【摘要】 隨著經(jīng)濟發(fā)展和人們環(huán)境保護和節(jié)能意識的增強，以CO2為代表的自然工質越來越廣泛的在制冷空調行業(yè)應用，文章對CO2制冷循環(huán)有關問題進行探討，以便實際應用。

　　【關鍵詞】 二氧化碳 跨臨界循環(huán) 制冷系統(tǒng)原理 應用

　　The Application of Carbon Dioxide Refrigeration cycle

　　By Gao Xinhua* Gao yun

　　【Abstract】With the development of economy and the people’s increasing care about environment protection and energy-saving, carbon dioxide as a natural refrigerant has been widely used in refrigeration and air-conditioning industries. This essay tries to study and discuss carbon dioxide refrigeration cycle and system principle to help its practical application.

　　【New words】carbon dioxide transcritical cycle refrigeration system principle application

　　隨著經(jīng)濟發(fā)展和人民生活水平的提高，人們的環(huán)保節(jié)能意識不斷增強，制冷空調行業(yè)制冷工質的選擇也越來越重視工質的環(huán)保節(jié)能特性。以CO2和NH3為代表的自然工質制冷系統(tǒng)已經(jīng)大量應用，本文試對CO2為工質的制冷循環(huán)進行探討，以利實際應用。

　　1. CO2 制冷工質的特性

　　1.1環(huán)保特性。CO2 制冷工質屬于環(huán)保型制冷工質，它的破壞臭氧層潛能值ODP=0，地球溫室效應潛能值WMP=1。它不破壞臭氧層，不需回收和再生，對地球變暖的影響甚微，是較理想的天然制冷劑。

　　1.2安全性。CO2制冷劑，蒸發(fā)壓力大于大氣壓，不易使空氣進入制冷系統(tǒng)。 CO2制冷工質的沸點為-78.4℃，4℃時的飽和壓力為3.8686Mpa，屬于低溫制冷劑。在一般環(huán)境條件下，無毒，不燃燒，不會給人員及環(huán)境帶來安全威脅。因此，可用于食品生產車間及包裝間空調、汽車空調、家用及商用空調，也可用于商用和家用熱泵熱水器。

　　1.3 經(jīng)濟性。CO2制冷工質，來源廣泛，價格低廉，運行費用低。

　　1.4 CO2制冷工質的臨界溫度低，31.1℃，使用一般的自然工質(水或空氣)冷卻，不易變?yōu)橐后w，故一般CO2單級或雙級制冷循環(huán)均為跨臨界循環(huán)。

　　1.5 CO2制冷工質單位容積制冷量(22600KJ/m3)較大，是F22的5.2倍，有利于減少制冷系統(tǒng)工質的容積循環(huán)量，從而減小壓縮機的尺寸，降低制造成本。

　　1.6 CO2制冷工質的導熱系數(shù)大，粘度低，流動阻力小，傳熱效率較高。壓力降對系統(tǒng)的影響較小，在較低的流速下，可形成紊流，傳熱性能好，液體密度和蒸氣密度的比值小，節(jié)流后各制冷回路制冷劑分配均勻，有利于提高制冷(制熱)系統(tǒng)的經(jīng)濟性。

　　1.7 CO2制冷工質化學穩(wěn)定性好，不含水時對金屬無腐蝕作用，有利于制冷壓縮機及設備的制造、安裝、運行和維護。CO2與水混合時，呈酸性，可腐蝕碳鋼等普通金屬(不銹鋼和銅除外)，當CO2含水低于8ppm時，可采用普通碳素鋼。

　　1.8 CO2絕熱指數(shù)相對較小，k=1.3，壓力比小，約2.5~ 3.2，壓縮機容積效率相對較高。

　　1.9 CO2制冷工質的臨界壓力高，為7.372Mpa，其跨臨界循環(huán)和亞臨界循環(huán)的工作壓力都較高，一般在3.5Mpa~7.5Mpa。因此，CO2制冷系統(tǒng)的壓縮機、換熱設備、附屬設備、閥門、管路及管件的耐壓強度均需滿足要求，故相對投資較大。

　　2.CO2 制冷循環(huán)的應用范圍

　　CO2制冷循環(huán)適用于汽車空調，家用及商用空調;黨政機關及企事業(yè)單位的熱泵熱水器;超市食品的保鮮儲存和冷藏;食品的低溫冷凍冷藏(CO2復疊式制冷系統(tǒng))以及冷藏運輸;也可用于地源熱泵、水源熱泵空調系統(tǒng)。

　　3.CO2跨臨界循環(huán)制冷(制熱)系統(tǒng)原理及系統(tǒng)組成

　　3.1CO2跨臨界制冷循環(huán)。在冷卻介質為常溫的空氣和水的條件下，CO2制冷循環(huán)必須采用跨臨界制冷循環(huán)。所謂跨臨界制冷循環(huán)，是指CO2制冷工質由于臨界溫度(31.1℃)低，為使其從氣體變?yōu)橐后w循環(huán)利用，需加壓和冷卻，壓縮機排氣壓力高于臨界壓力，工質在超臨界區(qū)定壓放熱，氣體冷卻過程是在臨界壓力以上依靠顯熱進行熱交換;壓縮機吸入壓力低于臨界壓力，蒸發(fā)溫度低于臨界溫度，蒸發(fā)吸熱過程是在臨界壓力以下主要依靠汽化潛熱進行熱交換。

　　3.1.1 CO2跨臨界制冷循環(huán)系統(tǒng)原理：低溫低壓的CO2制冷工質在蒸發(fā)器中吸收周圍環(huán)境介質或被冷卻物體的熱量由液體變?yōu)榈蛪哼^熱蒸汽，低壓的CO2蒸汽進入CO2制冷壓縮機被絕熱壓縮為高壓高溫的氣體，高壓高溫的CO2氣體然后進入空氣冷卻器，與冷卻介質進行熱交換，放出熱量，被定壓冷卻，然后進入節(jié)流裝置(或膨脹機)絕熱節(jié)流(或絕熱膨脹)為低壓低溫的濕蒸汽，低壓低溫的CO2液體重新進入蒸發(fā)器定壓吸熱蒸發(fā)，使被冷卻介質溫度降低，制取冷量。如此往復循環(huán)，實現(xiàn)連續(xù)制冷。

　　3.1.2 CO2跨臨界制冷循環(huán)的制冷系數(shù)ε=Q0/W0 (kw/kw)，其中，Q0---為制冷量，kw;W0---能耗，kw.，ε---制冷系數(shù) kw/kw。

　　3.1.3 CO2跨臨界循環(huán)制冷系統(tǒng)主要有以下設備組成：CO2制冷壓縮機、油分離器、CO2氣體冷卻器、節(jié)流裝置(或膨脹機)、蒸發(fā)器、氣液分離器(儲液器)、系統(tǒng)管路及閥門、過濾器、高低壓保護系統(tǒng)、電控系統(tǒng)(電控箱、壓力溫度傳感器及控制器、電線電纜、儀表等)、油冷卻系統(tǒng)和油平衡系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)。

　　3.2 CO2跨臨界熱泵循環(huán)系統(tǒng)原理及組成

　　3.2.1系統(tǒng)原理：低溫低壓的CO2液體制冷工質在室外蒸發(fā)器中吸收周圍環(huán)境介質(空氣或水)的熱量，在定壓條件下，由液體變?yōu)榈蛪哼^熱蒸汽，低壓氣體經(jīng)過四通閥，進入CO2制冷壓縮機，被絕熱壓縮為高壓高溫的氣體，高壓高溫的氣體經(jīng)過四通閥，進入室內熱交換器(風機盤管或熱水器盤管)，與被加熱介質(空氣或水)進行熱交換，定壓放熱，使被加熱的介質溫度升高，制取熱量。然后，放熱后被冷卻的CO2高壓氣體進入節(jié)流裝置(或膨脹機)絕熱節(jié)流(或絕熱膨脹)為低壓低溫的濕蒸汽，低壓低溫的CO2液體重新進入室外蒸發(fā)器吸熱蒸發(fā)，變?yōu)榈蛪哼^熱氣體，經(jīng)過四通閥，再被壓縮機吸入------，如此往復循環(huán)，實現(xiàn)連續(xù)制熱。

　　3.2.2 CO2跨臨界熱泵循環(huán)的制熱系數(shù)μ=(Q0 + W0)/ W0 (kw/kw)，Q0---為制冷量，kw;W0---能耗，Kw.，μ---制熱系數(shù) kw/kw。

　　3.2.3 CO2跨臨界熱泵循環(huán)系統(tǒng)主要有以下設備組成：CO2制冷壓縮機、四通閥、油分離器、CO2室外換熱器(空氣冷卻器)、節(jié)流裝置(或膨脹機)、氣液分離器(儲液器)、室內蒸發(fā)器(風機盤管或熱水器盤管)、系統(tǒng)管路及閥門、過濾器、高低壓保護系統(tǒng)、電控系統(tǒng)(電控箱、壓力溫度傳感器及控制器、電線電纜、儀表等)、油冷卻系統(tǒng)和油平衡系統(tǒng)。

　　4. NH3/ CO2復疊式制冷循環(huán)系統(tǒng)原理及系統(tǒng)組成

　　4.1 NH3/ CO2復疊式制冷循環(huán)系統(tǒng)原理：

　　低溫級系統(tǒng)原理及流程：低壓低溫的CO2液體在低溫級的蒸發(fā)器中吸收周圍環(huán)境介質(或被冷卻介質)的熱量，變?yōu)榈蛪哼^熱蒸汽被CO2制冷壓縮機吸入，絕熱壓縮為高壓高溫的CO2氣體，高壓高溫的CO2氣體進入蒸發(fā)冷凝器，被高溫級低壓低溫的制冷工質氨定壓冷卻、冷凝為高壓液體，高壓液體再進入節(jié)流裝置(或膨脹機)絕熱節(jié)流(或絕熱膨脹)為低壓低溫的濕蒸汽，低壓低溫的CO2液體重新進入低溫級蒸發(fā)器定壓吸熱蒸發(fā)，使周圍環(huán)境介質(或被冷卻介質)的溫度降低，制取冷量。如此往復循環(huán)，實現(xiàn)連續(xù)制冷。

　　高溫級系統(tǒng)原理及流程：低壓低溫的氨液在蒸發(fā)冷凝器中吸收低溫級CO2氣體的熱量，變?yōu)榈蛪哼^熱的氨蒸汽，被高溫級氨制冷壓縮機吸入，絕熱壓縮為高壓高溫的氣體，高壓高溫的NH3氣體再進入冷凝器，與冷卻介質(空氣或水)進行熱交換，定壓冷卻、冷凝為高壓氨液，高壓氨液再進入節(jié)流裝置絕熱節(jié)流為低壓低溫的濕蒸汽，低壓低溫的氨液重新進入蒸發(fā)冷凝器定壓吸熱蒸發(fā)，使低溫級CO2高壓氣體定壓冷卻、冷凝為液體。如此往復循環(huán)，保證低溫級制冷系統(tǒng)連續(xù)制冷。

　　4.2 NH3/ CO2復疊式制冷循環(huán)的制冷系數(shù)為：ε= Q0/(W1+W2) (kw/kw)

　　其中，Q---制冷量 kw; W1---低溫級壓縮機能耗 kw;W2---高溫級壓縮機能耗 kw

　　ε---復疊式制冷循環(huán)的制冷系數(shù)，kw/kw 。

　　4.3 NH3/ CO2復疊式制冷循環(huán)系統(tǒng)組成：

　　低溫級CO2系統(tǒng)主要有以下設備組成：CO2制冷壓縮機、油分離器、蒸發(fā)冷凝器、儲液器、節(jié)流裝置(或膨脹機)、氣液分離器(循環(huán)儲液器)、蒸發(fā)器、系統(tǒng)管路及閥門、過濾器、高低壓保護系統(tǒng)、電控系統(tǒng)(電控箱、壓力溫度傳感器及控制器、電線電纜、儀表等)、油冷卻系統(tǒng)和油平衡系統(tǒng)、膨脹穩(wěn)壓裝置。

　　高溫級NH3系統(tǒng)主要有以下設備組成：氨制冷壓縮機、油分離器、冷凝器、儲液器、節(jié)流裝置、氣液分離器(循環(huán)儲液器)、蒸發(fā)冷凝器、系統(tǒng)管路及閥門、過濾器、高低壓保護系統(tǒng)、電控系統(tǒng)(電控箱、壓力溫度傳感器及控制器、電線電纜、儀表等)、油冷卻系統(tǒng)和油平衡系統(tǒng)、放空氣器、冷卻水系統(tǒng)。

　　5. CO2制冷循環(huán)的節(jié)能措施

　　5.1 采用回熱循環(huán)。CO2跨臨界循環(huán)，在系統(tǒng)中增加一個氣氣熱交換器，使節(jié)流裝置(或膨脹機)前的高壓氣體降低溫度，提高吸入氣體的溫度，減少有害過熱，減少節(jié)流后濕蒸汽中的無效氣體含量，降低節(jié)流過程的不可逆損失，增加單位制冷量，提高制冷系數(shù)，同時可改善制冷壓縮機的潤滑條件。

　　5.2 在回熱循環(huán)的基礎上，采用雙級壓縮。雖然CO2回熱循環(huán)能提高單位制冷能力，但壓縮機的排氣溫度上升，而采用雙級壓縮，可減少吸排氣壓力比，降低壓縮機的排氣溫度，降低壓縮過程的不可逆損失，提高制冷系統(tǒng)的經(jīng)濟性，還能改善壓縮機的運行條件，保證壓縮機安全運行。

　　5.3 采用膨脹機代替節(jié)流閥的CO2雙級壓縮制冷循環(huán)。在CO2雙級壓縮制冷循環(huán)的低壓級中，用膨脹機代替節(jié)流裝置(熱力膨脹閥等)，可以回收膨脹功，減少節(jié)流不可逆損失，提高制冷系統(tǒng)的經(jīng)濟性。天津商業(yè)大學等單位已經(jīng)研究出CO2膨脹機，用于實驗裝置。

　　5.4 在CO2跨臨界制冷循環(huán)中，用電子膨脹閥代替手動節(jié)流閥或熱力膨脹閥，可以精確的控制蒸發(fā)器出口的過熱度，既可保證壓縮機安全運行，又可減少手動節(jié)流閥或熱力膨脹閥對過熱度控制精確度差帶來的損失，提高制冷系統(tǒng)的經(jīng)濟性和運行穩(wěn)定性。有資料報道，電子膨脹閥代替熱力膨脹閥，可以提高制冷系統(tǒng)的制冷系數(shù)10%~30%。電子膨脹閥由膨脹閥、驅動器、過熱度控制器組成。比較好的品牌有丹佛斯和意大利的CAREL。

　　5.5 采用并聯(lián)螺桿機組的準雙級壓縮制冷循環(huán)。在CO2跨臨界制冷循環(huán)中，在壓縮機的吸氣管路上增設回熱器，采用并聯(lián)半封閉螺桿制冷壓縮機組，可利用螺桿壓縮機壓縮過程中的補氣功能，在儲液器的出液管路上增設節(jié)能器，降低節(jié)流裝置前高壓工質的溫度，提高制冷系數(shù)。同時，并聯(lián)機組可根據(jù)制冷系統(tǒng)負荷大小，通過控制器自動控制壓縮機的啟停臺數(shù)，也有利于制冷系統(tǒng)節(jié)能運行。

　　5.6 CO2跨臨界循環(huán)高低壓壓差大，節(jié)流損失大，在回熱循環(huán)的基礎上，帶噴射器的CO2跨臨界循環(huán)，有利于減少節(jié)流損失。據(jù)悉，浙江大學已經(jīng)研制出用于CO2熱泵熱水器的噴射器，可提高熱泵系統(tǒng)的經(jīng)濟性。

　　5.7 在回熱循環(huán)的基礎上，采用并聯(lián)機組，設置一個或數(shù)個中溫蒸發(fā)器和低溫蒸發(fā)器，即可滿足用戶用一套機組為不同蒸發(fā)溫度的設備提供冷源的要求，也有利于制冷系統(tǒng)根據(jù)負荷變化自動調整機器的運行臺數(shù)，實現(xiàn)節(jié)能運行。

　　5.8 CO2跨臨界制冷系統(tǒng)運行管理中，適度提高蒸發(fā)器的蒸發(fā)溫度，避免蒸發(fā)溫度過低，努力降低氣體冷卻器出口的溫度，減小換熱器的換熱溫差，均有利于提高系統(tǒng)的制冷系數(shù)。CO2制冷循環(huán)與地源熱泵、水源熱泵和太陽能熱泵系統(tǒng)相結合，更有利于節(jié)能。

　　5.9 CO2制冷系統(tǒng)的制冷壓縮機、冷卻水泵和風機采用直流變頻技術和PLC可編程控制技術，有利于系統(tǒng)節(jié)能運行。采用液泵供液系統(tǒng)、滿液式蒸發(fā)器、蒸發(fā)式冷卻(凝)器和微通道換熱器，有利于強化換熱，提高系統(tǒng)的經(jīng)濟性。

　　6. CO2制冷循環(huán)應用注意事項

　　6.1 CO2制冷系統(tǒng)的設計、安裝應由有資質的設計、安裝單位及人員承擔。制冷系統(tǒng)的設計、安裝應符合制冷工藝要求并有利于系統(tǒng)回油。

　　6.2 CO2跨臨界循環(huán)，工質的工作壓力高，故要求制冷壓縮機、蒸發(fā)器、氣體冷卻器、節(jié)流裝置、附屬設備及管路閥門需承受較高的壓力，在選用機器設備、管路閥門等材料時，必須滿足設計要求。

　　6.3 對人體的危害。一般情況下，CO2氣體少量泄漏，不會造成人身傷害，但是，當CO2氣體在空氣中的含量大于2%時，會傷害人的呼吸器官，甚至引起窒息死亡。因此，CO2制冷系統(tǒng)應防止泄漏，制冷系統(tǒng)的設計、安裝、試壓試漏、排污、抽真空、灌注制冷劑、試運行均應由有資質的人員嚴格按設計要求進行。運行管理和操作人員應經(jīng)過技術和安全培訓合格，并按操作規(guī)程操作。

　　6.4 CO2制冷壓縮機的冷凍油應按制造廠規(guī)定，選用跨臨界循環(huán)專用油。制冷系統(tǒng)應設油冷卻裝置，一般情況下，油溫應高于30℃，低于65℃。并聯(lián)機組應設計、安裝好油平衡系統(tǒng)。

　　6.5 CO2跨臨界循環(huán)系統(tǒng)，安全閥的設定壓力為：高壓16.3Mpa, 低壓10Mpa。

　　6.6 復疊式CO2制冷系統(tǒng)的低溫級應設置膨脹穩(wěn)壓裝置，以防停機后壓力過高引發(fā)事故。

　　6.7 當蒸發(fā)溫度低于-35℃時，CO2復疊式制冷系統(tǒng)較雙級壓縮制冷系統(tǒng)節(jié)能效果好，且蒸發(fā)溫度越低，節(jié)能效果越好;當蒸發(fā)溫度高于-35℃時，雙級壓縮制冷系統(tǒng)較CO2復疊式制冷系統(tǒng)節(jié)能效果好。

　　6.8 CO2復疊式循環(huán)的低溫級吸氣過熱度10℃~15℃為宜，蒸發(fā)冷凝器中高溫級的蒸發(fā)溫度應低于低溫級的冷凝溫度3℃~5℃，高溫級在蒸發(fā)冷凝器中的制冷量應與低溫級的排熱量相匹配。

　　6.9 CO2制冷劑壓縮量小，可采用兩極電機(轉速2900rmp)，與R22相比，相同規(guī)格的壓縮機可得到雙倍的排氣量，壓縮機的性價比高。

　　6.10 CO2制冷系統(tǒng)應定期清洗、更換干燥過濾器，應按計劃進行大、中、小修，并保持運行和維修記錄，以便改進運行管理及維修工作。

　　6.11 CO2制冷系統(tǒng)的壓力容器、壓力管道及安全閥應按法規(guī)規(guī)定管理，建檔、定期檢定并保持記錄。

　　6.12 CO2 雙級壓縮低壓機吸氣過熱度一般取15℃，中間壓力取冷凝壓力與蒸發(fā)壓力的比例中項，即：Pzj=(Pk×P0)1/2 其中，Pzj---中間壓力，Pk ---冷凝壓力，P0---蒸發(fā)壓力。

　　6.13 NH3/ CO2復疊式制冷系統(tǒng)開停機程序：開機時，必須先開高溫級壓縮機、設備及有關閥門，運行正常后，再啟動低溫級壓縮機、設備及有關閥門;停機時，應先停止低溫級壓縮機、設備及有關閥門，然后，適度降低低溫級系統(tǒng)壓力后，再停止高溫級壓縮機、設備及有關閥門。

　　6.14 NH3/ CO2復疊式制冷機緊急停機程序：如果遇到緊急情況需立即停機時，應s*先切斷低溫級壓縮機電源，再迅速切斷高溫級壓縮機電源，然后，調整系統(tǒng)其他設備及有關閥門。

　　6.15 CO2雙級壓縮制冷系統(tǒng)開停機程序：開機時，必須先開高壓機、設備及有關閥門;運行正常后，再啟動低壓機、設備及有關閥門;停機時，應先停止低壓機、設備及有關閥門，然后，適度降低系統(tǒng)壓力后，再停止高壓機、設備及有關閥門。

　　6.16 CO2雙級壓縮制冷系統(tǒng)緊急停機程序：如果遇到緊急情況需立即停機時，應s*先切斷低壓機電源，再迅速切斷高壓機電源，然后，調整系統(tǒng)其他設備及有關閥門。

　　6.17 CO2制冷系統(tǒng)冬季停機，應放凈機器、設備及管路中的冷卻水，以防凍結、損壞設備。制冷壓縮機開機前，應先預熱機器中的冷凍油。

　　6.18 CO2制冷系統(tǒng)應設置不凝性氣體排出裝置，并定期檢查、排除不凝性氣體。

　　6.19 CO2為工質的地源熱泵和水源熱泵空調系統(tǒng)，開機時，應先啟動冷卻水系統(tǒng)和冷凍水(熱水)系統(tǒng)運行，然后，再啟動CO2制冷(制熱)系統(tǒng)運行;停機時，應先停止CO2制冷(制熱)系統(tǒng)運行，然后，再停止冷凍水(熱水)系統(tǒng)和冷卻水系統(tǒng)運行。冬季停機，應放出制冷(制熱)系統(tǒng)的水，或采取其他有效措施，以防設備及管路凍結。

　　6.20在超臨界壓力下，CO2溫度和壓力是獨立的參數(shù)，它們均影響氣體冷卻器出口CO2的焓值。改變排氣壓力，會影響制冷量、耗功及制冷系數(shù)。對應于制冷系數(shù)z*大時的排氣壓力為z*優(yōu)壓力Pout，當不考慮吸氣過熱時，其半經(jīng)驗公式為：Pout=(2.778-0.015t0)t3+0.381 t0-9.34

　　其中，Pout---z*優(yōu)排氣壓力 100kpa，t0---蒸發(fā)溫度 ℃，t3---氣體冷卻器出口溫度 ℃。

　　參考資料:

　　【1】 《制冷技術及其應用》彥啟森主編，中國建筑工業(yè)出版社 2006.6第一版。

　　【2】 《中國制冷簡報》中國制冷學會主編，2009.5總第37期。