二氧化碳跨临界循
环制冷
CO2作为制冷剂的应用历史
?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
船舶采用CO2制冷。
?但由于当时采用的CO2亚临界循环制冷效率低，特
别是当环境温度稍高时，CO2的制冷能力急剧下降，且功耗增大。
?同时，以R12为代表的CFC或氟氯烃制冷剂的出现，以其无毒、不可燃、不爆炸、无刺激性、适中的压力和较高的制冷效率等特点，很快取代了CO2在安
全制冷剂方面的位置。
?近年来，制冷剂对臭氧层的破坏和全球温室效应等环保问题日益突出，而CO2跨临界制冷循环的提出，CO2作为制冷剂开始重新得到重视
?该循环系统的最大特点就是工质的吸、放热过程分
别在亚临界区和超临界区
进行。压缩机的吸气压力
低于临界压力，蒸发温度
也低于临界温度，循环的
吸热过程仍在亚临界条件
下进行，换热过程主要是
依靠潜热来完成。但是压
缩机的排气压力高于临界
压力，工质的冷凝过程与
在亚临界状态下完全不同，
换热过程依靠显热来完成。
CO2作为制冷工质的优缺点
优点
?良好的安全性和化学稳定性
?具有与制冷循环和设备相适应的热物理性质?CO2优良的流动和传热特性
?CO2制冷循环的压缩比较常规工质制冷循环低缺点
?运行压力高
?循环效率低
带回热器和不带回热
器的CO 2跨临界单级循环进行理论分析和实验性能测试
2
?典型的CO2跨临界单级循环主要由压缩机、气体冷却器、节流阀和蒸发器组成．图1和图2分别给出了
CO2跨临界单级循环原理图和细
图．图l中：低压气态制冷剂经压
缩机被压缩成高压气态制冷剂(过
程l一2)，经气体冷却器进行定压放
热(过程2—3)，然后经节流阀进行节流降压(过程3—4)，低压液态制冷剂在蒸发器内进行定压吸热(过
程4一1)，最后回到压缩机，从而
完成一个循环．
2
?制冷循环增设回热器，可以减小节流损失、
增大制冷量，从而提
高系统性能．图3和图4分别给出了带回热器
的CO2跨临界单级循
环原理图和细图．
两个循环性能对比分析?图5给出了两个循环COP
随蒸发温度的变化．随着
蒸发温度的增加，两个循
环COP均呈增加趋势，蒸
发温度越高，系统性能越
优；
?在整个蒸发温度变化范围
内，带回热器循环平均性
能要比不带回热器循环提
高4．55％左右；
?对于理想压缩机循环，系
统性能要比实际循环性能
高33．3％以上，但这种
理想循环是不存在的．
?图6给出了两个循环COP 随气体冷却器出口温度的
变化．
?随着气体冷却器出门温度的增加，两个循环COP均呈下降趋势，温度越高，
系统性能越差；
?在气体冷却器出口温度变化范围内，带回热器循环
平均性能要比不带回热器
循环提高5．23％左右．
?两个循环COP 随压缩机排气温
度的变化，见图7．
?在排气温度变化范围内，相同对比条件下，带回热器CO 2跨
临界单级循环系统COP 要高于
不带回热器循环，且带回热器单级循环排气温度要稍高些．
?无论带回热器还是不带回热器
循环，随着压缩机效率提高，系统COP 均变大，压缩机排气
温度均有所降低，不带回热器
循环降低幅度较大．
?由图7还可以看出，两个单级循
环都存在一个最优排气温度，
使得在此温度下系统COP 最大，
带回热器循环对应最优排气温
度要高于不带回热器循环最优排气温度．
结论
?(1)在蒸发温度变化范围内，带回热器循环平均性能要比不带回热器循环提高约4．55％；在气体冷却器出口温度变化范围内，带回热器循环平均性能要比不带回热器循环提高约5．23％；相同对比条件下，带回热器CO
跨临界单级循环系统COP高于不
2
带回热器循环的，且带回热器单级循环最优排气温度稍高些．
?(2)两种单级循环的制热量、制冷量、制热COP和制冷COP，均随压缩机排气压力增加存在极值；随冷却水流量、冷冻水流量以及冷冻水进口温度增加而增加，随冷却水进口温度增加而下降．
?(3)相同测试工况下，带回热器循环系统具有较高的性能．其中，制热量和制冷量分别比不带回热器的单级循环平均高约3．33％和5．35％，制热COP和制冷COP分别提高约11．36％和14．29％．
CO2跨临界循环的应用前景与研究
进展
?1、汽车空调
?2、热泵
?3、食品冷藏
?4、循环系统关键设备的研究进展
?1、汽车空调
?过去汽车空调中一般使用CFC12作为制冷工质，这使得汽车空调制冷剂的排放量在所有氟利昂的排放中占有相当大的比例。为防止对臭氧层的破坏，1994年底，我们开始用HFC134a替代CFC12。但是，1997年的京都会议中，包括HFC134a在内的6种气体都被认定为温室效应气体。?直到20世纪90年代，CO2逐渐得到了重视，由于它的诸多优点，它已经被诸多国家作为汽车空调制冷剂进行研究。
?1992年挪威大学的L 和P 等人率先提出了CO 2跨临界循环理论，并成功的试制了世界上第一台轿车空调系统样机。?德国K 大学的K 等人开展了CO 2工质汽车空调和热泵应用的研究。他们研究后认为CO 2跨临界循环系统将是21世纪汽车空调中唯一可选的可靠系统。
?美国伊利诺伊大学空调制冷中心的C W Bullard 等人，建立了相应的汽车空调试验台，对系统中回热器的特性及布置特点等进行了研究，并与其他代替工质R134a ，R410a 等进行了比较，得到了较好的结果。
?此外，丹麦的J Holst 等人、美国Purdue 大学的M R Douglas 、Maryland 的YunhoHwang 等人、德国Dresden 大学的H Quack 等人分别对CO 2跨临界循环系统的调节部件、系统中设置膨胀机的特性进行了研究，都表明CO 2跨临界循环用于车辆空调，不仅具有环境方面的优势，而且系统效率也有提高的潜力。
?
?上海交通大学黄东平等建立了超临界CO 2汽车空调循环计算模型，对CO 2汽车空调制冷循环进行了变工况分析，表明压缩机转速越高或气体冷却器空气金控温度越高，CO 2汽车空调工况越恶劣，COP 值越低。?上海交大陈平江等利用热力学方法对跨临界CO 2系统的排气压力和吸气回热大小进行了优化计算，在此基础上，研制了CO 2压缩机、换热器、贮液器、管组并开发了专用的焓差法试验台。
?2004年12月，有上海交大陈平江教授、陈芝久教授带领的项目组参加的国家级技术创新项目--CO 2汽车空调压缩机及系统开发通过鉴定，该项目的主要研究成果为：成功研制了国内第一套CO 2汽车空调系统样机、测试设备，完成了该样机的实车运行，该项目填补了国内空白。
单一C02跨临界压缩机运行制冷技术简况 技术优势： 该循环系统的最大特点就是工质的吸、放热过程分别在亚临界区和超临界区进行。压缩机的吸气压力低于临界压力，蒸发温度也低于临界温度，循环的吸热过程仍在亚临界条件下进行，换热过程主要是依靠潜热来完成。但是压缩机的排气压力高于临界压力，工质的冷凝过程与在亚临界状态下完全不同，换热过程依靠显热来完成，此时高压换热器不再称为冷凝器，而称为气体冷却器。 在以空气为热源、热汇的制冷和热泵系统（主要是汽车空调以及家用空调）中，CO2循环在跨临界条件下运行，其工作压力虽然较高，但压比却很低，压缩机的效率相对较高；流体在超临界条件下的特殊热物理性质使它在流动和换热方面都具有无与伦比的优势，超临界流体优良的传热和热力学特性使得换热器的效率也很高，这就使得整个系统的能效较高，完全可与传统的制冷剂（如R12、R22等）及其现有的替代物（如R134a、R410A等）竞争。加上CO2在气体冷却器中大的温度变化，使得气体冷却器进口空气温度与出口制冷剂温度可能非常接近，这自然可减少高压侧不可逆传热引起的损失。由于CO2的临界温度低，为31, ℃因此, 制冷循环采用跨临界制冷循环时，其排热过程不是一个冷凝过程，压缩机的排气压力与冷却温度是两个独立的参数，改变高压侧压力将影响制冷量、压缩机耗工量及系统的COP。研究分析表明，高压侧压力变化时，循环的COP 存在着一个最大值，因此，CO2跨临界制冷循环在对不同工况下，存在对应于最大COP 值的最佳排气压力。 CO2 在气体冷却器中较大的温度变化，正好适合于水的加热，从而使热泵的效率较高。 传统空调系统大多把冷凝热当作废热而直接排向大气，既造成能量的浪费又产生环境的局部热污染。而对跨临界循环,由于超临界区工质密度在不断增加，循环的放热过程必将有较大的温度滑移，这种温度滑移正好与所需的变温热源相匹配，是一种特殊的劳伦兹循环，其用于热回收时，必将有较高的放热效率，因而用于较高温度和较大温差需要的热回收时具有独特的优势。 优点： （1）安全、环保、无污染； CO2 作为制冷剂其优点在于，无毒，没有可燃性，价格便宜、来源丰富、无须回收，与普通润滑油相溶，容积制冷量约是R22 的5 倍，CO2 是唯一同时具有优良的热力特性、安全特性和环境特性的自然工质。 制冷系统蒸发器采用顶排管，冷凝方式采用植入式地源冷凝技术。 （2）节能（以每立方米容积年耗电量计算）：我国年平均耗电量为130度左右，先进发达国家年耗电量为60多度，而该冷库年耗电量仅6度左右。 （3）库温稳定：该冷库温差波动在±0.5度波动，将大大提升冻品的储藏品质，延长食品的实质质保期。 （4）机房占地面积小。 应用： 经过调查，北京市京科伦工程技术有限公司、北京市京科伦冷冻设备有限公司近年来多次承办智能立体库、速冻隧道等项目，工程项目遍布全国的22个省份的40个多城市，项目合作企业包括双汇、金锣、雨润、思念、三全、惠发等中国知名企业，所承担的项目均达到或超过了设计要求。
2014年11月 CBZYJY 第2卷第6期 23 船舶职业教育 （渤海船舶职业学院，辽宁兴城125105） 跨临界二氧化碳循环设备及性能分析 摘要：CO 2作为制冷剂具有良好的特性。基于此，在掌握压缩机内部结构及跨临界CO 2循环影响 因素的基础上，将跨临界CO 2循环与R134a 循环进行性能比较，得出在双级压缩中使用中间冷却器可 降低排气温度，同时作为膨胀装置的毛细管能使工作稳定，即采用滚动转子式二级CO 2压缩机、中间冷却器和毛细管节流，可获得高效跨临界CO 2制冷循环。结果表明，跨临界CO 2循环具有比R134a 循环更优异的性能。 关键词：CO 2跨临界循环；制冷剂；毛细管；双级压缩 中图分类号：TB64 文献标识码：A 文章编号：2095-5928（2014）06-23-05 收稿日期：2014-09-25 作者简介：徐化冰（1971-），男，辽宁铁岭人，讲师，硕士，研究方向：制冷与冷藏技术。 徐化冰 Trans-critical CO 2Recycle Unit and Performance Analysis Abstract:CO 2as refrigerant has satisfactory performance.Therefore,based on the internal structure of compressor and the influence factors of trans-critical CO 2recycle,the researcher makes performance comparison between trans -critical CO 2recycle and R134a recycle,obtaining the conclusion that in the two -stage compression,it can reduce the exhaust temperature to use intermediate cooler,and at the same time,the capillary as the expansion device can make the work stable.That is to say,it can make efficient trans-critical CO 2refrigeration recycle to use rolling piston two -stage CO 2compressor,intermediate cooler and capillary restriction.The results show that trans -critical CO 2recycle has more excellent performance than R134a recycle. Key words:trans-critical CO 2recycle;refrigerant;capillary;two-stage compression XU Huabing (Bohai Shipbuilding Vocational College,Xingcheng 125105,China) 0引言 近年来，由于全球环境问题，对自然工作流体的使用正变得越来越重视。跨临界CO 2循环被认为是最具影响力的。作为制冷剂的CO 2具有非常好的特性，如非消耗臭氧潜能值、可以忽略不计的GWP （ 一种物质产生温室效应的一个指数）、不可燃性和非毒性等。尽管有工作压力高的缺点，但近年来还是有很多学者对此进行了深入研究。 利用二氧化碳作为制冷剂，可在许多应用中提供一个完全安全的、经济的、成本低的且有效的“自然”解决方案。CO 2作为低温制冷循 技术研究与应用
CO2跨临界（逆）循环的热力学分析 时 第19卷第6期工程热物理 1998年11月JOURNALOFENGINEERINGTHERMOPHYSICS ,r0l19.NO6 NOV..1998 CO2跨临界(逆)循环的热力学分析6I\ 马一太√吕灿仁 (天津大学热能研究所天津300072) 关键词co(R744),跨临界循环,热泵,回热器,膨胀机冉1)f乏未●.'...'.....…_..'一- 1前言 世界各国开展了寻求CFC和HCFC替代物的广泛研究.到目前这项研究已有了实质性的进展.主要提出了包括R134a在内的若干HFC及其混合物来替代R12,1%502和 R22等,并且已开始商业化生产.但人们已发现这些新工质并没有达到"长期"替代物 的要求,大部分HFC都有较高的温室效应和某些缺陷.随着世界范围制冷空调技术的应 用和发展,对各种制冷工质的需求量逐年上升,每年达到数十万吨的消耗量,其中绝大 部分将扩散到大气中去.这些物质的寿命或长或短,都会增加温室效应,或分解产生其 它的副作用.人类大规模生产地球上本来不存在的气态物质,最终要破坏地球的生态平 衡. 作为制冷剂,在上世纪末至本世纪三十年代前CO2(R744),氨(R717),SO2(R764),
氯甲烷(R40)等曾被广泛应用.由于上述除CO2之外的工质都有毒性或可燃性,无毒不 燃的CO.在民用制冷和船用制冷等方面有其不可替代的优势. 据文献记载,英国的HiglandChief商船在1890年安装了第一台CO2制冷机,从此CO2制冷机开始在海运轮船上普及.到1930年,80%船舶采用CO2制冷机,其余的20%则用氨制冷机,最后一艘配有CO2制冷机的轮船是在1950年退役的. CO2用于空调机较晚.它在1919年出现在剧院和商业空调,1927年用于办公楼, 1930年用于民用空调. 当臭氧层破坏基本有了解决途径之后,温室效应引起人们较大的关注.CO是温室气体,但从分子角度看,各种HFC的温室效应是CO2的1000---2000倍,大量生产和应 用HFC必将加速全球变暖的趋势. 已故的前国际制冷学会主席G.Lorentzen曾发表多篇论文,大力提倡使用自然制冷工质,包括氨,碳氢化合物和CO2.他认为CO2是"无可取代的制冷剂",可望在制冷和热泵中发挥作用.挪威SINTEF研究所率先进行汽车空调用CO2作为制冷剂的实验 研究,样机实验已得出较好的结果,德国也开展CO2工质汽车空调和热泵应用的研究. 2C02热力学性质及优势 采用CO2为逆循环工质是基于几方面的考虑.首先CO2是自然界存在的物质.它的臭氧层破坏势ODP值为零,其温室效应势GWP值也很低.实际上,CO2可来源于 国家自然科学基金资助项目. 车文曾于1997年u月在洛阳召开的中国工程熟物理学会工程热力学与能源利用学术会议上宣读 修改稿于1998年1月13日收到. 工程熟物理l9卷 工业废气,对它加以利用并不增加其在大气中的浓度.另外,作为自然工质的CO2
二氧化碳跨临界制冷循环 摘要：CO2是一种环保型的自然工质，它对臭氧层不产生任何破坏作用且具有较小的温室效应。本文概述跨临界C02制冷循环的原理，提出几个影响该循环的技术关键。介绍跨临界CO2循环的相关应用领域，指出CO2作为性能良好的自然工质有着很好的发展前景。 关键词：二氧化碳；制冷；跨临界循环 引言 由于制冷剂中氯原子对大气臭氧层有破坏作用，《蒙特利尔协议》规定R12 等CFCS（氯氟碳）在制冷工质中被禁用，危害程度较小的R22 等HCFCS（氢氯氟碳）的禁用日期也一再提前。目前已获应用的R134a，R410A，R407C 等HFCS （氢氟碳）仍是一类新的化学合成物，它们不仅制造成本昂贵，而且已被证明能产生较为严重的温室效应。另外，随着研究的深入，有可能证明HFCS 在其它方面也有危害。因此，在制冷系统中对地球生物圈中原来就有的“自然工质”进行研究，已成为近年来的前沿课题之一。二氧化碳（R744）目前被称作是一种被遗忘的制冷剂，它在19世纪被广泛地使用，从20世纪30年代后被冷落。现在，大家认为：已经到了使用现代的高新技术重新利用二氧化碳的时候了。 1.CO2制冷 二氧化碳基本上不会引起环境问题，它无毒不燃，具有氨和烃类制冷剂所不可及的一些优点。另外它价廉，与一般的制冷设备和润滑系统都相容。它可以高度压缩，因此可以利用先进设备及设计大大减小压缩机的体积和管道直径。它在高压下良好的传热效果是该制冷剂的另一个优点。总而言之，在满足制冷要求的情况下，使用二氧化碳制冷剂可以大大降低设备的投资。 2.工作原理 跨临界蒸汽压缩式制冷循环是利用气体液化后可吸收蒸发（汽化）潜热的特性以达到制冷的目的。 跨临界系统由压缩机C ，气体冷却器G ，内部热交换器I，节流阀V ，蒸发器E 与储存器A组成封闭回路，以CO2为工作介质，气体工质在压缩机C 中升压至超临界压力P2，在T 一S 图上为过程1一2 ，然后进入气体冷却器G 中，被冷却介质（空气或冷却水）所冷却。为了提高系统的性能系数C O P ，出气体冷却器后的高压气体在内部热交换器中进一步冷却。它是用压缩机回气管前面的低压低温蒸汽过热这一回热原理实现的，此即过程3一4。理想情况下，焓降h3一h4=h1’一h0。然后用节流阀减压，经节流后的气体被冷却，且部分气体液化，湿蒸汽进入蒸发器 E 内汽化，大量吸收周围介质的热量，即输出冷量。蒸发器中液体并不全部汽化，而是设计成有少量液体盈余，因此其出