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二氧化碳制冷循环的应用【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。
【关键词】二氧化碳跨临界循环制冷系统原理应用The Application of Carbon Dioxide Refrigeration cycleBy 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。
1. CO2 制冷工质的特性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。
二氧化碳跨临界热泵技术原理今天来聊聊二氧化碳跨临界热泵技术原理。
你知道冬天家里怎么取暖吗？传统的方式有很多，像烧煤炉子、用暖气片通热水等。
但是现在有一种很厉害的技术，叫二氧化碳跨临界热泵技术，能巧妙地把热量搬来搬去呢。
我最开始接触这个技术的时候，听起来就觉得特别神奇。
想象一下，二氧化碳不就是咱们呼出的气体吗，它怎么就能用来做热泵了呢？其实这里面大有学问。
首先得解释下什么是热泵。
咱可以把热泵想象成一个很会搬运能量的小超人。
它不是像空调那样单纯制冷或者像暖气片那样单纯散热，而是可以根据你想要的效果，把热量从一个地方搬到另一个地方。
那二氧化碳在这个过程里做了啥呢？说到这儿，你可能会问，二氧化碳平时不就是个气体，它能顶什么事儿啊？这就要说到二氧化碳的独特性质了。
在特定的压力和温度条件下，二氧化碳会呈现出跨临界状态。
这就好比二氧化碳一下子进入了一个“超级状态”。
在二氧化碳跨临界热泵系统里，二氧化碳先被压缩。
这感觉就像你把一个气体小人好好地捏紧，让它变得压力很大。
这个时候它的温度就会变得很高，就可以向需要热量的地方释放热量。
好比这个气体小人把他的热情散发出去，给周围的环境或者房间取暖。
然后二氧化碳经过一个特殊的膨胀过程，这就像是气体小人松了一口气，恢复到较低压强的状态，这个时候它的温度又变得很低，可以从周围环境吸收热量。
实用价值可大啦。
就拿超市里的冷藏展示柜来说，以前的制冷设备可能耗能高，还对环境不太友好。
使用二氧化碳跨临界热泵技术，就可以既高效地制冷，又减少对环境的影响。
因为二氧化碳是一种天然的制冷剂，比起那些对臭氧层有破坏作用的制冷剂，环保多了。
老实说，我一开始也不明白为啥二氧化碳可以当做这么有效的工作介质。
后来查阅了好多资料才知道这跟二氧化碳的热力性质有关。
它的临界温度接近常温，而且在跨临界循环过程中有着特殊的物理变化。
再加上随着对环保要求的提高，这种无污染、天然的制冷剂就被越来越重视起来了。
有意思的是，二氧化碳跨临界热泵技术在供热、制冷、烘干等很多领域都有潜在的应用前景。
探究机车二氧化碳跨临界空调仿真计算摘要：当前第四代冷媒逐步地替代了第三代冷媒，而二氧化碳作为自然冷媒具有低GWP值、无臭氧层破坏、换热特性好、易于获取的优点，所以受到了广泛关注。
二氧化碳的跨临界循环具有高压特性，因此在轨道交通方面应用较少。
但是在实际使用过程中，需要进行仿真计算，才可以更好地应用。
关键词：机车；二氧化碳；跨临界；空调仿真；计算当前臭氧层的破坏情况不断加剧，使得全球温室效应愈演愈烈，在这样的情况下第三代冷媒慢慢地退出了历史舞台，而更加清洁、环保的新型制冷技术正在悄然兴起。
当前CO2自然冷媒的应用受到了广泛关注，这是因为CO2具有绿色、环保、换热性好、易于获取的优势，所以将CO2冷媒广泛的普及具有重要意义。
但是由于二氧化碳的相关配件没有被广泛普及，因此在实际应用中成本较高，为了能够更好地开发二氧化碳空调样机，需要进行仿真计算，才能有效地降低成本。
制冷系统设计和仿真分析需要使用到HDY－SIMAC软件，该软件是顺应空调市场发展开发的，同时还能满足节能、环保要求，还是制造企业设计、研发、改进产品的重要工具并且将HDY－SIMAC软件应用到电力机车二氧化碳跨临界空调制冷系统仿真计算，具有非常好的实际应用价值。
1系统的基本情况介绍二氧化碳的临界温度是31．2℃，而国内大部分区域属于夏季工况，所以室外温度大多在30℃以上。
考虑到大气温度和换热效率，使用二氧化碳进行制冷，这种制冷方式和常规冷媒相比有很大不同，能够以跨临界循环的方式存在。
而二氧化碳的跨临界制冷循环，因为气冷器的出口温度较高，所以蒸发器的入口干度较大，这样就会影响制冷效率。
为了有效地解决这一问题，可以在制冷器的出口部位加装板式换热器，这样二氧化碳会从气冷器的出口流向高压端，而循环蒸发器流出的二氧化碳，这时会流向低压端，从而降低了循环阀的前温度，同时也防止了冷媒过热问题，避免了回气当中夹带液滴，因此全面地提升了循环能效。
电力机车的空调设计制冷量应当控制在6kW，使用的工况为TB/T1804—2017，而额定工况的室外干球温度设定为35℃，室内的干球温度设定为29℃，将湿球温度控制在23℃左右。
二氧化碳跨临界循环制冷的研究进展
李先碧;冯雅康
【期刊名称】《真空与低温》
【年(卷),期】2007(013)003
【摘要】给出了CO2跨临界制冷循环的典型流程和特点;对国内外针对超临界CO2特性的研究、CO2制冷循环的研究、CO2制冷设备的研究与开发以及CO2跨临界循环系统安全性与可靠性的研究现状等4个方面进行了综述,指出了二氧化碳跨临界循环制冷的发展趋势.
【总页数】5页(P173-177)
【作者】李先碧;冯雅康
【作者单位】西南科技大学,土木与建筑工程学院,四川,绵阳,621010;四川长虹电器股份有限公司,四川,绵阳,621000
【正文语种】中文
【中图分类】TB64
【相关文献】
1.二氧化碳跨临界制冷循环过冷却过程热力学分析 [J], 邓帅;王如竹;代彦军
2.二氧化碳跨临界循环制冷的开发与研究进展 [J], 李先碧;冯雅康
3.跨临界循环二氧化碳制冷系统研究进展 [J], 季建刚;黎立新;蒋维钢
4.二氧化碳跨临界制冷循环系统能效分析 [J], 蒋文胜
5.涡流管膨胀的二氧化碳跨临界制冷循环性能研究 [J], 刘业凤;孙影;张华;唐丹萍;钟文轩;王东亮
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跨临界自然工质co2热泵
跨临界自然工质CO2热泵是一种新型的能源转换技术，其优点在于高效节能、环保无污染，深受关注和重视。
本文将从原理、应用、优点三个方面介绍跨临界自然工质CO2热泵。
一、原理
跨临界自然工质CO2热泵是一种采用二氧化碳作为工质的热泵技术。
其工作原理基于热力学第二定律和制冷循环原理，它能够将低温废热或大气中低温热能源转化为高温热能，从而实现能源的高效利用。
二、应用
跨临界自然工质CO2热泵技术可广泛应用于制冷、供暖、干燥、热水等领域。
它的主要应用优势在于能够利用环境温度低的废热资源，实现节能减排，并且具有优良的环保性能，没有排放污染物。
三、优点
跨临界自然工质CO2热泵技术具有以下几个显著优点：
1.高效节能：该技术可以将低温废热资源转化为高温热能，提高能源利用率和节能效果。
2.环保无污染：采用CO2作为工质，不会产生有害的废气、废水等污染物，是一种环保无污染的能源利用技术。
3.使用寿命长：在特定工作条件下，CO2具有与锌锗、乙烯等相似的导热性质，因而跨临界自然工质CO2热泵技术使用寿命长。
4.运行可靠性高：该技术运行稳定，且不需要太多的维护服务，保障其运行的可靠性。
总之，跨临界自然工质CO2热泵技术是一种高效环保的能源转换技术，其应用前景广阔，同时也是推动我国能源转型升级和实现“双碳”目标的重要手段。
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，因此其出口状态O’将在两相区内，这对提高蒸发器传热效率十分有利。
正因为如此，E 出口须配置储存器A ，并与之形成一体，以防压缩机液击和便于压缩机回油（专用回油管道如图上虚线所示）。
储存器出来的低压饱和蒸汽进入内部热交换器的低压侧通道，吸收高压高温的超临界气体的热量后，成为过热蒸汽进入压缩机升压。
如此周而复始完成循环。
图1 跨临界制冷循环系统及其T-S图目前CO2制冷系统面临的最大问题就是循环过程中需要非常高的压力，这个压力通常都会大于100 MPa，有时甚至要求在150 MPa。
对于这么高的压力，系统很多部件都要经受考验，比如O型圈等各种密封圈，在这么大压力下的使用寿命就成了一个棘手的问题。
但从另一方面高压又是跨临界CO2循环的一个优势所在。
超临界的体积热容比传统工质大很多（5～8倍），故对于给定的热容量来说，需要的CO2工质便成倍减少。
这样CO2制冷系统所需的工质量就有可能比其他工质的少很多，例如相比CFC一12，CO2工质能量密度的提升可使系统的管道直径是CFC一12的30%，虽然增压后管道的壁厚相应增加1倍，但由于管道流通面积的大幅减小还可使管道的重量减少30%～40%…。
这样跨临界CO2制冷系统就确立了自己的优势，例如在汽车空调领域中，系统体积和重量的大幅减小是非常重要的。
3.CO2跨临界循环设备的研究和开发3.1压缩机容积效率、指示效率是压缩机工作性能的衡量指标。
CO2压缩机吸排气压差很大，克服流动阻力需要的压差相对很小，与常用系统相比，吸排气阀损失对指示效率的影响也就很小。
CO2压缩机压比小、汽缸内余隙容积的再膨胀行程较短，阀打开较早，所以压缩机容积效率较大。
在诸多因素中，气缸泄露对压缩机性能影响最大。
气缸泄露分为活塞与气缸间隙泄露和出口气阀泄露，在这其中，活塞间隙泄露又是影响压缩机工作状态的最重要因素。
要降低泄露，首先要减小密封长度，然后采取有效措施进行补漏。
这种压缩机的缺点是难于设计具有足够流通面积的阀，而且阀的能量损失较大。
在临界温度附近及其临界温度以上时，超临界CO2，过热和节流的损失很大。
对此，一个方法就是采用分级压缩；另一个方法是收集膨胀时的膨胀功。
此外，单级压缩时终末温度常达到200℃，不利于机器工作，而采用分级压缩时的温度可以降低30～50℃。
采用两级压缩会使系统体积变大，故设计时需要具体问题具体分析。
3.2蒸发器制冷剂的物性特点是促使蒸发器向小管径、流量高密度和高换热系数方向发展的主要原因。
“平行流”式的蒸发器性能较高，是蒸发器今后的主要发展方向。
CO2平行微管式蒸发器由平行微管、积液管和微管之间的空气肋片构成，与空气冷却器的结构形式相同。
但在蒸发器内，CO2的密度变化幅度高于气体冷却器，所以用于蒸发器的微管数相对也比较多。
3.3空气冷却器空气冷却器是跨临界CO2循环的一个重要组件，它的设计对循环的可靠性和效率影响很大。
出于跨临界CO2循环的特性，其冷却过程不同于传统制冷工质的恒温冷凝过程，有很大的温度梯度，因此需要与之温度梯度相匹配的空气冷却换热器。
目前有“近逆流”换热器，此装置的热流密度要比叉流好得多。
在空冷器的空气侧，工质的通道开了很多微槽，槽上设有微肋片。
通道的排列是蜿蜒的，管道和空气侧的换热是有序的。
这种排列方式的优点是CO2和空气之间的换热非常类似于逆流，这对CO2的非恒温换热是非常重要的；CO2工质的出口温度非常接近于空气的人口温度，对于合理降低出口工质的焓非常关键。
而在叉流换热器中，工质的出口温度接近空气的混合平均出口温度，而不是更低的实际入口温度。
近逆流换热器中焓值的降低可使CO2工质在进蒸发器时的闪发变小，因此加强了冷却效果。
3.4膨胀机对于CO2跨临界制冷循环系统来说，膨胀机的设计开发是其中比较困难的一步。
膨胀比的确定、泄露和耐压问题是需要解决的关键问题。
在膨胀机内，CO2由超临界状态发生膨胀后转入液态，并进一步膨胀至气液两相区，膨胀机内CO2的相态由此变化复杂，且在超临界状态下，CO2的物理参数在其向液态转变时会有不稳定性，膨胀比因此很难进行确定。
通过大量的研究报告发现，CO2膨胀机在其研制过程中，最关键的就在于其耐压与泄露问题的解决。
4.CO2跨超临界循环的研究与应用现状目前CO2的研究和应用主要集中于三个方面：一方面是最急需替代制冷剂的应用场合，如汽车空调。
由于制冷剂排放量大对环境的危害也大，必须尽早采用对环境无危害的制冷剂，另一方面是考虑到CO2循环的特点最利于采用这种循环的应用场合，如热泵热水器则是考虑到CO2在超临界条件下放热存在一个相当大的温度滑移，有利于将热水加热到一个更高的温度的特点而倍受关注，再一方面是考虑到CO2的热物理性质和迁移性质特点，采用CO2作为制冷剂如考虑到CO2良好的低温流动性能和换热特性，采用它作为复叠制冷循环低温级制冷剂。
5.CO2跨超临界循环应用前景自从Lorentzen 提出采用CO2作为制冷剂以来，世界各国都对跨临界CO2制冷装置投入了大量人力物力进行了研究。
到目前为止，这些研究主要集中在CO2用于各个领域的可行性，包括进行温室效应、分析理想循环、分析制造样机试验CO2的特性、分析采用CO2的安全性、新的适用于CO2部件研究等方面。
在CO2用于各个领域的研究结果表明，跨临界CO2制冷循环在热泵空调商用制冷装置食品冷藏冷冻洗衣机干燥器等方面的应用前景都很好，性能都相当于甚至好于原来采用R22 或R12 或R134a 的制冷装置。
跨临界CO2制冷循环特别适合于需要大的温度变化的场合，而且在较低的蒸发温度下性能较好在CO2的各个应用领域中。
跨临界CO2汽车空调特别引人注目，美国挪威欧洲各国日本等国都对跨临界CO2汽车空调进行了样机实验，研究和理论分析，这一系统的可行性和性能得到了充分的论证，用它来替代氟里昂制冷系统指日可待。
但是对于该系统的研究才有10 年左右的时间，许多方面尚不完善。
目前的研究多针对系统较少针对部件的优化设计，仅有的部件研究要么就是设计简单是在R134a，R12，R22 的部件基础得到的，很少针对CO2本身，要么只是理论上的研究尚无样机生产和实验验证，因此系统和部件的各个方面都还有很大的改进余地。
如果根据CO2的特性对部件结构和系统运行情况进行优化，将提高系统性能。
这包括高效率压缩机、换热器的开发，能够良好控制系统运行状态节流控制部件的开发以及能够胜任两相膨胀的高效膨胀机的开发。
此外，降低系统和部件的成本是将CO2推向市场的前提条件。
目前对于CO2流动和换热性能的研究尚不成熟，没有通用的经验关联式，部分流动和换热的机理尚不明了，有待于进一步的研究，对于CO2制冷系统的安全性相关的研究有待于进一步加强，一方面要保证高压安全性，这包括两个方面：一是保证设计的各个系统部件及管道满足承压要求，二是保证系统超压情况下的安全性；另一方面要加强研究CO2和润滑油的相互作用，以及CO2与橡胶的渗透作用和爆发性解压作用，避免泄漏，提高安全性。
参考文献：[1]丁国良.CO2制冷技术新发展[期刊论文]-制冷空调与电力机械2002（02）[2]季建刚，黎立新，蒋维钢.跨临界循环二氧化碳制冷系统研究进展[期刊论文]-机电设备2002[3]张国庆，傅李鹏，吴忠杰，饶中浩.环境友好型跨临界CO2制冷工质的应用与研究进展[期刊论文]-材料研究与应用2008，2（4）[4]史敏，贾磊，钟瑜，舒国安，王磊.二氧化碳制冷技术[期刊论文]-制冷与空调2007，7（6）.。
