二氧化碳制冷剂性能研究.doc

二氧化碳制冷剂
  CO2制冷剂通常被称为R744制冷剂，它的GWP值最低，仅为1。R134a的GWP值为1430，比CO2制冷剂的破坏能力强1430倍。尽管有些CO2会从空调系统中泄露出去，但泄露的CO2对环境产生的影响却很小。 R152a的GWP值为124，介于二者之间。使用CO2制冷剂的空调系统比目前市场上流行的使用R134a制冷剂的空调系统最多可节能25%。
由于CO2的临界点溫度相当的低(31.1℃相当于88℉)，我们的环境溫度便已接近此溫度，若使用CO2为冷媒进行压缩，则其冷凝散热溫度勢必将超过临界点溫度，而处于超临界区之中。
不幸的是，CO2的临界点压力相当高(73.8 bar相当于107O psi)，而且，其冷凝散热是位在超临界区之中进行，因此，其工作压力将更高于临界压力。就国际间所开发的CO2压缩机测试数据显示，其压缩机的吸入囗压力便已达35～4O bar(約500～60O psi)，而其出囗压力更高达80～llO bar(约1200～1600 psi)，平均压力约为R-l2压力的10倍左右。
一、CO2冷媒的优点如下：
1、对人体健康与居住环境无短、中、长之害外，故不需回收或再外理。
2、无毒且不会分解出刺激性物质。
3、不可燃(Non-Flammable)与不会爆炸(Non-Explosive)。
4、极佳的热力性质。
5、气体密度高，可降低使用的管路与压缩机尺寸，而使系统重量减轻、结构紧凑、体积小，同時压缩机的压缩比降低，压缩过程可以更接近等熵压缩而使效率提升。
6、取得容易(可从工业废气中取得)，成本低。
7、不破坏臭氧层（臭氧层破坏潜能值ODP=0）。
8、溫室效应指数(全球变暖潜能值GWP)为1。
　应用在汽车空调实列：用于冷却的CO2 空调系统的基本结构与传统的采用HFC134a制冷剂的汽车空调系统有很大区别。首先，在新系统中采用了一个气体冷却器来冷却从压缩机里排出的 CO2 制冷剂，该气体冷却器相当于传统的冷凝器。由于 CO2 制冷剂通常在高压侧都超过了临界点，所以它不会被气体冷却器冷凝，取而代之的，通过一种隔热膨胀方式（采用一种膨胀阀）使制冷剂一部分可以被冷凝。气体冷却器出口与蒸发器之间的内部热交换器通过与流到系统压处的制冷剂交换热量的方式进一步冷却了制冷剂。这种内部热交换器增加了蒸发器入口的液体制冷剂量，增强了冷却功能。在 CO2 制冷剂工作系统中，由于制冷剂不能以液体状态存在于高压侧，所以在低压侧 相当于 HFC 134a 制冷系统的高压侧）采用了一个收集器（接受器）,收集流出的制冷剂。这种总成式的（既装备了热交换器又配备了膨胀阀）收集器简化了系统的结构，使其易于在汽车上安装。
在丰田的燃油电池混合动力汽车上，日本电装公司采用了带一个加热泵的 CO2 空调系统，这种空调系统可以通过切换旁流阀（ 参见图1）的打开和关闭来转换加热或冷却模式。冷却时，旁流阀 1 开启，旁流阀2关闭，内部气体冷却器的混合空气门完全闭合；加热时，旁流阀1关闭，旁流阀2开启，内部气体冷却器的混合空气门完全打开。当空气流入内部气体冷却器时，从压缩机排出的高压、高温的 CO2 制冷剂将热量转移到空气里。通过关闭旁流阀2和控制膨胀阀2的开启程度，该系统还可以进行除湿工作。系统的驱动由一台密封性良好的整体式电动机来进行。

设计系统要点：由于CO2具穿越临界点的热力特性，因此在设计上有许多待突破的技术:
1.由于CO2工作压力高于传统许多，而且吸排气的压差与溫差都很大，因此，在压缩机的各部零件的机械结构、压缩室的防泄漏设计、传动轴上的轴承选用、在高压环境的润滑油与油路设计、吐出口部位的排气阀设计等，均应特別注意。
2.密闭型压缩机应用时，耐高压的马达结构、高起动负荷的马达选用、低马达转子慣性、小体积高扭矩与高效率的马达性能等设计，皆是不可忽略的。
3.如何在小管径、高质量流率的CO2冷媒流动时，提高热传效率，例如设计出高热传效果的管排型式与空气流路、强化吸排热风扇的风速与风量等，为热交換器设计时应注意的事项。
4.由于冷凝出口端与蒸发端的压差大，因此，如何设计高效率的膨胀过程，是另一重要关键，例如可设计多段压缩或膨胀装置来降低压缩功与膨胀损失等，皆是须突破的部份。
5.如何由高科技的电子感測与控制技术，针对各种环境需求，进行压力与冷暖房能力的最适匹配控制，将是控制技术的人才发挥的領域。
6.其他如因高压系統之动能特性掌控、高压负荷运转的振动噪音的防制，也是研究C02压缩机所需面临的重要技术课题。
利用传统天然工质CO2制冷剂可能应用的领域有以下三个方面。第一是CO2超临界循环的汽车空调。由于其压比低，使压缩机效率高，高效换热器(如冲压唯槽管)的采用也对提高其能效做出贡献。由于高压侧CO2大的温度变化，使进口空气温度与CO2的排气温度可以非常接近(仅相差几度)，这样，可以减少高压侧不可逆传热引起的损失。为了减轻重量和缩小尺寸，换热器头部的优化设计也已开发。此外，CO2系统在热泵方面的特殊优越性，可以解决现代汽车冬天不能向车厢提供足够热量的缺陷。目前德国已有商用的CO2空调系统的公共汽车投入公交运输，空调器尺寸与HFC-134a相当。第二是CO2热泵热水加热器，由于CO2在高压侧具有较大温度变化(约80℃～100℃)的放热过程，适合用于热水的加热。1998年和1999年有报道，试验结果比采用电能或天然气燃烧加热，可节能75％，水温可从8℃升高60℃。第三是在复叠式制冷系统中，CO2用作低压级制冷剂，高压级用NH3或HFC-134a作制冷剂。 日产汽车从2004年开始限量租售燃料电池车“X-TRAIL FCV"，配备了日产与CalsonicKansei联合开发的二氧化碳制冷剂冷媒空调。使用二氧化碳的优点是：(1)与目前使用的氟里昂替代物相比，温室效应小；(2)为自然资源；(3)不可燃；(4)低温下的冷媒密度大，供暖效果好；(5)如果回收利用工厂排放的二氧化碳，可减少二氧化碳排放，不需要冷媒生产设施等。另外，两公司还计划在汽油车型上配备这种空调。在以二氧化碳为冷媒时，可利用二氧化碳的超临界循环向车内供暖，因此只需一套空调系统即可。一般情况下，依靠引擎驱动的车辆在供暖时将内燃机作为热源，而在致冷时则同时使用利用氟里昂替代物的两套空调系统。

1MPa=145psi=10bar=10kg
1bar（巴）=1kg=10米水柱
PSI英文全称为Pounds per square inch。P是磅pound，S是平方square，I是英寸inch。把所有的单位换成公制单位就可以算出：1bar≈14.5psi
1psi=6.895kPa=0.06895bar 欧美等国家习惯使用psi作单位
在中国，我们一般把气体的压力用“公斤”描述（而不是“斤”），体单位是“kg/cm2”,一公斤压力就是 一公斤的力作用在一个平方厘上。
而在国外常用的单位是“Psi”，具体单位是“lb/in2”, 就是“磅/平方英寸”，这个单位就像华氏温标（F ）。
此外，还有Pa（帕斯卡，一牛顿作用在一平方米上），KPa，Mpa，Bar，毫米水柱，毫米汞柱等压力单位。
1巴(bar)=0.1兆帕(MPa)=100千帕(KPa)=1.0197 公斤/平方厘米
1标准大气压（ATM）=0.101325兆帕(MPa)=1.0333巴（bar）

R410a和R407c这两种制冷剂虽然不会破坏臭氧层，但仍会产生温室效应，属于需减排的温室气体。R410a的排气压力比R22高50%—60%，需提高压缩机的运动部件的耐磨性和系统的管路强度；R407c的热工性能稍差。