淺談CO_２作為環保制冷劑的發展

張亮

摘要：本文分析了CO₂作為替代制冷劑的明顯優勢和不足及應用前景。CO₂是理想的環保制冷劑之一，隨著制冷與空調技術領域的發展必將會得到廣泛應用。

關鍵詞：制冷劑;CO₂;環保;性能

一、環保制冷劑的選擇原則

作為環保制冷劑除了考慮應滿足常規制冷劑在熱力學、物理化學及經濟性方面的基本要求外，更重要的是考慮要滿足在安全性和環境影響方面的要求。

（一）安全性方面的要求

制冷劑應在工作溫度范圍內不燃燒、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，對人體健康無損害，與食品相接觸時無污染。

（二）環境影響方面的要求

制冷劑存留于大氣中的壽命要短，以減少對人類賴以生存環境的影響。ODP是表示制冷劑消耗大氣臭氧分子潛在程度的指標，是基于CFC-11為1.0的相對比較值。作為環保制冷劑ODP值應為零或盡可能地小，以減少對大氣臭氧層的破壞;GWP是衡量制冷工質對全球氣候變暖影響的指標，是基于作用100年的CO₂為1.0的相對比較值，作為環保制冷劑GWP值要盡可能地低[1] 。以減少對全球溫室效應影響;另外應無光霧反應，對大氣、水源和土壤等影響要少。

（三）熱力學方面的要求

制冷劑的標準沸點要低，以滿足制冷獲得較低蒸發溫度的要求;工作壓力適宜，壓力比要小，以減小壓縮耗功和壓縮級數;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量，從而縮小制冷壓縮機的尺寸;導熱系數要高，以提高換熱設備的換熱效率。

（四）物理化學方面的要求

制冷劑的密度和黏度要小，以減少制冷劑在制冷系統中的流動阻力;能與潤滑油良好相溶，以使壓縮機各部分得到充分潤滑;具有一定的吸水性，以免在系統的低溫部分產生冰塞現象，不腐蝕金屬，具有較好的化學穩定性和絕緣性;熱穩定性好，高溫下不分解。

（五）經濟性方面的要求

生產工藝簡單，成本低，價格便宜，容易獲得。

二、CO₂制冷劑的性質

常溫下的CO₂是一種無色、無嗅的氣體，其熱物性參數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%[5] ，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。

（二）CO₂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[4] 。

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[6] 。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[2] 。

三、CO₂制冷劑的應用前景

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[2] 。

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。

四、結束語

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。

參考文獻：

[1] 姜守忠，制冷原理[M].北京：高等教育出版社，2005.1.

[2] 劉衛華，制冷空調新技術及進展[M].北京：機械工業出版社，2005.8.

[3] 俞炳豐，制冷與空調應用新技術[M].北京，2003.8.

[4] 劉圣春、馬一太、管海清，CO₂空氣源熱泵熱水器的研究現狀與展望[J].北京，2008.2.

（作者單位：松下冷機系統（大連）有限公司）