跨临界co2循环的研究进展及应用

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1、跨临界CO2循环的研究进展及应用　　摘要：近年来，跨临界CO2循环制冷系统的研究发展非常迅速，已经成为国内外学者竞相研究的热点.综述了跨临界CO2循环的国内外研究现状以及跨临界CO2循环的商业应用研究和发展前景.经分析发现，跨临界CO2循环系统的研究方向主要集中在提高循环性能、充注量对系统性能的影响和跨临界CO2毛细管节流这三个方面.总结了跨临界CO2循环应用于热泵热水器、汽车空调和超市冷冻冷藏领域的研究状况.总之，CO2是一种非常具有发展潜力的制冷剂，在超临界CO2制冷方面还需要进行更多的研究，逐步解决

2、生产技术、运行效率、安全等方面的问题.　　关键词：　　跨临界循环；CO2；研究进展；热泵热水器；汽车空调；展示柜　　中图分类号：TB657文献标志码：A　　目前，制冷行业正处于制冷剂替代的转型期.CO2作为天然制冷剂的代表，环保性能优良，是非常有潜力的替代制冷剂.由前国际制冷学会主席Lorentzen提出的跨临界CO2制冷循环，使CO2制冷系统的效率得到了很大的提高[1].因此，CO2制冷剂再次引起了人们的重视和研究热情.近年来，CO2制冷系统的研究发展非常迅速，尤其是跨临界循环，已经成为国内外学者竞相研

3、究的热点.目前，超临界CO2制冷主要应用集中在以下几个方面：热泵热水器、汽车空调、商业食品冷冻冷藏等.超临界CO2循环应用于热泵热水器已经取得了成功，在很多国家已经进入商业化阶段，而在汽车空调和超市冷冻冷藏领域的发展还存在生产技术和安全性等方面的问题.国内外学者都对CO2制冷系统开展了大量的研究，并取得了很多研究成果.　　1跨临界CO2循环研究现状　　CO2作为制冷剂最早出现在十九世纪50年代，当时采用的是蒸汽压缩循环，用于船舶制冰.二十世纪20年代，CO2蒸汽压缩循环开始应用于空调系统中，当时的电影院和

4、超市大多采用CO2空调.由于CO2临界温度低（31.1℃），临界压力高（7.38MPa），当时的技术还不能达到跨临界循环的要求，只能采用亚临界循环，故用于制冷时需要温度很低的冷却介质（比如土壤、海水等），这不仅限制了CO2制冷系统的使用场合，而且亚临界循环效率也较低.在二十世纪20年代后期，以R11、R12为代表的氯氟烃（CFCs）类制冷剂开始出现，并以其循环效率高和对冷却介质要求低等特点，迅速占领了制冷和空调领域.在接下来的很长一段时间中，CO2几乎完全被合成制冷剂所取代.　　直到二十世纪90年代，由于

5、合成制冷剂被排放至大气中，分解出的氯离子会加速臭氧分解，而氯离子本身却不消耗，从而引起连锁恶性循环，导致臭氧层被破坏.臭氧层的破坏会使地球失去防护太阳紫外线的能力，这关系到人类的生存与发展.所以，全球开始限制合成制冷剂的使用，并在一定时限内完全停止使用.人们开始寻找新的环保制冷剂，由于CO2不破坏臭氧层，对环境的影响几乎为零，故CO2再次进入人们视野.前国际制冷学会主席Lorentzen十分推崇CO2制冷剂，认为CO2是非常有潜力的天然制冷剂，并提出了循环效率高、运行温度范围广的跨临界CO2循环.当时的生

6、产技术已经可以满足跨临界CO2循环压力高的要求.最早的跨临界CO2循环系统是由Lorentzen等[2]搭建的跨临界CO2汽车空调系统，实验研究证明，该实验系统性能和当时的R12制冷系统性能相当.从此，越来越多的专家学者开始研究跨临界CO2循环.　　由于跨临界CO2循环提出时间不长，各循环部件的设计和开发都还不能匹配CO2制冷剂.跨临界压力高，对机组内所有部件都提出了新的耐压要求.CO2物理化学性质的独特性，决定了其压缩、放热、节流和吸热过程都和其他制冷剂有区别.因此，要设计和开发出完全适合CO2的循环流

7、程和各部件还需要很长的一段时间.随着研究的深入，跨临界CO2循环的运行性能、安全性等将会有很大的提高.国内外对于跨临界CO2循环的研究热点有很多，包括系统性能、循环流程优化、循环各主要部件的设计和开发、润滑油的匹配等.　　1.1跨临界CO2循环系统运行性能研究　　对跨临界CO2循环系统的研究旨在提高其运行性能，降低能耗，满足使用需求.国外在提高跨临界CO2循环系统运行性能方面展开了很多研究.　　Sarkar[3]对采用纳米流体冷却的壳管式气体冷却器进行的性能研究发现，采用纳米流体冷却可以提高气体冷却器的效

8、率，同时提高跨临界CO2循环系统的性能.　　Ge等[4-5]对采用传统制冷剂的展示柜制冷系统的蒸发器进行了改进，使其更好地适用于跨临界CO2制冷系统，同时研究了在食品零售中跨临界CO2制冷系统的优化控制.　　Evans等[6]对测试条件下采用跨临界CO2循环的商用展示柜的性能和能耗进行的实验测试和分析发现，展示柜形式的不同对其性能和能耗的影响很大.　　Sawalha[7]从理论上分析了跨临界CO2循环用于超市制冷系统的可行性和