环境友好型跨临界CO2制冷工质的应用与研究进展

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1、第2卷第4期材料研究与应用VO1．2，N0．42OO8年12月MATERIALSRESEARCHANDAPPLICAT10NDec．2OO8文章编号：1673—9981(2008)O4一O395一O5环境友好型跨临界CO2制冷工质的应用与研究进展张国庆，傅李鹏，吴忠杰，饶中浩(广东工业大学材料与能源学院。广东广州5l0OO6)摘要：通过回顾C0制冷工质的开发和应用历史，分析了这一环境友好型材料在替代CFC方面发展迟缓的原因，综述了采用跨临界循环系统的研究进展．对采用C()为工质的汽车空调、制冷、热泵系统的应用情况进行了总结和评价，指出了目前研究的不足和

2、今后的发展前景．关键词：二氧化碳；跨临界循环；汽车空调；热泵中图分类号：TB64文献标识码：A随着全球变暖、臭氧层被破坏等环境问题的日特别是在可燃性和对毒性限制严格的场所，采用益严重，在热泵、空调以及制冷系统中，最重要的研CO作为制冷工质最为理想．究课题就是寻找新的环境友好型自然制冷工质，替代对臭氧层有破坏作用并能产生温室效应的CFCs、1CO跨临界循环系统的特点HCFCs等工质LlJ．CO。作为制冷工质的历史可以回溯至1OO多年C0。作为制冷工质具有独特的优点，其ODP为以前口]．在19世纪末至2O世纪30年代前，CO、氨0，GwP为1，无毒，不可燃

3、、不爆炸，以及良好的安等自然工质曾被广泛使用．在l919年前后，CO制全性和化学稳定性．此外，其蒸发潜热非常大，单位冷机已被应用于要求环境舒适的制冷系统中，后来容积制冷量相当高以及具有良好的输运和传热又被用于各种商业建筑和公共设施的空调系统中．特性引．CO并不是早期唯一的制冷工质，但由于其独特的在常温常压下，CO。的临界温度为31．1℃，根物理特性，使其在食品行业和民用建筑的空调等领据循环的外部条件可以实现亚临界、跨临界和超临域中占据了主要的地位]．但由于CO。较低的临界界循环三种循环方式．Co。跨临界循环系统最大特温度和较高的临界压力，使采用其做工质

4、的系统的点是工质的吸、放热过程分别在亚、超临界区进行，制冷效率较低，尤其是当环境温度稍高时，cO的制循环的吸热过程在亚临界条件下进行，但由于压缩冷能力急剧下降，且功耗增大．随着以Rl2为代表机的排气压力高于临界压力，工质在高压侧的换热的CFCs制冷剂的出现，由于具有适中的压力和较过程通过显热交换来完成，这与普通的蒸气压缩式高的制冷效率等特点，很快取代了CO在制冷剂领制冷循环冷凝过程完全不同]．CO。跨临界循环与域里的位置．传统工质制冷循环相比具有以下特性：(1)CO具有作为一种已经被使用过且已被证明对环境无害优越的流动传热性能，因而气体冷却器的结构可更

5、的制冷工质，近年来，CO又引起了人们的重视．在紧凑．(2)跨临界循环系统的运行压力高，这对系统几种常用的自然工质中，CO最具研究、应用前景，的材料强度、密封和管道连接等方面的要求更高．收稿日期：2008-O7—21作者简介：张国庆(1963一)。男，河北沧州人，副教授，博士396材料研究与应用(3)传统的亚临界系统，制冷剂在冷凝器出口的焓值在较低蒸发温度下使用，并且由于膨胀机的应用，使仅是温度的函数，而在CO：跨临界循环系统中，超得CO循环在较低温制冷系统的性能系数超过临界压力状态下的温度和压力彼此独立，所以高压R12系统“]．CiroApream对有

6、、无中间换热器的侧的压力对制冷剂的焓值、制冷量、压缩机功耗和制冷循环系统进行比较后指出，使用中间换热器能COP值产生影响，在最佳排气压力下，循环系统的提高C0跨临界制冷循环系统性能系数．分析表性能系数COP可达到最大．明]，在现有的技术条件下，即使采用普通的工程材跨临界CO制冷系统的制冷流程如图1所示．料，CO：自然工质在较高的工作压力下，仍然具有较工质在压缩机中压缩后压力升至超临界压力以上，高的安全性，并不会成为CO制冷工质推广应用的进入气体冷却器被冷却介质冷却．为提高制冷压缩障碍．机的性能系数c0P，从气体冷却器出来的气体在内部回热器中进一步被压缩

7、机回气冷却，然后再经过2应用研究节流降压，部分工质液化，湿蒸气进入蒸发器汽化，吸收周围介质热量而制冷L6]．2．1在汽车空调系统中应用研究由于CO性质的限制，采用CO。工质的汽车空冷调系统一般在跨临界条件下运行．工作压力虽高但却器压力比却很低，压缩机的效率相对较高，且有优良的传热和热力学特性，使得换热器的效率也很高．这就确保整个cO汽车空调系统的能效较高．G．Lorentzen，C．W．J．Kohler和C．W．Bullard等人率先从理论和实验方面对CO2汽车空凋装置进行了研究，对其安全性、可靠性和制冷效率等关键图1跨临界C()制冷流程图问题进行了研

8、究．上海交通大学制冷与低温研究所建立了C0跨临界循环汽车空调装置的数学模C0：制冷循环的主要缺