CO2制冷剂的特性与应用

王 铁

（大连新明华电子科技有限公司 大连 116630）

引言

制冷剂的选择对制冷系统尤为重要。选择制冷剂时须考虑性能、安全性、可靠性、环境友好性和成本等因素。其中，最主要的因素是安全性、可靠性和环境友好性。二氧化碳是一种常见的自然工质，对环境没有损害，消耗臭氧潜能值（ODP）为0，全球变暖潜能值（GWP）为1，无毒且不可燃，二氧化碳的密度比空气高，在制冷方面二氧化碳工质较传统工质有优势，但在安全方面也存在一些问题。

1 CO2制冷剂的发展与特性

CO2作为最早的制冷剂之一，在19世纪末到20世纪30年代得到了普遍的应用，到1930年，80%的船舶使用 CO2制冷剂，但由于当时采用的CO2亚临界循环系统效率低，同时，氯氟烃（CFCs）制冷剂的出现，导致了CO2制冷剂使用的下降，最终在20世纪50年代，CO2制冷系统被完全淘汰[1]。

在20世纪80年代末发现合成制冷剂的不良影响后，人们对CO2重新产生了兴趣。CO2制冷在住宅和商业建筑的空调系统中得到了广泛的应用。总之，目前正在研究的CO2制冷有许多应用潜力，其中大部分是很有前景的。

1.1 CO2跨临界循环

以CO2为制冷剂的跨临界循环的高压排热过程具有较大的温度滑移，可以更好地与水的温升过程相匹配，使其非常适合应用于热泵热水器中[2]。与其他对流制冷剂相比，CO2制冷剂跨临界运行的温度范围最高，即（-50 ～120）℃[3]。跨临界循环的唯一缺点是高压。CO2的临界压力是73.7 bar。如果CO2经过一个跨临界循环，那么它的高压将超过73.7 bar，这是相当高的。这就需要一个能够耐受如此高压力的设备。高压有其自身的优点（如设备和设计紧凑）和缺点（昂贵的设备和安全问题）。然而，随着当前技术的进步，这种压力并不是一个大问题。

1.2 热物理性质

高压特性意味着CO2设备部件可以设计成更小的尺寸，同时CO2具有非常低的粘度，即使在很小的流速下也能达到雷诺数，这意味着CO2大多数流动是紊流，传热率很高。当换热率较高时，换热器的尺寸可以大大减小，以达到同样的换热量。压缩机的尺寸也可以减少。尽管CO2跨临界循环压力高，但与其他制冷剂相比，高压和低压之间的比率很低。这样与相同容量的对流制冷剂的压缩机相比，CO2压缩机的整体尺寸更小。

1.3 安全性

一般情况下，CO2被认为是无毒的，但当浓度超过2%时会产生危害。CO2是无色无味的，所以不容易被发现，因此，在通风不良的场所中，应安装CO2探测器。且由于CO2的密度比空气高，容易占据较低的区域，因此在不通风的房间中泄漏更致命。所以，探测器应安装在靠近地面的位置。

除了毒性问题外，CO2设备中由于操作压力引起的爆炸也是一个安全问题。爆炸造成的震动和飞溅的碎片可能会造成伤害。所以CO2设备的安全设计应注意以下5点：

1）设备在高压侧和低压侧都应有一个超压释放阀。

2）部件应在正常工作压力和温度的两倍（或更多）的情况下进行压力测试。

3）压力测试应包括其他操作影响，如由于压力循环、蠕变、振动和腐蚀(特别是在存在水的情况下)造成的疲劳。

4）所有部件的设计压力和温度都应该达到系统在静止状态下可能遇到的最高压力和温度（包括安全系数）。

5）当考虑系统的大小与所涉及的压力时，CO2系统的相对爆炸能量与对流系统的近似相同。这主要是因为对于相同能力的系统而言，CO2系统拥有更小的系统尺寸和更少的费用。

2 CO2的应用

2.1 水源热泵

生产热水是CO2热泵的最佳应用，因为跨临界循环的温度滑移大，与水的温升过程相匹配，热泵是水加热的最优方式，政府和其他注重能源效率的机构正在大力鼓励热泵的使用。与电加热相比，热泵可以减少67%的能源使用，与燃料加热相比会更多。

在住宅中，由于热水是最高的使用能源之一，加上环境和能源效率的优势，CO2热泵技术有很大的未来前景。

2.2 汽车空调

CO2制冷系统在汽车空调领域也有较大的应用前景。CO2系统紧凑及传热性好，适用于设备空间有限及对能源效率要求高的汽车空调领域。汽车空调消耗的制冷剂占全球制冷剂的31%，总计超过15万吨/年。同样，汽车空调泄漏率最高[4]。所以对CO2的更改将是非常有利的。最近的研究表明，随着氢氟碳化物的逐步淘汰，CO2系统与常用的HFC系统相比具有优越性，CO2是汽车空调的最佳选择。

由于CO2系统是比较新的，所以汽车空调系统容易出现更多的维护问题。所以需要合格的技术人员来处理这项新技术。由于重量和空间要求有限，再加上汽车的空调系统和其他电气和机械系统的集成，这项技术在车辆中变得更加复杂。在CO2汽车空调被完全接受之前，这些问题以及其他一些小的经济问题都需要得到解决。此外，蒸发器上的结霜问题也没有得到有效解决。尽管存在这些挑战，CO2仍被证明是一种理想的制冷剂，能够立即提供高温热量，同时需要更少的空气来传递热量。这使得复杂的汽车环境控制成为一个研究热点[5]。

2.3 商用制冷

商用制冷是零售商店用来陈列、保存或准备的方便顾客购买食品和饮料的设备。这些设备包括超级市场的冷藏展示柜、冷藏自动售货机、饮水机及制冰机。商用制冷消耗的制冷剂占全球制冷剂的28%，是全球第二大制冷剂应用领域。这使得它成为进入环境的制冷剂的最大排放者之一，约占全球排放量的37%。2002年，商业制冷导致超过18.5万吨制冷剂泄漏到大气中[6]。此外，这一领域的能源利用通常非常高，因此需要有效的制冷系统。研究表明，CO2的相关成本和能耗与其他制冷系统不相上下。实际上，有人认为CO2系统是未来的主导技术，因为它们具有良好的热物理和安全性能。

CO2技术甚至被用于独立的瓶装冷却器和冷热自动售货机。轻商业领域的主要投资指向CO2技术，在世界范围内有超过85 000个装置在运行[7]，这些自动贩卖机大多利用跨临界循环。

2.4 家用空调

由于对家用空调设备的高需求和对HFC替代品的要求， CO2家用空调一直是研究机构和工业研究的重点。家用空调机组的年需求量超过4 000万台，在大多数居住区市场需求预计还会进一步增长[4]，空调是仅次于热水器的第二大能源消耗。在这种应用中，对环境影响的关注点更多地集中在能源使用引起的排放问题上，而不是制冷剂泄漏的直接影响。因此，能源效率是至关重要的[5]。CO2在固定式空调系统中的应用取得了良好的效果。采用单向制冷剂回路的机组工作可靠且效率更高。

2.5 冷藏运输

由于CO2设备具有高效、可靠和紧凑的特点，使得CO2制冷系统在冷藏运输领域得到大力推广，在冷藏运输领域 CO2制冷系统被认为是HFC制冷系统的替代品。冷藏运输方式包括易腐货物卡车、公共和货物火车和船舶。相对较高的密度和容量是CO2在冷藏运输领域的另一个优势。

3 CO2的未来应用

CO2制冷的潜力远比上面讨论的应用更广泛。专家认为，尽管CO2是目前使用范围最广的天然制冷剂，但作为一种制冷剂，即使在制冷行业之外，它也有占领更多市场的潜力[4]。CO2作为制冷剂的一些未来潜在用途是信息技术（IT）设备冷却、工业热泵和工业废热回收。

3.1 信息技术设备冷却

随着对随时随地向任何人提供信息的需求的增长，对高性能数据中心的需求也在增加。要做到这一点，就需要高密度的数据存储和处理环境，并且必须有一个有效的制冷系统，以确保工作环境不会过热，并确保信息的平稳运行和流动。因此，一个具有高COP和自动控制的高效冷却系统对于节能和数据中心的平稳运行至关重要。与传统的水基系统相比，CO2是电良性的，因此CO2冷却系统可以有效、可靠地提供吸热过程，而不会干扰IT设备。CO2冷却系统的另一个优点是其紧凑性，便于与IT设备和周围结构的集成。此外，它是余热回收的一种形式，有可能同时加热和冷却[4]。

3.2 工业热泵

CO2可以用于回收有用的余热，同时为作业过程提供低温热（高达130 ℃）。因此，CO2热泵在工业领域的应用具有节能和良好的应用前景。同时在纺织品洗涤、食品和化妆品生产设施的洗涤等领域也具有良好的应用前景。因为洗涤所用的热水可以很容易和高效地由CO2热泵提供。

3.3 工业废热回收

许多工业过程产生的热量由于不能被有效地重复利用而作为废物释放到环境中。这种废热可以有效地应用在CO2热泵领域，这种余热回收可以减少产生热水的能源成本。此外，该行业将通过满足有关释放到环境中的废物的温度规定来减少废物处理，并在提供有用的热量的同时减少废物的支出。

4 结论

从CO2作为一种制冷剂的历史背景出发，探讨了CO2在制冷工业中影响其性能的具体特性。由于其优越的性能，特别是在制冷方面，我们相信CO2将在未来制冷技术的许多应用中占据主导地位。