第2章CO2制冷技術(shù)

1、第第2 2章章 COCO2 2制冷技術(shù)制冷技術(shù) 2.1 前言前言 CO2在二十世紀(jì)初曾經(jīng)廣泛地應(yīng)用于空調(diào)及船舶的制冷系統(tǒng)中，直到二十世紀(jì)中期，在船舶制冷系統(tǒng)中仍占統(tǒng)治地位。CO2的缺點(diǎn)是在工作溫度下的壓力特別高（常溫下達(dá)到8MPa），這樣就使得在當(dāng)時(shí)的技術(shù)條件下，設(shè)備非常龐大笨重。自從出現(xiàn)了熱力學(xué)性能優(yōu)越的CFCS制冷劑，CO2基本上退出了制冷界。2 CO2制冷技術(shù) 2 CO2制冷技術(shù)但近幾年來(lái)，隨著人們環(huán)保意識(shí)的不斷增強(qiáng)，更由于CFCS與HCFCS對(duì)大氣臭氧層的破壞作用以及溫室效應(yīng)，人們不得不重新考慮在更廣泛的范圍內(nèi)使用自然工質(zhì)HCS，但是HCS的缺點(diǎn)是易燃燒，在這種情況下，CO2因其ODP

2、=0，GWP較小，以及自身良好的熱物理性能越來(lái)越受到人們的青睞。 2.2 2.2 COCO2 2制冷工質(zhì)的性質(zhì)制冷工質(zhì)的性質(zhì) CO2適用于蒸發(fā)溫度為適用于蒸發(fā)溫度為- -4010的各的各種常規(guī)制冷系統(tǒng)中，如汽車空調(diào)、船艙空種常規(guī)制冷系統(tǒng)中，如汽車空調(diào)、船艙空調(diào)，以及高溫?zé)岜脽崴?、干燥系統(tǒng)中的制調(diào)，以及高溫?zé)岜脽崴?、干燥系統(tǒng)中的制冷工質(zhì)。冷工質(zhì)。2 CO2制冷技術(shù)與與CFCS相比，使用相比，使用CO2 作制冷劑有如下的優(yōu)缺點(diǎn)：作制冷劑有如下的優(yōu)缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： 來(lái)源廣泛，容易獲取（可直接從自然環(huán)境中獲得或從工業(yè)廢氣中獲得），價(jià)格低廉； 不燃燒，不爆炸，無(wú)毒，無(wú)刺激性，環(huán)境性能優(yōu)良； 維護(hù)簡(jiǎn)單，

3、無(wú)需循環(huán)利用，操作運(yùn)行的費(fèi)用也較低； 化學(xué)穩(wěn)定性好，對(duì)常用材料沒(méi)有腐蝕性。不過(guò)CO2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金屬。當(dāng)輸送的CO2比較干燥（含水率小于8ppm）時(shí)，可采用普通的碳素鋼； 高的工作壓力使得壓縮機(jī)吸氣比容較小，單位容積制冷量大，有利于減小裝置體積。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； CO2壓縮機(jī)的壓比較低（2.53.5），接近最佳經(jīng)濟(jì)水平； 等熵效率比CFCS系統(tǒng)高得多； 運(yùn)動(dòng)粘度低； 能完全適應(yīng)各種潤(rùn)滑油和常用機(jī)器零部件。 2 CO2制冷技術(shù)缺點(diǎn)：缺點(diǎn)： 不能維持生命，如果濃度過(guò)高，會(huì)引起人的呼吸器官的損害，甚

4、至窒息死亡； 高的臨界壓力和低的臨界溫度；CO2臨界溫度為T(mén)c=31.1 ，臨界壓力為Pc=7.3MPa水的臨界溫度為374，臨界壓力為22MPa 無(wú)論亞臨界循環(huán)還是跨臨界循環(huán)，CO2制冷系統(tǒng)的運(yùn)行壓力都將高于傳統(tǒng)的制冷空調(diào)系統(tǒng)，給系統(tǒng)及部件的設(shè)計(jì)帶來(lái)許多難度； 現(xiàn)階段CO2制冷系統(tǒng)的效率還相對(duì)較低。2 CO2制冷技術(shù)2.3 2.3 COCO2 2制冷循環(huán)制冷循環(huán) （1） 亞臨界制冷循環(huán)亞臨界制冷循環(huán) （1-2-3-4-1）圖2.1 CO2制冷循環(huán)流程示意圖 圖2.2 CO2制冷循環(huán)在T-S圖上的表示 早期的CO2制冷循環(huán)多為亞臨界循環(huán)，目前的復(fù)疊制冷循環(huán)中也有運(yùn)用。CO2亞臨界制冷循環(huán)的流程

5、與普通的蒸汽壓縮式制冷循環(huán)完全一樣。2 CO2制冷技術(shù)（2） 跨臨界制冷循環(huán)跨臨界制冷循環(huán) （1-2-3-4-1） 此時(shí)壓縮機(jī)的吸氣壓力低于臨界壓力，蒸發(fā)溫度也低于臨界溫度，循環(huán)的吸熱過(guò)程仍在亞臨界條件下進(jìn)行，換熱過(guò)程主要是依靠潛熱來(lái)完成。但是壓縮機(jī)的排氣壓力高于臨界壓力，工質(zhì)的冷凝過(guò)程與在亞臨界狀態(tài)下完全不同，換熱過(guò)程依靠顯熱來(lái)完成 。圖 2.3 CO2制冷循環(huán)在p-h圖上的表示圖 2.2 CO2制冷循環(huán)在T-s圖上的表示2 CO2制冷技術(shù)（3） 超臨界循環(huán)超臨界循環(huán)（1“-2”-3“-4”-1“） 圖 2.2 CO2制冷循環(huán)在T-s圖上的表示圖 2.3 CO2制冷循環(huán)在p-h圖上的表示 所

6、有的循環(huán)都在臨界點(diǎn)以上，工質(zhì)的循環(huán)過(guò)程沒(méi)有相變。因?yàn)镃O2具有較高的臨界壓力和低的臨界溫度，故采用CO2的設(shè)備通常要在超臨界區(qū)運(yùn)行。在超臨界區(qū)，沒(méi)有相變，壓力和溫度是相互獨(dú)立的參數(shù)，這與傳統(tǒng)的冷凝器不同。 2 CO2制冷技術(shù)2.4 2.4 COCO2 2跨臨界循環(huán)的研究和應(yīng)用跨臨界循環(huán)的研究和應(yīng)用 （1）應(yīng)用在汽車空調(diào)系統(tǒng)中應(yīng)用在汽車空調(diào)系統(tǒng)中 2 CO2制冷技術(shù)蒸發(fā)：亞臨界區(qū)，潛熱放熱：超臨界區(qū)，顯熱所以系統(tǒng)中將冷凝器改稱氣體冷卻器。2 CO2制冷技術(shù)（2 2）熱泵中的應(yīng)用）熱泵中的應(yīng)用 挪威SINTEF研究所對(duì)熱泵的特性、系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了理論與實(shí)驗(yàn)研究，表明CO2跨臨界循環(huán)不僅具有高導(dǎo)熱系數(shù)

7、，而且系統(tǒng)緊湊，產(chǎn)生的熱水溫度高，在工業(yè)和民用兩方面都具有相當(dāng)大的發(fā)展?jié)摿?。?dāng)用環(huán)境空氣作熱源，井水溫度為8，熱水溫度為60時(shí)，該系統(tǒng)的COP值高達(dá)4.3，其能量消耗比電或燃?xì)庀到y(tǒng)降低了75%，當(dāng)熱水溫度為80時(shí)，COP值為3.6。 2 CO2制冷技術(shù)2 CO2制冷技術(shù)圖圖3 CO2 跨臨界循環(huán)熱泵實(shí)驗(yàn)裝置流程圖跨臨界循環(huán)熱泵實(shí)驗(yàn)裝置流程圖（3 3） 在復(fù)疊式制冷系統(tǒng)中的應(yīng)用在復(fù)疊式制冷系統(tǒng)中的應(yīng)用 在該制冷系統(tǒng)中，CO2用作低壓級(jí)制冷劑，高壓級(jí)則用NH3或R134a作制冷劑，CO2循環(huán)在亞臨界條件下運(yùn)行。與其他低壓制冷劑比，CO2的粘度很小，傳熱性能良好，因?yàn)槔脻摕?，其制冷能力相?dāng)大。目前

8、歐洲已將此系統(tǒng)安裝于超市中，據(jù)調(diào)查表明運(yùn)行情況在技術(shù)上是可行的。2 CO2制冷技術(shù)2.5 2.5 幾種典型的幾種典型的COCO2 2制冷循環(huán)制冷循環(huán) （1 1）帶回?zé)崞鞯目缗R界）帶回?zé)崞鞯目缗R界COCO2 2制冷循環(huán)制冷循環(huán) 圖2.4跨臨界CO2制冷系統(tǒng)流程圖2 CO2制冷技術(shù)（2 2）帶膨脹機(jī)的跨臨界）帶膨脹機(jī)的跨臨界COCO2 2制冷循環(huán)制冷循環(huán) 圖2.10采用不同節(jié)流機(jī)構(gòu)的CO2跨臨界循環(huán)系統(tǒng) 2 CO2制冷技術(shù)（3 3）復(fù)疊式）復(fù)疊式COCO2 2制冷循環(huán)制冷循環(huán) 圖2.12 CO2NH3復(fù)疊式低溫制冷系統(tǒng)示意圖 2 CO2制冷技術(shù)復(fù)疊式制冷可復(fù)疊式制冷可達(dá)到的溫度？達(dá)到的溫度？制冷循

9、環(huán) 使用原因應(yīng)用溫度范圍制冷劑單級(jí)壓縮 一般制冷5- 30 一種雙級(jí)壓縮 壓縮比過(guò)大-30- 80 一種復(fù)疊壓縮 制低溫-80 兩種或兩種以上 2.6 CO2制冷系統(tǒng)中關(guān)鍵設(shè)備研究進(jìn)展制冷系統(tǒng)中關(guān)鍵設(shè)備研究進(jìn)展(1)制冷壓縮機(jī)制冷壓縮機(jī) 衡量壓縮機(jī)工作性能的主要指標(biāo)有指示效率和容積效率。壓縮機(jī)的指示效率和容積效率主要與氣閥和氣腔的壓力損失、氣體泄漏、氣體與氣缸傳熱等因素有關(guān)。 CO2壓縮機(jī)的壓力損失對(duì)指示效率的影響，比普通制冷壓縮機(jī)小得多。 CO2壓縮機(jī)內(nèi)的壓力損失，對(duì)于壓縮過(guò)程耗功和容積性能的影響相當(dāng)小。 2 CO2制冷技術(shù)2 CO2制冷技術(shù)(2) 換熱器換熱器 1)氣體冷卻器氣體冷卻器 由

10、于CO2工作在超臨界狀態(tài)下，壓力高，且出口溫度獨(dú)立于出口壓力，因此允許有較大的壓降。CO2具有良好的傳熱性能，所以制冷劑側(cè)一般設(shè)計(jì)成較大的流量密度6001200kg/（m2s），且采用較小的管徑，因小管徑也有助于承受高壓。 2 CO2制冷技術(shù)2)蒸發(fā)器蒸發(fā)器 CO2蒸發(fā)器的工作壓力為3.57.0MPa。該壓力是傳統(tǒng)制冷劑壓力的10倍左右，與氣體冷卻器一樣，蒸發(fā)器也朝著管徑越來(lái)越小、流量密度越來(lái)越大、表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)越來(lái)越大的過(guò)程發(fā)展。 2 CO2制冷技術(shù)1.1.冷藏運(yùn)輸方式冷藏運(yùn)輸方式 目前使用的主要有機(jī)械冷藏和冷板冷藏。 機(jī)械冷藏即利用氟里昂為工質(zhì)的蒸汽壓縮式制冷，屬于相變制冷范疇。 壓縮機(jī)與汽

11、車共用一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，車體較輕，但壓縮機(jī)的制冷能力與車行速度有關(guān)，車速低時(shí)，制冷能力小，通常用 40 公里/小時(shí)的速度設(shè)計(jì)制冷機(jī)的制冷能力。液體COCO2 2 冷藏車應(yīng)用冷板冷藏：依靠冷凍板所蓄之冷量將廂內(nèi)溫度維持在所需溫度范圍之內(nèi)。蓄冷板中裝有預(yù)先凍結(jié)成固體的低溫共晶溶液，外界傳入車廂的熱量被蓄冷板中的共晶溶液吸收，共晶溶液由固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)。常用的低溫共晶溶液有乙二醇、丙二醇的水溶液及氯化鈣、氯化鈉的水溶液。共晶溶液的成分不同，其共晶點(diǎn)也不同。根據(jù)冷藏汽車所需要的低溫來(lái)選擇合適的共晶溶液。一般說(shuō)來(lái)，共晶溶液的共晶點(diǎn)應(yīng)比車廂規(guī)定的溫度低 2 3。液體COCO2 2 冷藏車應(yīng)用2. COCO2 2

12、應(yīng)用于冷藏的優(yōu)勢(shì)應(yīng)用于冷藏的優(yōu)勢(shì) 1) 常溫常壓下,二氧化碳?xì)怏w無(wú)色、無(wú)味、無(wú)毒、不燃不爆,是一種化學(xué)性質(zhì)相對(duì)穩(wěn)定的惰性氣體,在工業(yè)中常被用作保護(hù)氣,在易腐貨物的貯藏運(yùn)輸中是一種非常理想的氣調(diào)保鮮氣體。 2) 二氧化碳的標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)為- 78.5 ,在常壓下,- 78.5 的液體CO2 的是無(wú)色透明、易于流動(dòng)的液體,它既不爆炸也無(wú)毒性,是一種十分安全的制冷劑。 液體COCO2 2 冷藏車應(yīng)用3) ODP = 0 ,GWP = 1。單位容積制冷量相當(dāng)大(0 時(shí)單位容積制冷量是NH3 的1.58 倍,是R12 和R22 的8.25 倍和5.12 倍) 。降溫曲線圖降溫曲線圖液體COCO2 2 冷藏車應(yīng)

13、用4) 由工業(yè)尾氣回收而得,不增加環(huán)境負(fù)擔(dān);成本低廉,無(wú)需再循環(huán)利用。5) 蒸發(fā)溫度低,蒸發(fā)潛熱大,可以通過(guò)調(diào)節(jié)其噴量使冷藏廂內(nèi)的溫度在很短時(shí)間內(nèi)達(dá)到所要求的溫度。面臨的問(wèn)題：在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，它的沸騰溫度為78.5，低于其凝固點(diǎn)（56.6），它在氣化過(guò)程中將有一部分會(huì)閃發(fā)為干冰，特別是從較高壓力狀態(tài)到標(biāo)準(zhǔn)大氣壓這個(gè)壓力突降中，形成干冰的比例相當(dāng)大，也就是說(shuō)，壓力突變過(guò)程中，形成氣體二氧化碳的比例相當(dāng)?shù)纳?，大部分結(jié)晶析出了干冰。如果直接讓其通過(guò)噴淋管道進(jìn)入廂體內(nèi)，將會(huì)在短時(shí)間內(nèi)堵住噴淋管道。液體COCO2 2 冷藏車應(yīng)用液體COCO2 2 冷藏車應(yīng)用圖2 液體CO2 冷藏制冷系統(tǒng)液體COCO2

14、2 冷藏車應(yīng)用液體COCO2 2 冷藏車應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： 液體CO2 冷藏車的制冷系統(tǒng)僅由液體CO2 貯罐、噴淋系統(tǒng)以及溫控裝置三部分組成(如圖2 所示) ,除了噴淋控制閥外沒(méi)有任何其他運(yùn)動(dòng)部件,這樣就有效地消除和減少了故障的發(fā)生和制冷劑的泄漏,工作穩(wěn)定可靠,維修簡(jiǎn)便。液體COCO2 2 冷藏車應(yīng)用液體CO2 冷凍手術(shù)刀應(yīng)用1 冷凍治療原理冷凍治療原理 主要是利用冷凍的破壞作用以及腫瘤組織對(duì)低溫的敏感性進(jìn)行治療。冷凍的破壞機(jī)理主要包括物理、化學(xué)和血管效應(yīng)。首先冷凍能引起組織內(nèi)產(chǎn)生冰晶、造成細(xì)胞內(nèi)脫水，同時(shí)發(fā)生pH改變、破壞細(xì)胞的蛋白質(zhì)和酶系統(tǒng)，從而破壞細(xì)胞的代謝，引起細(xì)胞死亡。此外，由干細(xì)小血管內(nèi)冰晶的形成造成血管阻塞、血管壁破壞腫瘤組織缺乏供血引起組織壞死。 2 冷凍刀種類冷凍刀種類（1）氬氦刀：可在50s內(nèi)降溫至-140，又可快速解凍升溫至45 ，使腫瘤細(xì)胞暴烈死亡。（2）液氮浸泡式冷凍刀：利用液氮蒸發(fā)制冷，將冷凍器械降溫至-196 ，作用于人體的病變部位，使壞細(xì)胞壞死、脫落。（3）液體CO2 冷凍刀 液體C02經(jīng)過(guò)節(jié)流降壓后的溫度可達(dá)-60 - 70 ，由于液體C02的氣化潛熱很大，一定量的液體C02會(huì)產(chǎn)生足夠的冷量破壞病灶組織，切除腫瘤；同時(shí)液體C02的流量可以人為控制，其降溫速度很快，可以迅 速降溫從而破壞病