二氧化碳制冷循环的应用

steve.li

　　【摘要】 随着经济发展和人们环境保护和节能意识的增强，以CO2为代表的自然工质越来越广泛的在制冷空调行业应用，文章对CO2制冷循环有关问题进行探讨，以便实际应用。
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  x4 p4 ?5 p5 J+ x  z+ g　　【关键词】 二氧化碳 跨临界循环 制冷系统原理 应用
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　　The Application of Carbon Dioxide Refrigeration cycle
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4 Q4 G* U9 X+ ~1 Y　　By Gao Xinhua* Gao yun

6 g0 l' A5 Z+ R. j/ k8 y　　【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.
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0 m) U/ D" w" m* o6 ^　　【New words】carbon dioxide transcritical cycle refrigeration system principle application
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　　随着经济发展和人民生活水平的提高，人们的环保节能意识不断增强，制冷空调行业制冷工质的选择也越来越重视工质的环保节能特性。以CO2和NH3为代表的自然工质制冷系统已经大量应用，本文试对CO2为工质的制冷循环进行探讨，以利实际应用。
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/ u0 c& F1 F7 }6 E  W　　1. CO2 制冷工质的特性
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: A( k/ x; Y* s$ b8 u5 V　　1.1环保特性。CO2 制冷工质属于环保型制冷工质，它的破坏臭氧层潜能值ODP=0，地球温室效应潜能值WMP=1。它不破坏臭氧层，不需回收和再生，对地球变暖的影响甚微，是较理想的天然制冷剂。

# T# `. w% T/ e　　1.2安全性。CO2制冷剂，蒸发压力大于大气压，不易使空气进入制冷系统。 CO2制冷工质的沸点为-78.4℃，4℃时的饱和压力为3.8686Mpa，属于低温制冷剂。在一般环境条件下，无毒，不燃烧，不会给人员及环境带来安全威胁。因此，可用于食品生产车间及包装间空调、汽车空调、家用及商用空调，也可用于商用和家用热泵热水器。
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　　1.3 经济性。CO2制冷工质，来源广泛，价格低廉，运行费用低。

　　1.4 CO2制冷工质的临界温度低，31.1℃，使用一般的自然工质(水或空气)冷却，不易变为液体，故一般CO2单级或双级制冷循环均为跨临界循环。

& E; b5 ^9 c$ N& b* G　　1.5 CO2制冷工质单位容积制冷量(22600KJ/m3)较大，是F22的5.2倍，有利于减少制冷系统工质的容积循环量，从而减小压缩机的尺寸，降低制造成本。

& p& t! u; F$ ~! O/ Z) I6 t% A  X　　1.6 CO2制冷工质的导热系数大，粘度低，流动阻力小，传热效率较高。压力降对系统的影响较小，在较低的流速下，可形成紊流，传热性能好，液体密度和蒸气密度的比值小，节流后各制冷回路制冷剂分配均匀，有利于提高制冷(制热)系统的经济性。

/ h$ T- p, }+ d( f* C# D# F0 p　　1.7 CO2制冷工质化学稳定性好，不含水时对金属无腐蚀作用，有利于制冷压缩机及设备的制造、安装、运行和维护。CO2与水混合时，呈酸性，可腐蚀碳钢等普通金属(不锈钢和铜除外)，当CO2含水低于8ppm时，可采用普通碳素钢。

7 i+ l0 L  ~( B　　1.8 CO2绝热指数相对较小，k=1.3，压力比小，约2.5~ 3.2，压缩机容积效率相对较高。
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　　1.9 CO2制冷工质的临界压力高，为7.372Mpa，其跨临界循环和亚临界循环的工作压力都较高，一般在3.5Mpa~7.5Mpa。因此，CO2制冷系统的压缩机、换热设备、附属设备、阀门、管路及管件的耐压强度均需满足要求，故相对投资较大。

3 E8 A# d# |5 }7 l( w7 @3 X　　2.CO2 制冷循环的应用范围
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, @3 I, t$ j7 `: X+ y  S　　CO2制冷循环适用于汽车空调，家用及商用空调;党政机关及企事业单位的热泵热水器;超市食品的保鲜储存和冷藏;食品的低温冷冻冷藏(CO2复叠式制冷系统)以及冷藏运输;也可用于地源热泵、水源热泵空调系统。
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4 H. \; s# y( M9 @8 X0 t　　3.CO2跨临界循环制冷(制热)系统原理及系统组成
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! J2 `$ Z3 l& O, e; M0 F  m, K　　3.1CO2跨临界制冷循环。在冷却介质为常温的空气和水的条件下，CO2制冷循环必须采用跨临界制冷循环。所谓跨临界制冷循环，是指CO2制冷工质由于临界温度(31.1℃)低，为使其从气体变为液体循环利用，需加压和冷却，压缩机排气压力高于临界压力，工质在超临界区定压放热，气体冷却过程是在临界压力以上依靠显热进行热交换;压缩机吸入压力低于临界压力，蒸发温度低于临界温度，蒸发吸热过程是在临界压力以下主要依靠汽化潜热进行热交换。
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% W" F2 l8 B6 _% u　　3.1.1 CO2跨临界制冷循环系统原理：低温低压的CO2制冷工质在蒸发器中吸收周围环境介质或被冷却物体的热量由液体变为低压过热蒸汽，低压的CO2蒸汽进入CO2制冷压缩机被绝热压缩为高压高温的气体，高压高温的CO2气体然后进入空气冷却器，与冷却介质进行热交换，放出热量，被定压冷却，然后进入节流装置(或膨胀机)绝热节流(或绝热膨胀)为低压低温的湿蒸汽，低压低温的CO2液体重新进入蒸发器定压吸热蒸发，使被冷却介质温度降低，制取冷量。如此往复循环，实现连续制冷。

　　3.1.2 CO2跨临界制冷循环的制冷系数ε=Q0/W0 (kw/kw)，其中，Q0---为制冷量，kw;W0---能耗，kw.，ε---制冷系数 kw/kw。
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　　3.1.3 CO2跨临界循环制冷系统主要有以下设备组成：CO2制冷压缩机、油分离器、CO2气体冷却器、节流装置(或膨胀机)、蒸发器、气液分离器(储液器)、系统管路及阀门、过滤器、高低压保护系统、电控系统(电控箱、压力温度传感器及控制器、电线电缆、仪表等)、油冷却系统和油平衡系统、冷却水系统。
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& l  Y( S  x5 [1 _　　3.2 CO2跨临界热泵循环系统原理及组成

) @/ _' R/ L7 ^* a$ R8 i　　3.2.1系统原理：低温低压的CO2液体制冷工质在室外蒸发器中吸收周围环境介质(空气或水)的热量，在定压条件下，由液体变为低压过热蒸汽，低压气体经过四通阀，进入CO2制冷压缩机，被绝热压缩为高压高温的气体，高压高温的气体经过四通阀，进入室内热交换器(风机盘管或热水器盘管)，与被加热介质(空气或水)进行热交换，定压放热，使被加热的介质温度升高，制取热量。然后，放热后被冷却的CO2高压气体进入节流装置(或膨胀机)绝热节流(或绝热膨胀)为低压低温的湿蒸汽，低压低温的CO2液体重新进入室外蒸发器吸热蒸发，变为低压过热气体，经过四通阀，再被压缩机吸入------，如此往复循环，实现连续制热。
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　　3.2.2 CO2跨临界热泵循环的制热系数μ=(Q0 + W0)/ W0 (kw/kw)，Q0---为制冷量，kw;W0---能耗，Kw.，μ---制热系数 kw/kw。
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6 k- x5 G. Q, M5 F+ L: ~　　3.2.3 CO2跨临界热泵循环系统主要有以下设备组成：CO2制冷压缩机、四通阀、油分离器、CO2室外换热器(空气冷却器)、节流装置(或膨胀机)、气液分离器(储液器)、室内蒸发器(风机盘管或热水器盘管)、系统管路及阀门、过滤器、高低压保护系统、电控系统(电控箱、压力温度传感器及控制器、电线电缆、仪表等)、油冷却系统和油平衡系统。

　　4. NH3/ CO2复叠式制冷循环系统原理及系统组成

　　4.1 NH3/ CO2复叠式制冷循环系统原理：
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　　低温级系统原理及流程：低压低温的CO2液体在低温级的蒸发器中吸收周围环境介质(或被冷却介质)的热量，变为低压过热蒸汽被CO2制冷压缩机吸入，绝热压缩为高压高温的CO2气体，高压高温的CO2气体进入蒸发冷凝器，被高温级低压低温的制冷工质氨定压冷却、冷凝为高压液体，高压液体再进入节流装置(或膨胀机)绝热节流(或绝热膨胀)为低压低温的湿蒸汽，低压低温的CO2液体重新进入低温级蒸发器定压吸热蒸发，使周围环境介质(或被冷却介质)的温度降低，制取冷量。如此往复循环，实现连续制冷。

1 \. f5 H; C4 p& X+ z　　高温级系统原理及流程：低压低温的氨液在蒸发冷凝器中吸收低温级CO2气体的热量，变为低压过热的氨蒸汽，被高温级氨制冷压缩机吸入，绝热压缩为高压高温的气体，高压高温的NH3气体再进入冷凝器，与冷却介质(空气或水)进行热交换，定压冷却、冷凝为高压氨液，高压氨液再进入节流装置绝热节流为低压低温的湿蒸汽，低压低温的氨液重新进入蒸发冷凝器定压吸热蒸发，使低温级CO2高压气体定压冷却、冷凝为液体。如此往复循环，保证低温级制冷系统连续制冷。
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　　4.2 NH3/ CO2复叠式制冷循环的制冷系数为：ε= Q0/(W1+W2) (kw/kw)
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　　其中，Q---制冷量 kw; W1---低温级压缩机能耗 kw;W2---高温级压缩机能耗 kw

　　ε---复叠式制冷循环的制冷系数，kw/kw 。
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　　4.3 NH3/ CO2复叠式制冷循环系统组成：
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8 b5 Q; l* R6 v. [7 W! `. s' N: ]9 r　　低温级CO2系统主要有以下设备组成：CO2制冷压缩机、油分离器、蒸发冷凝器、储液器、节流装置(或膨胀机)、气液分离器(循环储液器)、蒸发器、系统管路及阀门、过滤器、高低压保护系统、电控系统(电控箱、压力温度传感器及控制器、电线电缆、仪表等)、油冷却系统和油平衡系统、膨胀稳压装置。

" }% M+ ]: M: Y3 ^　　高温级NH3系统主要有以下设备组成：氨制冷压缩机、油分离器、冷凝器、储液器、节流装置、气液分离器(循环储液器)、蒸发冷凝器、系统管路及阀门、过滤器、高低压保护系统、电控系统(电控箱、压力温度传感器及控制器、电线电缆、仪表等)、油冷却系统和油平衡系统、放空气器、冷却水系统。
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1 K( I& c" m+ [, r　　5. CO2制冷循环的节能措施
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　　5.1 采用回热循环。CO2跨临界循环，在系统中增加一个气气热交换器，使节流装置(或膨胀机)前的高压气体降低温度，提高吸入气体的温度，减少有害过热，减少节流后湿蒸汽中的无效气体含量，降低节流过程的不可逆损失，增加单位制冷量，提高制冷系数，同时可改善制冷压缩机的润滑条件。
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　　5.2 在回热循环的基础上，采用双级压缩。虽然CO2回热循环能提高单位制冷能力，但压缩机的排气温度上升，而采用双级压缩，可减少吸排气压力比，降低压缩机的排气温度，降低压缩过程的不可逆损失，提高制冷系统的经济性，还能改善压缩机的运行条件，保证压缩机安全运行。

　　5.3 采用膨胀机代替节流阀的CO2双级压缩制冷循环。在CO2双级压缩制冷循环的低压级中，用膨胀机代替节流装置(热力膨胀阀等)，可以回收膨胀功，减少节流不可逆损失，提高制冷系统的经济性。天津商业大学等单位已经研究出CO2膨胀机，用于实验装置。
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　　5.4 在CO2跨临界制冷循环中，用电子膨胀阀代替手动节流阀或热力膨胀阀，可以精确的控制蒸发器出口的过热度，既可保证压缩机安全运行，又可减少手动节流阀或热力膨胀阀对过热度控制精确度差带来的损失，提高制冷系统的经济性和运行稳定性。有资料报道，电子膨胀阀代替热力膨胀阀，可以提高制冷系统的制冷系数10%~30%。电子膨胀阀由膨胀阀、驱动器、过热度控制器组成。比较好的品牌有丹佛斯和意大利的CAREL。
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* C' f0 V) h/ p; R& `- I$ z* r　　5.5 采用并联螺杆机组的准双级压缩制冷循环。在CO2跨临界制冷循环中，在压缩机的吸气管路上增设回热器，采用并联半封闭螺杆制冷压缩机组，可利用螺杆压缩机压缩过程中的补气功能，在储液器的出液管路上增设节能器，降低节流装置前高压工质的温度，提高制冷系数。同时，并联机组可根据制冷系统负荷大小，通过控制器自动控制压缩机的启停台数，也有利于制冷系统节能运行。

　　5.6 CO2跨临界循环高低压压差大，节流损失大，在回热循环的基础上，带喷射器的CO2跨临界循环，有利于减少节流损失。据悉，浙江大学已经研制出用于CO2热泵热水器的喷射器，可提高热泵系统的经济性。

　　5.7 在回热循环的基础上，采用并联机组，设置一个或数个中温蒸发器和低温蒸发器，即可满足用户用一套机组为不同蒸发温度的设备提供冷源的要求，也有利于制冷系统根据负荷变化自动调整机器的运行台数，实现节能运行。

　　5.8 CO2跨临界制冷系统运行管理中，适度提高蒸发器的蒸发温度，避免蒸发温度过低，努力降低气体冷却器出口的温度，减小换热器的换热温差，均有利于提高系统的制冷系数。CO2制冷循环与地源热泵、水源热泵和太阳能热泵系统相结合，更有利于节能。
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- f( \5 J6 d- D9 s! A! s　　5.9 CO2制冷系统的制冷压缩机、冷却水泵和风机采用直流变频技术和PLC可编程控制技术，有利于系统节能运行。采用液泵供液系统、满液式蒸发器、蒸发式冷却(凝)器和微通道换热器，有利于强化换热，提高系统的经济性。
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2 u; e- y& Q3 B; `　　6. CO2制冷循环应用注意事项

) P4 S2 A" W; c. e　　6.1 CO2制冷系统的设计、安装应由有资质的设计、安装单位及人员承担。制冷系统的设计、安装应符合制冷工艺要求并有利于系统回油。

# R9 Z! \' e. O& R　　6.2 CO2跨临界循环，工质的工作压力高，故要求制冷压缩机、蒸发器、气体冷却器、节流装置、附属设备及管路阀门需承受较高的压力，在选用机器设备、管路阀门等材料时，必须满足设计要求。
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$ M( f* P, k0 c5 a- S　　6.3 对人体的危害。一般情况下，CO2气体少量泄漏，不会造成人身伤害，但是，当CO2气体在空气中的含量大于2%时，会伤害人的呼吸器官，甚至引起窒息死亡。因此，CO2制冷系统应防止泄漏，制冷系统的设计、安装、试压试漏、排污、抽真空、灌注制冷剂、试运行均应由有资质的人员严格按设计要求进行。运行管理和操作人员应经过技术和安全培训合格，并按操作规程操作。
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　　6.4 CO2制冷压缩机的冷冻油应按制造厂规定，选用跨临界循环专用油。制冷系统应设油冷却装置，一般情况下，油温应高于30℃，低于65℃。并联机组应设计、安装好油平衡系统。

: V  x+ K9 s$ O2 j$ d) L8 c6 r　　6.5 CO2跨临界循环系统，安全阀的设定压力为：高压16.3Mpa, 低压10Mpa。
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　　6.6 复叠式CO2制冷系统的低温级应设置膨胀稳压装置，以防停机后压力过高引发事故。

2 T3 T) q8 u( o2 t7 a/ A, g! n　　6.7 当蒸发温度低于-35℃时，CO2复叠式制冷系统较双级压缩制冷系统节能效果好，且蒸发温度越低，节能效果越好;当蒸发温度高于-35℃时，双级压缩制冷系统较CO2复叠式制冷系统节能效果好。

4 \; A+ m# ^6 W/ U& M# G2 f　　6.8 CO2复叠式循环的低温级吸气过热度10℃~15℃为宜，蒸发冷凝器中高温级的蒸发温度应低于低温级的冷凝温度3℃~5℃，高温级在蒸发冷凝器中的制冷量应与低温级的排热量相匹配。
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6 }, e7 n4 \/ Q9 l* g4 e5 U0 l) Z$ a　　6.9 CO2制冷剂压缩量小，可采用两极电机(转速2900rmp)，与R22相比，相同规格的压缩机可得到双倍的排气量，压缩机的性价比高。
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* v! u7 w! n8 B$ K+ @1 z　　6.10 CO2制冷系统应定期清洗、更换干燥过滤器，应按计划进行大、中、小修，并保持运行和维修记录，以便改进运行管理及维修工作。
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　　6.11 CO2制冷系统的压力容器、压力管道及安全阀应按法规规定管理，建档、定期检定并保持记录。
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　　6.12 CO2 双级压缩低压机吸气过热度一般取15℃，中间压力取冷凝压力与蒸发压力的比例中项，即：Pzj=(Pk×P0)1/2 其中，Pzj---中间压力，Pk ---冷凝压力，P0---蒸发压力。

　　6.13 NH3/ CO2复叠式制冷系统开停机程序：开机时，必须先开高温级压缩机、设备及有关阀门，运行正常后，再启动低温级压缩机、设备及有关阀门;停机时，应先停止低温级压缩机、设备及有关阀门，然后，适度降低低温级系统压力后，再停止高温级压缩机、设备及有关阀门。

　　6.14 NH3/ CO2复叠式制冷机紧急停机程序：如果遇到紧急情况需立即停机时，应首先切断低温级压缩机电源，再迅速切断高温级压缩机电源，然后，调整系统其他设备及有关阀门。

7 ]+ P1 C+ Y0 [+ b: \" k( J　　6.15 CO2双级压缩制冷系统开停机程序：开机时，必须先开高压机、设备及有关阀门;运行正常后，再启动低压机、设备及有关阀门;停机时，应先停止低压机、设备及有关阀门，然后，适度降低系统压力后，再停止高压机、设备及有关阀门。

　　6.16 CO2双级压缩制冷系统紧急停机程序：如果遇到紧急情况需立即停机时，应首先切断低压机电源，再迅速切断高压机电源，然后，调整系统其他设备及有关阀门。

. T( P1 X0 ?. A. L  J) \5 ^　　6.17 CO2制冷系统冬季停机，应放净机器、设备及管路中的冷却水，以防冻结、损坏设备。制冷压缩机开机前，应先预热机器中的冷冻油。
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% ~; |* {/ ?0 b+ q* b$ l9 C' p, K　　6.18 CO2制冷系统应设置不凝性气体排出装置，并定期检查、排除不凝性气体。

. {9 N/ A+ b" a' C　　6.19 CO2为工质的地源热泵和水源热泵空调系统，开机时，应先启动冷却水系统和冷冻水(热水)系统运行，然后，再启动CO2制冷(制热)系统运行;停机时，应先停止CO2制冷(制热)系统运行，然后，再停止冷冻水(热水)系统和冷却水系统运行。冬季停机，应放出制冷(制热)系统的水，或采取其他有效措施，以防设备及管路冻结。
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　　6.20在超临界压力下，CO2温度和压力是独立的参数，它们均影响气体冷却器出口CO2的焓值。改变排气压力，会影响制冷量、耗功及制冷系数。对应于制冷系数最大时的排气压力为最优压力Pout，当不考虑吸气过热时，其半经验公式为：Pout=(2.778-0.015t0)t3+0.381 t0-9.34

　　其中，Pout---最优排气压力 100kpa，t0---蒸发温度 ℃，t3---气体冷却器出口温度 ℃。

　　参考资料:
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　　【1】 《制冷技术及其应用》彦启森主编，中国建筑工业出版社 2006.6第一版。

　　【2】 《中国制冷简报》中国制冷学会主编，2009.5总第37期。
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