CO2制冷劑的特性與應用

王 鐵

（大連新明華電子科技有限公司 大連 116630）

引言

制冷劑的選擇對制冷系統尤為重要。選擇制冷劑時須考慮性能、安全性、可靠性、環境友好性和成本等因素。其中，最主要的因素是安全性、可靠性和環境友好性。二氧化碳是一種常見的自然工質，對環境沒有損害，消耗臭氧潛能值（ODP）為0，全球變暖潛能值（GWP）為1，無毒且不可燃，二氧化碳的密度比空氣高，在制冷方面二氧化碳工質較傳統工質有優勢，但在安全方面也存在一些問題。

1 CO2制冷劑的發展與特性

CO2作為最早的制冷劑之一，在19世紀末到20世紀30年代得到了普遍的應用，到1930年，80%的船舶使用 CO2制冷劑，但由于當時采用的CO2亞臨界循環系統效率低，同時，氯氟烴（CFCs）制冷劑的出現，導致了CO2制冷劑使用的下降，最終在20世紀50年代，CO2制冷系統被完全淘汰[1]。

在20世紀80年代末發現合成制冷劑的不良影響后，人們對CO2重新產生了興趣。CO2制冷在住宅和商業建筑的空調系統中得到了廣泛的應用。總之，目前正在研究的CO2制冷有許多應用潛力，其中大部分是很有前景的。

1.1 CO2跨臨界循環

以CO2為制冷劑的跨臨界循環的高壓排熱過程具有較大的溫度滑移，可以更好地與水的溫升過程相匹配，使其非常適合應用于熱泵熱水器中[2]。與其他對流制冷劑相比，CO2制冷劑跨臨界運行的溫度范圍最高，即（-50 ～120）℃[3]。跨臨界循環的唯一缺點是高壓。CO2的臨界壓力是73.7 bar。如果CO2經過一個跨臨界循環，那么它的高壓將超過73.7 bar，這是相當高的。這就需要一個能夠耐受如此高壓力的設備。高壓有其自身的優點（如設備和設計緊湊）和缺點（昂貴的設備和安全問題）。然而，隨著當前技術的進步，這種壓力并不是一個大問題。

1.2 熱物理性質

高壓特性意味著CO2設備部件可以設計成更小的尺寸，同時CO2具有非常低的粘度，即使在很小的流速下也能達到雷諾數，這意味著CO2大多數流動是紊流，傳熱率很高。當換熱率較高時，換熱器的尺寸可以大大減小，以達到同樣的換熱量。壓縮機的尺寸也可以減少。盡管CO2跨臨界循環壓力高，但與其他制冷劑相比，高壓和低壓之間的比率很低。這樣與相同容量的對流制冷劑的壓縮機相比，CO2壓縮機的整體尺寸更小。

1.3 安全性

一般情況下，CO2被認為是無毒的，但當濃度超過2%時會產生危害。CO2是無色無味的，所以不容易被發現，因此，在通風不良的場所中，應安裝CO2探測器。且由于CO2的密度比空氣高，容易占據較低的區域，因此在不通風的房間中泄漏更致命。所以，探測器應安裝在靠近地面的位置。

除了毒性問題外，CO2設備中由于操作壓力引起的爆炸也是一個安全問題。爆炸造成的震動和飛濺的碎片可能會造成傷害。所以CO2設備的安全設計應注意以下5點：

1）設備在高壓側和低壓側都應有一個超壓釋放閥。

2）部件應在正常工作壓力和溫度的兩倍（或更多）的情況下進行壓力測試。

3）壓力測試應包括其他操作影響，如由于壓力循環、蠕變、振動和腐蝕(特別是在存在水的情況下)造成的疲勞。

4）所有部件的設計壓力和溫度都應該達到系統在靜止狀態下可能遇到的最高壓力和溫度（包括安全系數）。

5）當考慮系統的大小與所涉及的壓力時，CO2系統的相對爆炸能量與對流系統的近似相同。這主要是因為對于相同能力的系統而言，CO2系統擁有更小的系統尺寸和更少的費用。

2 CO2的應用

2.1 水源熱泵

生產熱水是CO2熱泵的最佳應用，因為跨臨界循環的溫度滑移大，與水的溫升過程相匹配，熱泵是水加熱的最優方式，政府和其他注重能源效率的機構正在大力鼓勵熱泵的使用。與電加熱相比，熱泵可以減少67%的能源使用，與燃料加熱相比會更多。

在住宅中，由于熱水是最高的使用能源之一，加上環境和能源效率的優勢，CO2熱泵技術有很大的未來前景。

2.2 汽車空調

CO2制冷系統在汽車空調領域也有較大的應用前景。CO2系統緊湊及傳熱性好，適用于設備空間有限及對能源效率要求高的汽車空調領域。汽車空調消耗的制冷劑占全球制冷劑的31%，總計超過15萬噸/年。同樣，汽車空調泄漏率最高[4]。所以對CO2的更改將是非常有利的。最近的研究表明，隨著氫氟碳化物的逐步淘汰，CO2系統與常用的HFC系統相比具有優越性，CO2是汽車空調的最佳選擇。

由于CO2系統是比較新的，所以汽車空調系統容易出現更多的維護問題。所以需要合格的技術人員來處理這項新技術。由于重量和空間要求有限，再加上汽車的空調系統和其他電氣和機械系統的集成，這項技術在車輛中變得更加復雜。在CO2汽車空調被完全接受之前，這些問題以及其他一些小的經濟問題都需要得到解決。此外，蒸發器上的結霜問題也沒有得到有效解決。盡管存在這些挑戰，CO2仍被證明是一種理想的制冷劑，能夠立即提供高溫熱量，同時需要更少的空氣來傳遞熱量。這使得復雜的汽車環境控制成為一個研究熱點[5]。

2.3 商用制冷

商用制冷是零售商店用來陳列、保存或準備的方便顧客購買食品和飲料的設備。這些設備包括超級市場的冷藏展示柜、冷藏自動售貨機、飲水機及制冰機。商用制冷消耗的制冷劑占全球制冷劑的28%，是全球第二大制冷劑應用領域。這使得它成為進入環境的制冷劑的最大排放者之一，約占全球排放量的37%。2002年，商業制冷導致超過18.5萬噸制冷劑泄漏到大氣中[6]。此外，這一領域的能源利用通常非常高，因此需要有效的制冷系統。研究表明，CO2的相關成本和能耗與其他制冷系統不相上下。實際上，有人認為CO2系統是未來的主導技術，因為它們具有良好的熱物理和安全性能。

CO2技術甚至被用于獨立的瓶裝冷卻器和冷熱自動售貨機。輕商業領域的主要投資指向CO2技術，在世界范圍內有超過85 000個裝置在運行[7]，這些自動販賣機大多利用跨臨界循環。

2.4 家用空調

由于對家用空調設備的高需求和對HFC替代品的要求， CO2家用空調一直是研究機構和工業研究的重點。家用空調機組的年需求量超過4 000萬臺，在大多數居住區市場需求預計還會進一步增長[4]，空調是僅次于熱水器的第二大能源消耗。在這種應用中，對環境影響的關注點更多地集中在能源使用引起的排放問題上，而不是制冷劑泄漏的直接影響。因此，能源效率是至關重要的[5]。CO2在固定式空調系統中的應用取得了良好的效果。采用單向制冷劑回路的機組工作可靠且效率更高。

2.5 冷藏運輸

由于CO2設備具有高效、可靠和緊湊的特點，使得CO2制冷系統在冷藏運輸領域得到大力推廣，在冷藏運輸領域 CO2制冷系統被認為是HFC制冷系統的替代品。冷藏運輸方式包括易腐貨物卡車、公共和貨物火車和船舶。相對較高的密度和容量是CO2在冷藏運輸領域的另一個優勢。

3 CO2的未來應用

CO2制冷的潛力遠比上面討論的應用更廣泛。專家認為，盡管CO2是目前使用范圍最廣的天然制冷劑，但作為一種制冷劑，即使在制冷行業之外，它也有占領更多市場的潛力[4]。CO2作為制冷劑的一些未來潛在用途是信息技術（IT）設備冷卻、工業熱泵和工業廢熱回收。

3.1 信息技術設備冷卻

隨著對隨時隨地向任何人提供信息的需求的增長，對高性能數據中心的需求也在增加。要做到這一點，就需要高密度的數據存儲和處理環境，并且必須有一個有效的制冷系統，以確保工作環境不會過熱，并確保信息的平穩運行和流動。因此，一個具有高COP和自動控制的高效冷卻系統對于節能和數據中心的平穩運行至關重要。與傳統的水基系統相比，CO2是電良性的，因此CO2冷卻系統可以有效、可靠地提供吸熱過程，而不會干擾IT設備。CO2冷卻系統的另一個優點是其緊湊性，便于與IT設備和周圍結構的集成。此外，它是余熱回收的一種形式，有可能同時加熱和冷卻[4]。

3.2 工業熱泵

CO2可以用于回收有用的余熱，同時為作業過程提供低溫熱（高達130 ℃）。因此，CO2熱泵在工業領域的應用具有節能和良好的應用前景。同時在紡織品洗滌、食品和化妝品生產設施的洗滌等領域也具有良好的應用前景。因為洗滌所用的熱水可以很容易和高效地由CO2熱泵提供。

3.3 工業廢熱回收

許多工業過程產生的熱量由于不能被有效地重復利用而作為廢物釋放到環境中。這種廢熱可以有效地應用在CO2熱泵領域，這種余熱回收可以減少產生熱水的能源成本。此外，該行業將通過滿足有關釋放到環境中的廢物的溫度規定來減少廢物處理，并在提供有用的熱量的同時減少廢物的支出。

4 結論

從CO2作為一種制冷劑的歷史背景出發，探討了CO2在制冷工業中影響其性能的具體特性。由于其優越的性能，特別是在制冷方面，我們相信CO2將在未來制冷技術的許多應用中占據主導地位。