二氧化碳作为制冷剂的应用前景

二氧化碳制冷剂基本特性

从压焓图可以看出CO2系统循环压力大约是R134a或R1234yf系统的5到10倍，同时CO2系统的高低压压差较大。结合表1 可知相较于运行状态，CO2的临界温度和临界压力较低，导致高压一侧一般运行于超临界状态，因此CO2一班处于跨临界循环状态。

超临界二氧化碳制冷循环是一种利用二氧化碳作为制冷剂的制冷系统，其特点是在高压侧，二氧化碳的温度和压力超过了临界点（31.1℃和7.38MPa），此时二氧化碳不再有液态和气态之分，而是处于一种介于液体和气体之间的状态，称为超临界流体。超临界流体具有高密度、高传热性能、低粘度等优点，可以提高制冷系统的效率和节省空间。

所选文本中的“系统的高压侧制冷剂处于超临界状态”就是指在这种制冷循环中，从压缩机出来到进入膨胀阀之前的部分，二氧化碳都是以超临界流体的形式存在的。

从温熵图可以看出，由于CO2循环的高压侧一般处于超临界状态，没有通常制冷循环的等温冷凝过程，高压侧换热器的制冷剂进出口的温差很大。也因此CO2循环的高压侧换热器一般被称为气体冷却器，而不是冷凝器。另外CO2循环的排气温度明显高于R134a或R1234yf循环。？？

结合压焓图和温熵图可以看出，在CO2循环中制冷剂在节流膨胀前一般仍然处于超临界状态，而不是一般制冷循环中所期望的过冷状态液体，因此CO2循环的节流膨胀损失要显著高于R134a或R1234yf循环，这也直接导致了其较低的循环效率。

CO2 临界温度较低，用作蒸气压缩式制冷循环的工质时，其性能系数与制冷能力直接受环境温度和冷却介质温度的影响。如果采用传统的Perkin蒸气压缩式制冷循环，循环工质的临界温度决定发生冷凝过程的温度上限，通常要求它至少高出环境温度30℃才可以获得较好的制冷系数。因CO2临界温度太低(31.1C)，使其制冷系数COP=qo/W较低。尤其是环境温度较高时，循环的单位质量制冷量q。明显减小，制冷能力显著下降，而功耗W却增大，因此其经济性很差。这是采用传统Perkin蒸气压缩式制冷循环的二氧化碳系统先天不足的主要原因。正因为这个原因，使原来应用于制冷循环CO2制冷剂被卤代烃所取代。但是按照热力学第二定律，制冷循环的理论效率或卡诺循环制冷系数与工质的性质无关。采用跨临界的制冷循环可避开该制约因素。在超临界压力下采用中间回热可减小循环的不可逆损失，有利于提高系统的经济性能。

二氧化碳制冷剂的市场应用情况

20世纪70年代，CFC及HCFC被发现破坏大气臭氧层及温室效应指数较高而面临全面禁用。HFC134a也由于其温室效应指数较高而被认为是一种过渡型的替代物。在此背景下，采用超临界循环的CO:系统以其优良的环保特性、良好的传热性质、较低的流动阻力及相当大的单位容积制冷量，重新在制冷领域，尤其在认为用新型化合替代物同样会隐藏着不可预知潜在危险的欧洲得到了青味。从1994年起BMW、DAIM-LERENZ、 VOLVO、德国大众、Danfoss 、Valeo等欧洲著名公司发起了名为“RACE"的联合项目，联合欧洲著名高校、汽车空调制造商等研制二氧化碳汽车空调系统，并计划在2003年欧洲生产的汽车一半装备二氧化碳汽车空调系统。

二氧化碳制冷剂优点

1. 安全环保 ：不可燃、不破坏臭氧层、极低值、无毒来源广泛，成本低廉
2. 极强制热能力: 通常热泵系统在低温环境下制热能力会显著降低，这一方面是由于制冷剂气体的密度随着温度的下降而降低，从而导致制冷剂质量流量的降低；另一方面是由于在低温下系统的吸气压力较低，为了维持吸气压力为正必须限制压缩机的转速，从而也限制了制热能力的提高。

二氧化碳制冷剂缺点

1. 制冷、制热效率低：一般处于跨临界状态，高压侧的制冷剂处于超临界状态而且膨胀节流阶段损失较大，导致系统循环效率较低。当环境温度很低时，热泵系统 的能效会高于R134a或R1234yf系统。
2. 生命周期碳排放高：

• 直接排放：制冷剂在加注以及空调运行、维修和回收过程中泄漏到大气总产生的碳排放；制冷剂的GWP值主要刻度了单位质量制冷剂泄漏造成的直接碳排放的量值。实际上，在制冷剂的生命周期碳排放中直接排放占比很小，即便是具有较高GWP值的R134a，直接碳排放占比也不超过15%，而对于低GWP值的R1234yf或CO2而言，直接排放几乎可以忽略。
• 间接排放：汽车空调运行以及制冷剂的制造和运输过程产生的能量消耗而产生的碳排放；主要取决于空调运行过程的能效；尽管二氧化碳的gwp值很低，但由于运行过程的能效较低，导致生命周期碳排放值显著高于。尤其对于我国而言，由于绝大部分人口分布于温带和亚热带地区，系统在低温下热泵制热的优势难以体现，从而产生较高的生命周期碳排放

1. 高压带来的成本和泄漏问题：高压带来的成本和泄漏问题系统的运行压力可达15MPa以上，高低压侧的压差可以超过12MPa，同时排气温度可以达到160℃以上；由于CO2的分子体积远远小于，在高温高压的工作条件下很容易通过空调软管或者管接头部位泄漏。
2. 安全性：当CO2的浓度达到1%时即会使人感到沉闷、昏昏欲睡，达到2%时会使人感觉 头疼、注意力无法集中，达到5%时会使人丧失知觉、甚至死亡。

机车二氧化碳跨临界空调仿真计算研究

四代冷媒

HDY-SIMAC

跨临界循环方式存在？

二氧化碳跨临界制冷循环由于气冷器出口温度偏高导致蒸发器入口干度偏大，导致制冷效率不高

仿真软件HDY-SIMAC

1. 计算原理：将每一个部件作为一个计算模块，例如压缩机模块、冷凝器模块等，每个部件具有自己的参数输入窗口，同外部交流的节点( 如制冷剂节点，空气节点) ，以及内核中由物理原理( 主要为质量守恒方程和能量守恒方程) 形成的残差方程组