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(jì)末至20世紀(jì)30年代前就被廣泛應(yīng)用,隨著氨、氟里昂制冷劑開始應(yīng)用,二氧化碳制冷劑便迅速地退出歷史舞臺(tái)。
2021年3月,北京舉辦了中國碳達(dá)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(xiàn)碳達(dá)峰、2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)規(guī)劃。中國制冷行業(yè)碳的排放,一方面來自用電、生產(chǎn)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,其制冷劑排放量更大(按CO2當(dāng)量計(jì)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(tǒng)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(duì)大氣臭氧層沒有破壞作用,可以減少全球溫室效應(yīng),且來源廣泛、價(jià)格便宜,可以大大降低制冷劑替代成本,節(jié)約能源,解決化合物對(duì)環(huán)境的污染問題,具有良好的經(jīng)濟(jì)性。
二氧化碳安全無毒、不可燃、不爆炸,具有良好的熱穩(wěn)定性,即使在高溫下也不會(huì)分解出有害的氣體,泄漏對(duì)人體、食品、生態(tài)都無損害。
二氧化碳具有與制冷循環(huán)和設(shè)備相適應(yīng)的熱物性。分子量小,制冷能力大,0℃的單位制冷量比常規(guī)制冷劑高5~8倍,因而對(duì)于相同冷負(fù)荷的制冷系統(tǒng),壓縮機(jī)的尺寸可以明顯減小,重量減輕,整個(gè)系統(tǒng)非常緊湊;潤(rùn)滑條件容易滿足,對(duì)制冷系統(tǒng)常見材料無腐蝕,可以改善開啟式壓縮機(jī)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(yùn)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類制冷劑更好,可以改善全封閉制冷壓縮機(jī)的散熱。
缺點(diǎn):
不能維持生命,如果濃度過高,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(huán)還是跨臨界循環(huán),CO2制冷系統(tǒng)的運(yùn)行壓力都將高于傳統(tǒng)的制冷空調(diào)系統(tǒng),給系統(tǒng)及部件的設(shè)計(jì)帶來許多難度,制造成本也相對(duì)比較高。
2、二氧化碳的應(yīng)用
二氧化碳的研究和應(yīng)用主要集中于三個(gè)方面:
一方面是汽車空調(diào)領(lǐng)域,由于制冷劑排放量大,對(duì)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(dāng)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(fù)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(fù)疊制冷循環(huán)低溫級(jí)制冷劑。
前面說過,二氧化碳濃度過高會(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(jiān)控,相關(guān)要求如下:
若二氧化碳濃度超過限定值,只允許受過訓(xùn)練的人員進(jìn)入;
報(bào)警器必須同時(shí)發(fā)出聲音和燈光報(bào)警,并同時(shí)覆蓋室內(nèi)和室外;
通風(fēng)系統(tǒng)和報(bào)警器不得使用同一個(gè)電源;
報(bào)警器必須能啟動(dòng)通風(fēng),更好還能啟動(dòng)關(guān)斷閥;
通風(fēng)口和檢測(cè)器必須安裝在盡可能低的位置;
檢測(cè)器必須監(jiān)測(cè)CO2 濃度,而非缺氧情況。
3、二氧化碳在復(fù)疊式制冷系統(tǒng)中的應(yīng)用
CO2/NH3復(fù)疊式制冷循環(huán)由NH3高溫級(jí)制冷循環(huán)和CO2低溫級(jí)制冷循環(huán)疊加而成,兩個(gè)獨(dú)立的制冷系統(tǒng)通過蒸發(fā)-冷凝器(中間換熱器)耦合起來,新系統(tǒng)既能滿足在較低蒸發(fā)溫度下蒸發(fā)時(shí)合適的蒸發(fā)溫度,又可以滿足在環(huán)境溫度下冷凝時(shí)適中的冷凝壓力。
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