二氧化碳气制冷回环的践行和探讨进境

二氧化碳系统循环原理图压焓图温熵图1-压缩机入口2-压缩机出口3-气体冷却器出口4-节流阀入口5-蒸发器入口6-蒸发器出口tfi-冷水入口温度tfo-冷水出口温度tci-冷却水入口温度tco-冷却水出口温度超临界二氧化碳循环的压焓图及温熵图超临界的CO2制冷循环实际上是一种气相循环。CO2相对于传统的制冷剂的绝热指数较高，使得压缩机的排气温度偏高，同时低压侧的压力P0也相对较高，使压缩机的压比Pk/P0相应的比采用传统的制冷剂要低，从而可以提高压缩机的效率。

由于系统压力较高，泄漏损失对压缩机效率的影响增大，因此CO2压缩机一般采用蜗旋式压缩机，蜗旋式压缩机没有吸、排气阀，在高速运行时压力损失较小。

超临界CO2制冷循环的COP值受压缩机的压比、气体冷却器出口温度及蒸发温度的影响。为了提高系统的COP值，出气体冷却器后的高压气体在内部热交换器中仅一步冷却，以减少节流损失。

当蒸发温度、气体冷却器出口温度保持不变时，系统的COP值随着压缩机压比的变化必然存在着*大值点。为COP值与压缩机压比关系曲线图。

超临界CO2循环的COP与传统的制冷循环相比较，超临界CO2制冷循环*大的特点就是工质在气体冷却器中分别在亚临界区、超临界区进行，冷凝和蒸发过程中制冷工质均成气体状态。

超临界CO2制冷技术的应用在汽车空调中的应用为了防止CFCs对大气层臭氧的破坏，汽车空调用制冷剂在1994年年底以前就完成了由R12向R134a的转换，但是R134a的GWP（地球温室效应系数）较高，因此CO2、氨、碳氢化合物等自然工质受到人们的关注。由于氨有毒，碳氢化合物易燃，不宜于在运输工具中使用，因此，近几年来在汽车空调系统中展开了以CO2为替代工质的研究开发。

在汽车空调超临界CO2制冷系统领域，由挪威SINTEF研究所的GLorentzen等人率先发起，他们从理论和实验两个方面进行了全面的研究，样机实验得到了良好的结果。德国Kassel大学的CWJKohler和美国伊利诺伊大学的CWBullard等人开展了CO2工质汽车空调和热泵应用的研究，建立了相应的汽车空调试验台，在综合考虑了安全性、可靠性和制冷效率后，他们认为超临界CO2制冷循环系统将是21世纪汽车空调**可选的可靠系统。

在复叠式制冷系统的应用超临界CO2循环制冷系统存在着COP值过低的问题，而要采用亚临界CO2循环就必须降低冷凝温度。要解决这个问题，可以采用复叠式制冷系统，在复叠式系统中，CO2作为低压级循环的制冷剂，高压级用NH3。欧洲在超市中已建立了几个用CO2作低温制冷剂的复叠式制冷系统，系统的原理见图5.

NH3/CO2复叠式低温制冷系统原理图采用CO2作为复叠式制冷循环的低温级制冷剂有许多优点：其一，CO2在蒸发温度为-50以下时仍有足够的蒸发压力，可以满足目前食品低温保存的要求，而且蒸发器内不会产生负压；其二，与其它的低温制冷剂相比，即使处于低温状况，CO2的黏度也非常小，传热性能良好，因为利用其潜热吸热，制冷能力大；其三，NH3、CO2都是天然工质，对环境的影响小，解决了工质替代的问题。

在热泵型热水器中的应用在传统制冷剂循环系统中，冷凝器的放热往往直接排放掉，而在超临界CO2热泵循环系统中，由于CO2在气体冷却器中有较大的温度变化，正好适合于水的加热，从而使热泵的效率较高。该领域的研究同样由挪威SINTEF研究所的PNeksa等人率先开展研究，他们对系统的设计进行了理论和实验研究。为其实验室的一个实验模型。

德国FKW制冷热泵研究中心的HKruse和荷兰TNO环境科学研究所PAOstendorp等人对超临界CO2循环热泵在供热系统中的应用前景进行了分析与讨论，并认为超临界CO2热泵循环不仅能有效减少CO2的排放，而且热泵性能也较高，具有广阔的应用与开发前景。

发展前景与研究重点发展前景随着人们对环保问题日益重视及京都议定书的实施，各国科学家都在积极开展CFCs、HCFCs制冷剂替代工质的研究。CO2作为一种天然制冷工质，其对大气臭氧层没有破坏作用，对地球温室效应影响很小，被认为是替代CFCs、HCFCs**工质。超临界CO2制冷循环在汽车空调、热泵供热、食品储藏和传播制冷领域的应用价值在国际上得到了广泛的认可，因此超临界CO2制冷技术必将有广阔的发展前景。

研究的重点由于超临界CO2的固有特性，其工作压力高，CO2压缩机和换热器的工作特性设计原则以及制造加工等与常规压缩机和换热器有所不同。因此需要在以下几个方面加大研究与开发力度：（1）CO2制冷系统流程研究；（2）超临界CO2循环系统节流相变机理的研究；（3）提高超临界CO2循环效率的方法；（4）还需要进一步在压缩机、换热器的小型化，减少系统重量以及可靠性、安全性等方面进行改进；（5）由于CO2系统的高压，高压带来的系统部件和管材的选择如何保证安全性；（6）开发出适合超临界CO2制冷系统的润滑油。