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为什么二氧化碳制冷被重视?有什么优缺点,你懂了吗?

发布时间:2022-1-21 9:18:57      点击次数:487

二氧化碳是自然界中的一种物质,也是一种非常好的制冷物质。其实,二氧化碳作为制冷剂已经有百年历史,在19世纪末至20世纪30年代前就被广泛应用,随着氨、氟里昂制冷剂开始应用,二氧化碳制冷剂便迅速地退出历史舞台。



2021年3月,北京举办了中国碳达峰碳中和成果发布暨研讨会,发布了中国2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和的目标规划。中国制冷行业碳的排放,一方面来自用电、生产过程中的二氧化碳排放,另一方面来自于制冷剂等非二氧化碳温室气体的排放。从全球来看,商用制冷是制冷的主体,其制冷剂排放量最大(按CO2当量计算),占制冷剂总排放量的30%以上,如果用CO2做制冷剂,可以将商用制冷系统碳足迹减少到几乎为零!这就是为什么二氧化碳制冷剂又被大家重视的主要原因。



1、二氧化碳制冷剂的优缺点
优点:
  • 二氧化碳是天然物质,ODP=0,GWP=1。使用二氧化碳作为制冷工质,对大气臭氧层没有破坏作用,可以减少全球温室效应,且来源广泛、价格便宜,可以大大降低制冷剂替代成本,节约能源,解决化合物对环境的污染问题,具有良好的经济性。


  • 二氧化碳安全无毒、不可燃、不爆炸,具有良好的热稳定性,即使在高温下也不会分解出有害的气体,泄漏对人体、食品、生态都无损害。



  • 二氧化碳具有与制冷循环和设备相适应的热物性。分子量小,制冷能力大,0℃的单位制冷量比常规制冷剂高5~8倍,因而对于相同冷负荷的制冷系统,压缩机的尺寸可以明显减小,重量减轻,整个系统非常紧凑;润滑条件容易满足,对制冷系统常见材料无腐蚀,可以改善开启式压缩机的密封性能,减少泄漏。


  • 二氧化碳黏度小,0℃时二氧化碳饱和液体的运动黏度只是NH3的5.2%、R12的23.8%,流体的流动阻力小,传热性能比CFC类制冷剂更好,可以改善全封闭制冷压缩机的散热。


缺点:

  • 不能维持生命,如果浓度过高,会引起人的呼吸器官的损害,甚至窒息死亡;


  • 有很高的临界压力和低的临界温度;CO2临界温度为Tc=31.1℃ ,临界压力为Pc=7.3MPa,水的临界温度为374℃,临界压力为22MPa。


  • 无论亚临界循环还是跨临界循环,CO2制冷系统的运行压力都将高于传统的制冷空调系统,给系统及部件的设计带来许多难度,制造成本也相对比较高。


制冷系统中使用的所有制冷剂的蒸发压力曲线



2、二氧化碳的应用
二氧化碳的研究和应用主要集中于三个方面:
  • 一方面是汽车空调领域,由于制冷剂排放量大,对环境的危害也大;


  • 热泵热水领域,二氧化碳在超临界条件下放热存在一个相当大的温度滑移,有利于在极低的环境温度下将热水加热到一个更高的温度(90℃以上)。


  • 复叠制冷循环领域,二氧化碳良好的低温流动性能和换热特性,采用它作为CO2/NH3复叠制冷循环低温级制冷剂。

前面说过,二氧化碳浓度过高会引起人的呼吸器官的损害,甚至窒息死亡,因此需要进行泄露监控,相关要求如下:

  • 若二氧化碳浓度超过限定值,只允许受过训练的人员进入;

  • 报警器必须同时发出声音和灯光报警,并同时覆盖室内和室外;

  • 通风系统和报警器不得使用同一个电源;

  • 报警器必须能启动通风,最好还能启动关断阀;

  • 通风口和检测器必须安装在尽可能低的位置;

  • 检测器必须监测CO2 浓度,而非缺氧情况。


3、二氧化碳在复叠式制冷系统中的应用


CO2/NH3复叠式制冷循环由NH3高温级制冷循环和CO2低温级制冷循环叠加而成,两个独立的制冷系统通过蒸发-冷凝器(中间换热器)耦合起来,新系统既能满足在较低蒸发温度下蒸发时合适的蒸发温度,又可以满足在环境温度下冷凝时适中的冷凝压力。


系统流程及对应的p-h图如图4所示:

图中:1-2-3-4-1为低温级CO2带节流阀制冷循环;5-6-7-8-6为高温级带节流阀制冷循环,因为低温级的放热过程(图中2~3过程)和高温级的吸热过程(图中5~8过程)发生在蒸发-冷凝器中。而且,换热过程与环境没有热交换。因此可以认为,高温级循环的蒸发负荷与低温级循环的冷凝负荷相等,蒸发-冷凝器中的传热温差,一般取5~8

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