跨临界循环二氧化碳制冷系统研究进展

    1 前 言

    目前，制冷空调的能源与环境问题已成为世界性的研究课题。大量使用的氯氟烃工质对于臭氧层的破坏作用很大，而且多数氯氟烃工质是温室气体，温室气体引起的气候变化是目前科技界乃至全人类极为关注的环境问题之一[1~3]。自从蒙特利尔议定书签订以来，各国开展了寻求 CFCs和 HCFCs替代物的广泛研究，主要提出了包括 R134a、R404a、R407c等在内的若干 HFC 及其混合物来代替 R12、R22 和R502 等，但是人们发现新工质并没有达到“长期”替代物的要求，大部分新工质都仍具有较高的温室效应指数（GWP）或者其它缺陷。因此，在制冷系统中采用地球生物圈中原来就有的“自然工质”的研究引起了人们的广泛重视[4~5]

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    自然工质主要有 R717(NH₃)、R744(CO₂)、R290(C₃H₈)等，表 1 列出了几种工质的性质比较。由表 1 可以看到，在自然工质中，CO₂在环保、安全性及容积制冷量等方面具有明显的优势。

    2 跨临界 CO₂制冷系统研究概况

    CO₂作为最早的制冷剂之一，在 19 世纪末到20 世纪 30 年代得到了普遍的应用，但随着 CFCs的出现，CO₂逐渐退出制冷剂领域，其原因是当时采用亚临界循环，由于临界温度较低，当环境温度稍高时，CO₂的制冷能力急剧下降，功耗增大，经济性受到严重影响。当制冷剂环保问题日益突出，并随着跨临界制冷循环的提出，CO₂作为理想的制冷剂开始重新获得新生。

    CO₂跨临界制冷循环的研究是由挪威 SINTEF研究所的G.Lorentzen、J.Petterson等人[5~6]率先发起的，他们首先对CO₂用于汽车空调和热泵等领域进行了广泛的理论研究和分析，建立了专门的实验台进行实验研究[7~8]。德国 Kassel 大学的 J.Kohler 等也开展了 CO²工质汽车空调和热泵的应用研究[9~10]，1996 年 8月，第一台公共汽车空调样机在车上通过现场实验，运行良好。美国伊利诺伊大学（UIUC）空调和制冷中心的C.W.Bullard等人[11~12]在美国各大制冷空调企业的支持下，建立了相应的汽车空调实验台，同时，他们还对CO₂工质在家用空调、超市冷柜等方面的应用进行了广泛的理论和实验研究。

    国内对跨临界CO₂超临界循环技术的研究也已经开始，但起步相对较晚，且大多数以理论分析为主。西安交通大学的林高平[13]、长沙铁道学院的沈裕浩、廖胜明等[14]对CO₂跨临界循环系统进行了理论分析和研究；天津大学的马一太教授[15]在国家自然科学重点基金的资助下，对 CO₂跨临界循环系统在热泵中的应用进行了理论和实验研究，并建立了热泵实验台；南京理工大学引进意大利 Dorin 公司的压缩机建立了CO₂空调系统试验台，为装甲车空调作预研；上海交通大学车用空调工程中心与上海易初通用机器有限公司合作，在上汽集团的支持下，开展了 CO₂跨临界循环应用于汽车空调的研制。