船用二氧化碳制冷装置形式及制冷剂

    随着环境问题日益严重,CO₂作为高效无污染替代制冷剂,在技术上仍存在许多难题.本文就CO2循环在船舶制冷方面的实现方式进行初步探索.

    1 船用制冷系统的基本形式

    目前船用制冷系统大部分是采用以氟利昂类工质为制冷剂的蒸汽压缩式制冷方式.其蒸发温度取决于制冷的目的和环境要求,货舱内维持的温度tHC和相对湿度jHC如表1所示.而船用制冷机的冷却器可采用舷外水作为冷却剂,与空气冷却相比,其换热系数更高、体积重量更小.对于不同的海域,海水的夏季计算温度不同.一般情况下对于我国海域,东海与南海夏季计算温度为25℃,渤海与黄海的夏季计算温度为20℃.

    2 船用制冷剂的发展与选择

    目前制冷剂的发展方向,重点是围绕着联合国制定的5关于消耗臭氧层物质(ODS)的蒙特利尔协定书6)))即到2030年以前全世界完全停止CFC和HCFC的生产和使用这一问题.为此,当前世人的目光一方面集中在不含氯的HFC类工质上,如HFC134a、HFC32、HFC125、HFC143a、HFC245ca以及R717上;另一方面也集中在采用生物圈中固有的而对环境不起破坏作用的物质作为制冷剂,即所谓的天然制冷剂.在-50~10℃的制冷范围内,这类制冷剂有氨、丙烷(丙烷与其他烃类的混合物)和二氧化碳.

    在上述自然工质中,氨毒性较大,压缩机要放在远离人居住的机房;另外,当压缩比相当高时,氨压缩机会发生爆炸;空气、水等作为制冷剂都有很大的局限性.目前二氧化碳被认为是最有可能适用于蒸发温度为-40~10℃的各种常规制冷系统中,特别适合于高居住密度区,如汽车空调、船舱空调[3].

    表2是二氧化碳与其他几种工质的常见热力性质的比较.二氧化碳与其他工质相比有着特殊的优势:

    1)GWP很小,是R134a、R22的千分之一.每年从汽车和单元空调机组散发到大气中的碳氟化合物可能超过10⁵t;臭氧破坏指数(ODP)为0.

    2)来源广泛,价格低廉.大量来自电厂和油田的二氧化碳可以回收用于制冷系统.

    3)压力比小,单位容积制冷量高达22 600 kJ/m³.约为传统制冷剂的5~8倍.

    4)无毒,不可燃;对常见材料没有腐蚀性.

    5)另外,随着研究的深入,有可能证明HFC在其他方面也有危害,例如已有研究表明太阳光能在对流层将HFC分解为有毒的物质,它们对环境的长期影响并不乐观[3].

    另外,据国外文献介绍,二氧化碳制冷样机系统和同规格R12制冷系统相比较,管重可以减轻,压缩机工作容积大大减少.因而在制冷装置上的应用具有很大的潜力.