二氧化碳制冷劑優缺點

　　二氧化碳是自然界中的一種物質，也是一種非常好的制冷物質。其實，二氧化碳作為制冷劑已經有百年歷史，在19世紀末至20世紀30年代前就被廣泛應用，隨著氨、氟里昂制冷劑開始應用，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布暨研討會，發布了中國2030年前實現碳達峰、2060年前實現碳中和的目標規劃。中國制冷行業碳的排放，一方面來自用電、生產過程中的二氧化碳排放，另一方面來自于制冷劑等非二氧化碳溫室氣體的排放。從全球來看，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缺點

　　優點：

　　二氧化碳是天然物質，ODP=0，GWP=1。使用二氧化碳作為制冷工質，對大氣臭氧層沒有破壞作用，可以減少全球溫室效應，且來源廣泛、價格便宜，可以大大降低制冷劑替代成本，節約能源，解決化合物對環境的污染問題，具有良好的經濟性。

　　二氧化碳安全無毒、不可燃、不爆炸，具有良好的熱穩定性，即使在高溫下也不會分解出有害的氣體，泄漏對人體、食品、生態都無損害。

　　二氧化碳具有與制冷循環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，整個系統非常緊湊；潤滑條件容易滿足，對制冷系統常見材料無腐蝕，可以改善開啟式壓縮機的密封性能，減少泄漏。

　　二氧化碳黏度小，0℃時二氧化碳飽和液體的運動黏度只是NH3的5.2%、R12的23.8%，流體的流動阻力小，傳熱性能比CFC類制冷劑更好，可以改善全封閉制冷壓縮機的散熱。

　　缺點：

　　不能維持生命，如果濃度過高，會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Tc=31.1℃ ，臨界壓力為Pc=7.3MPa，水的臨界溫度為374℃，臨界壓力為22MPa。

　　無論亞臨界循環還是跨臨界循環，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許多難度，制造成本也相對比較高。

　　（制冷系統中使用的所有制冷劑的蒸發壓力曲線）

　　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方面：

　　一方面是汽車空調領域，由于制冷劑排放量大，對環境的危害也大；

　　熱泵熱水領域，二氧化碳在超臨界條件下放熱存在一個相當大的溫度滑移，有利于在極低的環境溫度下將熱水加熱到一個更高的溫度（90℃以上）。

　　復疊制冷循環領域，二氧化碳良好的低溫流動性能和換熱特性，采用它作為CO2/NH3復疊制冷循環低溫級制冷劑。

　　前面說過，二氧化碳濃度過高會引起人的呼吸器官的損害，甚至窒息死亡，因此需要進行泄露監控，相關要求如下：

　　若二氧化碳濃度超過限定值，只允許受過訓練的人員進入；

　　報警器必須同時發出聲音和燈光報警，并同時覆蓋室內和室外；

　　通風系統和報警器不得使用同一個電源；

　　報警器必須能啟動通風，最好還能啟動關斷閥；

　　通風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復疊式制冷循環由NH3高溫級制冷循環和CO2低溫級制冷循環疊加而成，兩個獨立的制冷系統通過蒸發-冷凝器（中間換熱器）耦合起來，新系統既能滿足在較低蒸發溫度下蒸發時合適的蒸發溫度，又可以滿足在環境溫度下冷凝時適中的冷凝壓力。

　　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；5-6-7-8-6為高溫級帶節流閥制冷循環，因為低溫級的放熱過程（圖中2~3過程）和高溫級的吸熱過程（圖中5~8過程）發生在蒸發-冷凝器中。而且，換熱過程與環境沒有熱交換。因此可以認為，高溫級循環的蒸發負荷與低溫級循環的冷凝負荷相等，蒸發-冷凝器中的傳熱溫差，一般取5~8℃。