淺談CO2作為環(huán)保制冷劑的發(fā)展

張亮

摘 要：本文分析了CO2作為替代制冷劑的明顯優(yōu)勢(shì)和不足及應(yīng)用前景。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

一、環(huán)保制冷劑的選擇原則

（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。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(jiǎn)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(shì)

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%，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。

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)。

三、CO2制冷劑的應(yīng)用前景

CO2在環(huán)保和性能上的優(yōu)勢(shì)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)。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(chǎng)合，而且在較低的蒸發(fā)溫度下性能較好。

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(shì)。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)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(shì)，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。

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