超臨界流體良好的傳熱和熱力學(xué)特性使得換熱器的換熱效率提高，并使得整個(gè)系統(tǒng)的能效較高，與傳統(tǒng)制冷劑（R12、R22等）及其現(xiàn)有的替代物（R134a、R410a等）性能相當(dāng)。

二氧化碳在氣體冷卻器中溫度變化大，使得氣體冷卻器進(jìn)口空氣溫度與出口制冷劑溫度較為接近，可減少高壓側(cè)不可逆?zhèn)鳠嵋鸬膿p失，并且二氧化碳的臨界溫度較低。因此，制冷循環(huán)采用跨臨界制冷循環(huán)時(shí)，其排熱過(guò)程不是一個(gè)冷凝過(guò)程，壓縮機(jī)的排氣壓力與冷卻溫度是兩個(gè)獨(dú)立的參數(shù)，改變高壓側(cè)壓力將影響制冷量、壓縮機(jī)耗工量及系統(tǒng)的能效。研究表明，高壓側(cè)壓力變化時(shí)，循環(huán)的能效存在著一個(gè)最大值，因此，二氧化碳跨臨界制冷循環(huán)在對(duì)不同工況下，存在對(duì)應(yīng)于最大能效值的最佳排氣壓力。二氧化碳在氣體冷卻器中較大的溫度變化，用于熱回收時(shí)，有較高的放熱效率。

2 二氧化碳制冷優(yōu)勢(shì)及其應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 二氧化碳制冷應(yīng)用現(xiàn)狀

二氧化碳制冷目前已成功應(yīng)用于商業(yè)建筑、冷藏庫(kù)、熱泵系統(tǒng)、汽車(chē)空調(diào)以及工程機(jī)械等領(lǐng)域[3]。

2.1.1 商業(yè)建筑

1995年瑞典成功安裝了第一個(gè)二氧化碳超市制冷系統(tǒng)。截至2011年，瑞典至少有180個(gè)超市采用了二氧化碳系統(tǒng)。丹麥于2004年安裝了第一套超市二氧化碳跨臨界循環(huán)制冷系統(tǒng)。2007年，泰國(guó)安裝了亞洲的第一套超市二氧化碳復(fù)疊制冷系統(tǒng)。

2.1.2 冷藏庫(kù)

目前我國(guó)食品加工與冷藏業(yè)中的大中型冷庫(kù)80%都采用氨作為制冷劑。氨有毒性，需要增加安全保護(hù)措施。截至2005年，美國(guó)的冷庫(kù)中氨仍然是一種主要的制冷劑，但二氧化碳已經(jīng)在冷庫(kù)制冷系統(tǒng)中得到實(shí)際應(yīng)用。采用二氧化碳/氨復(fù)疊式制冷系統(tǒng)的大型冷藏庫(kù)已經(jīng)投入使用。

2.1.3 汽車(chē)空調(diào)

目前汽車(chē)空調(diào)中主要采用R134a。1996年德國(guó)生產(chǎn)的以二氧化碳為工質(zhì)的公交客車(chē)空調(diào)投入運(yùn)行。2003年歐洲已有部分汽車(chē)裝備了二氧化碳空調(diào)系統(tǒng)。

2.1.4 熱泵系統(tǒng)中的應(yīng)用

1994年由挪威SINTEF率先對(duì)二氧化碳跨臨界循環(huán)在熱泵上的應(yīng)用進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究。在1995年，日本開(kāi)發(fā)了二氧化碳為工質(zhì)的家用熱泵熱水器。

2.2 二氧化碳制冷劑優(yōu)勢(shì)

二氧化碳是碳的最高氧化狀態(tài)，具有非常穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)，即使在高溫下也不分解產(chǎn)生有害氣體。作為制冷劑其優(yōu)點(diǎn)在于無(wú)毒、來(lái)源豐富、與普通潤(rùn)滑油相溶、容積制冷量大；同時(shí)具有優(yōu)良的熱力特性、安全特性和環(huán)保特性的天然制冷工質(zhì)。二氧化碳制冷劑跨臨界循環(huán)的放熱過(guò)程可以和變溫?zé)嵩聪嗥ヅ?，從而可得到較高的能效。與其它制冷劑相比，二氧化碳具有下列優(yōu)點(diǎn)[8]：

2.2.1 環(huán)境性能優(yōu)良

二氧化碳是自然界天然存在的物質(zhì)，它的臭氧層破壞潛能(ODP)為零，溫室效應(yīng)潛能極小(GWP=1)。二氧化碳大多為化工行業(yè)的副產(chǎn)品，用它做制冷劑正好回收了原來(lái)排向大氣的廢物，從而使其溫室效應(yīng)為零。目前國(guó)際上已商業(yè)化使用或提出的潛在的環(huán)保工質(zhì)氫氟烴(HFC)及其混合物不但會(huì)增加溫室效應(yīng)，還會(huì)產(chǎn)生其他未知的副作用。

2.2.2 價(jià)格低廉

二氧化碳來(lái)源廣泛，價(jià)格低廉。二氧化碳制冷系統(tǒng)維護(hù)簡(jiǎn)單，無(wú)需回收或再生，操作與運(yùn)行的費(fèi)用較低。

2.2.3 化學(xué)穩(wěn)定性好

二氧化碳無(wú)毒、無(wú)臭、無(wú)污染，不燃、不爆。對(duì)常用材料沒(méi)有腐蝕性，在高溫下也不分解產(chǎn)生有害氣體，與水混合時(shí)呈弱酸性，可腐蝕碳鋼等普通金屬，但不腐蝕不銹鋼和銅類(lèi)金屬。

2.2.4 制冷效率高，穩(wěn)定性好

二氧化碳運(yùn)動(dòng)粘度低，壓縮比低，單位容積制冷量大，有很好的傳熱性能。二氧化碳制冷效率高，穩(wěn)定性好，容積制冷量較大，流動(dòng)和傳熱性能高。

2.2.5 設(shè)備尺寸小

二氧化碳制冷較高的工作壓力使得壓縮機(jī)吸氣比容較小，從而使得容積制冷量較大，壓縮尺寸較小，流動(dòng)和傳熱性能提高。減少了管道和熱交換器的尺寸，從而使系統(tǒng)非常緊湊。

3 二氧化碳制冷在工程機(jī)械領(lǐng)域的應(yīng)用

3.1 工程機(jī)械駕駛室熱環(huán)境

工程機(jī)械駕駛室玻璃面積較大，室內(nèi)熱環(huán)境受外界影響大[9]。太陽(yáng)輻射通過(guò)玻璃窗將熱量傳入車(chē)內(nèi)，玻璃面積較大時(shí)，可通過(guò)下式計(jì)算，通過(guò)玻璃窗進(jìn)入室內(nèi)的熱量Qb可按下式計(jì)算：

式中：A為玻璃窗面積；K為玻璃窗的傳熱系數(shù)；tb為車(chē)室外溫度，℃；ti為車(chē)室內(nèi)溫度，單位為℃；C為玻璃窗遮陽(yáng)系數(shù)；qb為通過(guò)單層玻璃的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度。

另外，受太陽(yáng)輻射影響車(chē)身溫度較高，從而影響駕駛室內(nèi)溫度。太陽(yáng)照射包括直射和散射，車(chē)體外表面溫度升高的同時(shí)也向外反射輻射熱，車(chē)體外表面所受的輻射熱Q1可按下式計(jì)算：

式中：IG為太陽(yáng)直射輻射強(qiáng)度；IS為太陽(yáng)散射輻射強(qiáng)度；IV為車(chē)體表面反射輻射強(qiáng)度，單位為W/m2；F為車(chē)體外表面積，m2。

3.2 工程機(jī)械空調(diào)系統(tǒng)特點(diǎn)

工程機(jī)械的工作環(huán)境極其惡劣，其空調(diào)系統(tǒng)與冰箱和家用空調(diào)具有明顯的區(qū)別[10]。

1）工程機(jī)械空調(diào)系統(tǒng)往往在過(guò)熱、灰塵、震動(dòng)等惡劣環(huán)境情況下運(yùn)行，對(duì)其質(zhì)量和性能要求較高。

2）工程機(jī)械空調(diào)系統(tǒng)冷凝器和蒸發(fā)器均處于強(qiáng)制對(duì)流換熱狀態(tài)，均需耗費(fèi)一定電能或發(fā)動(dòng)機(jī)功率，而且冬夏季空調(diào)運(yùn)行時(shí)，工程機(jī)械爬坡或加速等受到較大影響。

3）工程機(jī)械工作時(shí)往往震動(dòng)較為劇烈，容易導(dǎo)致制冷劑泄漏，污染環(huán)境。

3.3 二氧化碳空調(diào)在工程機(jī)械中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

二氧化碳空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)用于工程機(jī)械領(lǐng)域具備較佳的優(yōu)勢(shì)：

1）工程機(jī)械空調(diào)系統(tǒng)制冷劑易泄露、排放量大。采用二氧化碳作為制冷劑有完全環(huán)保的特點(diǎn)。

2）二氧化碳?jí)嚎s比低，壓縮機(jī)效率高。同時(shí)，高壓側(cè)二氧化碳溫度變化大，使進(jìn)口空氣溫度與二氧化碳的排氣溫度可以非常接近，減少了高壓側(cè)不可逆?zhèn)鳠嵋鸬膿p失。

3）尺寸小

二氧化碳空調(diào)系統(tǒng)可以滿足工程機(jī)械安裝和布置要求，并獲得較高的效率，對(duì)工程車(chē)輛的節(jié)油和動(dòng)力性能也有改善。

4 結(jié)論

1）二氧化碳制冷劑性能良好，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，無(wú)毒、無(wú)臭、無(wú)污染，不燃、不爆。其臭氧層破壞潛能為零，溫室效應(yīng)潛能極小。價(jià)格低廉，來(lái)源豐富。

2）二氧化碳循環(huán)在跨臨界條件下運(yùn)行，壓縮機(jī)的效率相對(duì)較高，在超臨界條件下的特殊熱物理性質(zhì)使其在流動(dòng)和換熱方面都具有極大的優(yōu)勢(shì)，超臨界流體良好的傳熱和熱力學(xué)特性使得換熱器的換熱效率提高，并使得整個(gè)系統(tǒng)的能效較高。

3）二氧化碳制冷劑應(yīng)用廣泛，目前已成功應(yīng)用于商業(yè)建筑、冷藏庫(kù)、熱泵系統(tǒng)、汽車(chē)空調(diào)以及工程機(jī)械等領(lǐng)域，具有理想的應(yīng)用效果。

4）二氧化碳制冷在工程機(jī)械領(lǐng)域具有無(wú)污染，設(shè)備尺寸小，性能優(yōu)良，對(duì)機(jī)械動(dòng)力性能影響小等優(yōu)勢(shì)。二氧化碳制冷系統(tǒng)具備良好的工程實(shí)用價(jià)值，應(yīng)用潛力巨大。

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