二氧化碳复叠式制冷循环的热力性能分析

　　1 引 言

　　随着社会和科学技术的发展,低温制冷的应用越来越受到人们的关注。低温食品的保鲜、农作物种子保存、生物医学工程等诸多领域都需要使用低温制冷系统,这些低温段的制冷通常都是用复叠式制冷循环来实现的。传统复叠式制冷系统所用的工质对主要有是R22/R13、R22/R23、R22/R12等,而这些氟里昂工质会对环境造成很大破坏,是大气层臭氧空洞的元凶,也是促使全球气温变暖的温室气体。由于存在以上环境问题,制冷界对复叠式制冷系统进行了工质替代的实验研究,并且已经取得了一定的成绩。其中CO₂作为自然工质及其本身的热力性质^[1],使其在复叠式制冷中受到了青睐。

　　CO₂作为自然工质与氟里昂相比具有独特的环保优势,作为自然环境的组成成分,它的使用不会引入环境问题。而其在复叠式制冷系统中得到广泛的应用是由其热力性质决定的。它具有良好化学稳定性和安全性;无毒无害,不可燃,高温下也不会分解出有毒气体;蒸发潜热大,单位容积制冷量相当高(0°C时单位容积制冷量是氨的1.58倍,是R22的5.12倍,是R12的8.25倍)^[2];运动粘度低(0°C时CO₂饱和液体的运动粘度只有氨的5.2%、R12的23.8%);CO₂的导热系数高,液体密度和蒸汽密度的比值小。CO₂优良的流动性和传热特性,可显著减小压缩机与系统的尺寸,使整个系统非常紧凑。不足之处是CO₂较高的临界压力(7.372MPa),对系统的承压能力以及压缩机都有了更高的要求。作为R13的替代工质,CO₂具有与R13相近的标准沸点与临界温度。

　　复叠式制冷系统中与CO₂配对的工质^[3]选择了NH₃、R290(丙烷)、二元或多元混合物(如CO₂与R170(乙烷)或R1150(乙烯)的混合物)。选择这些工质是因为它们都是自然工质,对环境没有影响,具有良好的热力性质。NH₃与氟里昂相比,由于其单位容积制冷量相当高,所以获得相同冷量的NH3制冷系统可以采用较小尺寸的压缩机和换热器,而且功率消耗小,在工业制冷方面已经有了120多年的使用历史,其安全性也得到了证明。R290与R22的热力性能极为相似,它可替代R22,直接灌注于R22的系统设备中。

　　目前,国际上对NH₃/CO₂复叠式制冷循环的应用已经比较普遍。英格兰的Glasgow超级市场于1992年安装使用了世界上第一套NH₃/CO₂复叠式制冷系统,用于食品的冷冻冷藏。雀巢公司更是在其位于瑞士、英国、法国、美国等地的多家工厂应用了NH₃/CO₂复叠式制冷系统,用于冷藏、咖啡的冻干和平板速冻等。澳大利亚的Probiotec于2002年将该系统用于医药冻干,同年荷兰的Klaas Puul将该系统应用于速冻隧道,德国将该技术用于螺旋速冻。2003年挪威将该系统应用于渔船平板速冻^[4]。