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      新型制冷劑CO2的性能分析及應用

      發布時間:2016-12-01| 發布者:管理員| 查看: 4919

      摘要:[摘抄自網絡]本文分析總結了CO2 的物理化學性質和制冷特性;闡述了制冷循環的基本原理;介紹了CO2 制冷技術在汽車空調、熱泵系統和復疊式制冷系統等方面的應用。


      引言

      由于全球氣溫變暖、氣候異常等環境問題日益嚴重,環保節能成為整個國際社會的焦點問題之一。近幾十年來制冷空調行業等,大量使用CFCsHCFCs制冷工質,造成大氣臭氧層空洞和溫室效應的危害,已被人們廣泛認同。CFCs對于臭氧層和大氣變暖的不利影響,保護環境,實現CFCs替代成為全世界共同關注的問題。HFCs類工質,因為對于臭氧層沒有破壞力,成為替代CFCs的重要工質。但它們化學性穩定,釋放后能夠積累,這最終導致明顯的溫室效應。雖然人們可以努力合成性能更佳的工質,但由于制冷劑的使用量非常大,最終將不可避免地有相當部分泄漏到大氣中去。任何大量人工合成物質排放到自然界中,都會對于環境造成影響,因此現在一種普遍的觀點是采用自然工質。因此CO2制冷裝置的研究與應用又一次成為在全球范圍內受重視的熱點。

      由于自然工質CO2以其良好的環保特性、優良的傳熱特性和相當大的單位容積制冷量等優點,前國際制冷學會主席G.Lorentzen認為二氧化碳是無可取代的制冷工質[1],并提出跨臨界循環理論,指出其可望在汽車空調和熱泵領域發揮重要作用。他的主張得到眾多學者的大力支持,從而在全球范圍內掀起了一股CO2制冷工質的再開發與研究熱潮。因此,本文將CO2 的物理化學性質和制冷特性;闡述了制冷循環的基本原理及其應用。


      1、CO2的物理性質

      在常溫常壓下,二氧化碳是無色無味的氣體,如圖1-1所示,二氧化碳三相點溫度為-56.6℃,壓力為0.518MPa;其臨界溫度為31.1℃,臨界壓力為7.38MPa,臨界密度ρc = 369.71 kg/m3。從對環境的影響來看,CO2 是除水和空氣以外,與環境最為友善的制冷工質。CO2ODPOzone Depression Potential)為0,GWP 僅為1,CO2是工業領域僅次于水和空氣的環保物質,是制冷制中對環境影響最小的工質,不會破壞臭氧層,對全球變暖的作用很小,況且作為制冷劑的CO2無論是自然提取或是利用工業廢氣,這反而都有助于減少溫室氣體的排放。此外,CO2 作為制冷工質還有許多獨特的性質:

      (1)良好的安全性和化學穩定性,不可燃,即便在高溫下也不分解產生有害氣體,可適應各種潤滑油和常用機械零部件材料;

      (2)單位容積制冷量相當高,可減小制冷系統與熱泵設備尺寸。

      (3)優良的流動特性,動力粘度低,設備壓降損失較??;

      (4)優良的傳熱特性,導熱系數較大,換熱效果好;

      (5)CO2 制冷循環的壓縮比要比常規工質制冷循環低,壓縮機的容積效率可維持在較高的水平。

          綜上所述,二氧化碳以其良好的環保性、優良的流動傳熱特性和相當大的單位容積制冷量等優點,再度受到了人們的廣泛重視。前國際制冷學會主席G.Lorentzen認為CO2是無可取代的制冷工質。


          表1為二氧化碳與幾種常用制冷劑各種性質參數之間的比較。從表1中可以看到二氧化碳的兩個特點:

       

      1三相點壓力較高,為0.518MPa,是大氣壓的5倍多,因此在常壓下CO2只存在固相和氣相,而不存在液相。所以在一個大氣壓下,CO2只存在固液兩相的轉化,也就是我們熟悉的干冰升華凝華。

      2)二氧化碳臨界點溫度很低,為31.1℃,因此在傳統的CO2亞臨界循環下要求冷凝溫度低于31.1℃,這也使循環過程很接近臨界點,導致相變過程線較短,使得循環的制冷量較小,COP低。但是較低的臨界溫度也使二氧化碳很容易達到超臨界狀態,使CO2的跨臨界循環和超臨界循環在實際中成為可能。


      2、CO2的制冷循環形式

            CO2的循環形式基本有三種:超臨界CO2制冷循環、跨臨界CO2循環、亞臨界CO2制冷循環,此外最近也有學者提出了CO2蒸氣-固體顆粒的制冷循環。

      1)亞臨界制冷循環:指壓縮機的吸、排氣壓力都低于臨界壓力,蒸發溫度和冷凝溫度也低于臨界溫度,并且循環的吸、放熱過程都在亞臨界條件下進行,換熱過程主要依靠潛熱來完成的制冷循環。其循環過程如圖2 所示。早年的CO2制冷循環多為亞臨界循環,由于其制冷效率低,目前主要用于復疊制冷循環中;

       

      2)跨臨界制冷循環:指壓縮機的吸氣壓力低于臨界壓力,蒸發溫度低于臨界溫度,但壓縮機的排氣壓力高于臨界壓力;循環的吸熱過程在亞臨界條件下進行,換熱過程主要是依靠潛熱來完成,但循環的冷卻換熱過程依靠顯熱來完成,其循環過程如圖3 所示。此時的高壓換熱器不再稱為冷凝器,而稱為氣體冷卻器(簡稱氣冷器)??缗R界制冷循環是當前CO2 制冷循環研究中最為活躍的領域;

      3)超臨界循環:指所有的循環狀態都在臨界點以上,工質的循環過程沒有相變,不能變為液態,實際上是氣體循環,如圖4 所示。這種循環方式在原子能發電時采用,一般不用于制冷空調領域;

      4CO2 蒸氣-固體顆粒的制冷循環:如圖1 CO2三相圖所示,CO2的三相點溫度為-56.6℃,使CO2制冷循環不能獲得-56.6℃以下的低溫環境,所以也有人提出一種利用CO2蒸氣固體顆粒作為制冷劑的制冷系統,可以以CO2 為工質獲得三相點以下的溫度。


      3、CO2制冷工質的應用

          二氧化碳作為一種制冷劑主要應用在三個領域:熱泵熱水器、汽車空調和冷凍冷藏系統。

      3.1 CO2 在汽車空調系統中的應用

          目前汽車空調中主要采用R134a 工質,據1997年底在日本簽署的《京都議定書》,R134a 也是將被淘汰的工質。以后汽車空調新型制冷劑中最具潛力的是CO2 ,CO2 汽車空調最初是由挪威SINTEF 研究所的G.Lorentzen J.Petterson 等人提出的。CO2 應用于汽車空調有許多優勢:1)汽車空調制冷劑易泄露、排放量大,采用CO2 作為制冷劑具有完全環保的特點;2CO2壓縮比低,因此壓縮機效率高,同時,高壓側CO2 溫度變化大,使進口空氣溫度與CO2 的排氣溫度可以非常接近,這樣,也減少了高壓側不可逆傳熱引起的損失。


      3.2 CO2 在熱泵系統中的應用

          二氧化碳熱泵熱水器具有的較高排氣溫度和較大的溫度滑移(80100℃),這與冷卻介質的溫升過程相匹配,使其在熱水器應用方面具有獨特的優勢??缗R界CO2 熱泵及其部件的開發研究已經成為目前制冷領域的熱點之一。

          研究表明:1) 在蒸發溫度為0℃時,水溫可以從10℃加熱到60℃,其性能系數可達到4.3,比電加熱熱水器和燃氣熱水器能耗可降低75%以上;2)傳統熱泵熱水器制取熱水一般不超過55℃,若要制得較高溫熱水則制熱系數下降;而CO2熱泵熱水器由于采用跨臨界循環,在氣體冷卻器中的換熱溫差小,換熱效率高,能制得90℃高溫熱水;3)在商用和住宅建筑的能量需求中,約有1/4~1/3來源于對熱水的需求。采用CO2 熱泵為商用和住宅建筑供應熱水,可使其總用能量減少20%;4)在寒冷地區,傳統空氣源熱泵的制熱量和效率隨環境溫度的降低下降很快,熱泵的使用受到限制;而CO2熱泵系統在低溫環境下能夠維持較高的供熱

      量,大大節約輔助加熱設備所耗費的能量。

          CO2作為制冷工質在熱泵中的應用,將有效解決空調冷熱源面臨的資源與環境的壓力,由于其節能的潛力非常大,開發CO2熱泵熱水器的市場前景廣闊,意義重大。


      3.3 CO2在復疊式制冷系統中的應用

          CO2作為制冷劑的另一個較有前途的應用方式就是在復疊式制冷系統中用作低溫級制冷劑。在復疊式制冷系統中,一般用CO2作低溫級制冷劑,而高溫級制冷劑用NH3R290。與其它低溫級制冷劑相比,即使處在低溫,CO2的粘度也非常小,傳熱性能良好,制冷能力相當大。在冷凍冷藏領域,二氧化碳以其穩定的化學性質十分適合在食品冷鏈中應用。

          世界各國都有對二氧化碳制冷劑的研究,部分發達國家已經投入使用,如日本,二氧化碳熱泵熱水器已經成為日本政府提倡的熱泵熱水器;在歐洲,汽車空調和超市食品冷凍方面也相繼使用了二氧化碳。許多世界知名品牌也相繼宣布使用二氧化碳制冷劑,寶馬、豐田、大眾等公司紛紛宣布使用二氧化碳作為汽車空調制冷劑,可口可樂公司也宣布在其自動售貨機的冷凍系統中使用二氧化碳,Danfoss等企業在歐洲也逐步使用二氧化碳食品冷凍系統。二氧化碳作為制冷劑仿佛已經是一種歷史的潮流。

       

      4 結語

      CO2以其對環境的無害性和良好的制冷性能引起了人們的關注,被前國際制冷學會主席G.Lorentzen認為是無可取代的制冷工質。毫無疑問,CO2作為制冷工質可以應用于制冷空調系統的大部分領域,就目前發展現狀而言,在汽車空調、熱泵和復疊式循環等領域應用前景良好。


      參考文獻

      [1]GLORENTZEN. The use of natural refrigerants: a complete solution to the CFC/HCFC predicament[J]. Int.J.Refrig.,1995,183: 190~197.

      [2] R E BANKS. Scepticismabout R134a justified[J]. Refrig. Air Condit.,199396.

      [3] LORENTZENG.Revival of carbon dioxide as a refrigerant[J]. Part 1.H &V Engineer,1993,66721: 9~14.

      [4] 丁國良,黃冬平,張春路。 跨臨界二氧化碳汽車空調穩態仿真[J]. 工程熱物理學報,2001,223:272~274.

      [5] 丁國良,黃冬平,張春路。 跨臨界二氧化碳汽車空調特性分析[J]. 制冷學報,2001,3:17~23.

      [6]“二氧化碳超臨界循環汽車空調裝置研究”項目通過鑒定[J]. 制冷空調與電力機械,2002,(4: 32.

      [7] 梁貞潛,丁國良,張春路等。 二氧化碳汽車空調器仿真與優化[J]. 上海交通大學學報,2002,310:1396~1400.

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