二氧化碳是自然界中的一種物質(zhì),也是一種非常好的制冷物質(zhì)。其實(shí),二氧化碳作為制冷劑已經(jīng)有百年歷史,在19世紀末至20世紀30年代前就被廣泛應用,隨著(zhù)氨、氟里昂制冷劑開(kāi)始應用,二氧化碳制冷劑便迅速地退出歷史舞臺。
2021年3月,北京舉辦了中國碳達峰碳中和成果發(fā)布暨研討會(huì ),發(fā)布了中國2030年前實(shí)現碳達峰、2060年前實(shí)現碳中和的目標規劃。中國制冷行業(yè)碳的排放,一方面來(lái)自用電、生產(chǎn)過(guò)程中的二氧化碳排放,另一方面來(lái)自于制冷劑等非二氧化碳溫室氣體的排放。從全球來(lái)看,商用制冷是制冷的主體,其制冷劑排放量最大(按CO2當量計算),占制冷劑總排放量的30%以上,如果用CO2做制冷劑,可以將商用制冷系統碳足跡減少到幾乎為零!這就是為什么二氧化碳制冷劑又被大家重視的主要原因。
1、二氧化碳制冷劑的優(yōu)缺點(diǎn)
優(yōu)點(diǎn):
二氧化碳是天然物質(zhì),ODP=0,GWP=1。使用二氧化碳作為制冷工質(zhì),對大氣臭氧層沒(méi)有破壞作用,可以減少全球溫室效應,且來(lái)源廣泛、價(jià)格便宜,可以大大降低制冷劑替代成本,節約能源,解決化合物對環(huán)境的污染問(wèn)題,具有良好的經(jīng)濟性。
二氧化碳安全無(wú)毒、不可燃、不爆炸,具有良好的熱穩定性,即使在高溫下也不會(huì )分解出有害的氣體,泄漏對人體、食品、生態(tài)都無(wú)損害。
二氧化碳具有與制冷循環(huán)和設備相適應的熱物性。分子量小,制冷能力大,0℃的單位制冷量比常規制冷劑高5~8倍,因而對于相同冷負荷的制冷系統,壓縮機的尺寸可以明顯減小,重量減輕,整個(gè)系統非常緊湊;潤滑條件容易滿(mǎn)足,對制冷系統常見(jiàn)材料無(wú)腐蝕,可以改善開(kāi)啟式壓縮機的密封性能,減少泄漏。
二氧化碳黏度小,0℃時(shí)二氧化碳飽和液體的運動(dòng)黏度只是NH3的5.2%、R12的23.8%,流體的流動(dòng)阻力小,傳熱性能比CFC類(lèi)制冷劑更好,可以改善全封閉制冷壓縮機的散熱。
缺點(diǎn):
不能維持生命,如果濃度過(guò)高,會(huì )引起人的呼吸器官的損害,甚至窒息死亡;
有很高的臨界壓力和低的臨界溫度;CO2臨界溫度為T(mén)c=31.1℃ ,臨界壓力為Pc=7.3MPa,水的臨界溫度為374℃,臨界壓力為22MPa。
無(wú)論亞臨界循環(huán)還是跨臨界循環(huán),CO2制冷系統的運行壓力都將高于傳統的制冷空調系統,給系統及部件的設計帶來(lái)許多難度,制造成本也相對比較高。
?。ㄖ评湎到y中使用的所有制冷劑的蒸發(fā)壓力曲線(xiàn))
2、二氧化碳的應用
二氧化碳的研究和應用主要集中于三個(gè)方面:
一方面是汽車(chē)空調領(lǐng)域,由于制冷劑排放量大,對環(huán)境的危害也大;
熱泵熱水領(lǐng)域,二氧化碳在超臨界條件下放熱存在一個(gè)相當大的溫度滑移,有利于在極低的環(huán)境溫度下將熱水加熱到一個(gè)更高的溫度(90℃以上)。
復疊制冷循環(huán)領(lǐng)域,二氧化碳良好的低溫流動(dòng)性能和換熱特性,采用它作為CO2/NH3復疊制冷循環(huán)低溫級制冷劑。
前面說(shuō)過(guò),二氧化碳濃度過(guò)高會(huì )引起人的呼吸器官的損害,甚至窒息死亡,因此需要進(jìn)行泄露監控,相關(guān)要求如下:
若二氧化碳濃度超過(guò)限定值,只允許受過(guò)訓練的人員進(jìn)入;
報警器必須同時(shí)發(fā)出聲音和燈光報警,并同時(shí)覆蓋室內和室外;
通風(fēng)系統和報警器不得使用同一個(gè)電源;
報警器必須能啟動(dòng)通風(fēng),最好還能啟動(dòng)關(guān)斷閥;
通風(fēng)口和檢測器必須安裝在盡可能低的位置;
檢測器必須監測CO2 濃度,而非缺氧情況。
3、二氧化碳在復疊式制冷系統中的應用
CO2/NH3復疊式制冷循環(huán)由NH3高溫級制冷循環(huán)和CO2低溫級制冷循環(huán)疊加而成,兩個(gè)獨立的制冷系統通過(guò)蒸發(fā)-冷凝器(中間換熱器)耦合起來(lái),新系統既能滿(mǎn)足在較低蒸發(fā)溫度下蒸發(fā)時(shí)合適的蒸發(fā)溫度,又可以滿(mǎn)足在環(huán)境溫度下冷凝時(shí)適中的冷凝壓力。
系統流程及對應的p-h圖如圖4所示:
圖中:1-2-3-4-1為低溫級CO2帶節流閥制冷循環(huán);5-6-7-8-6為高溫級帶節流閥制冷循環(huán),因為低溫級的放熱過(guò)程(圖中2~3過(guò)程)和高溫級的吸熱過(guò)程(圖中5~8過(guò)程)發(fā)生在蒸發(fā)-冷凝器中。而且,換熱過(guò)程與環(huán)境沒(méi)有熱交換。因此可以認為,高溫級循環(huán)的蒸發(fā)負荷與低溫級循環(huán)的冷凝負荷相等,蒸發(fā)-冷凝器中的傳熱溫差,一般取5~8℃。
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