二氧化碳制冷及其在工程機械領域的應用分析

樂 俊馬 慶秦 帆

（1.徐州市工程咨詢中心，江蘇 徐州221018；2.中國礦業大學電力工程學院，江蘇 徐州221116）

工程機械駕駛室保溫性能差，內部熱環境受外界影響大。夏季受太陽輻射等因素影響，駕駛室溫度較高，對駕駛員的身體健康與安全操作造成威脅，需要在駕駛室安裝制冷空調設備以提高駕駛人員的舒適性。一方面由于工程機械駕駛室空間較小，不具備安裝較大尺寸空調設備的條件；另一方面工程機械工作環境復雜，車輛震動劇烈，傳統的制冷劑容易泄漏并造成環境污染[1]，因此在工程機械領域迫切的需要新型的制冷空調系統。二氧化碳是天然的制冷劑[2]，化學性質穩定，無毒，不污染環境。國內外對二氧化碳制冷進行了大量的研究，以二氧化碳作為制冷劑的制冷系統很好的實現了設備的小型化，應用研究日趨成熟，成功向商業化應用發展。目前二氧化碳制冷系統已成功應用于商業建筑、冷藏庫、熱泵系統、汽車空調以及工程機械等領域[3]。

1 二氧化碳制冷基本原理

1.1 二氧化碳制冷劑性質

二氧化碳是良好的天然制冷劑。密度為1.977g/mL、熔點為-56.6℃(226.89kPa、5.2atm)、沸點為-78.5℃(升華)、臨界溫度為31.1℃，常溫下在7092.75kPa(70atm)時可液化成無色液體，液態二氧化碳的密度為1.1g/cm3。液態二氧化碳蒸發時或在加壓冷卻時可凝成固體二氧化碳，俗稱干冰，是一種低溫制冷劑[4]，密度為1.56g/cm3。二氧化碳的化學性質穩定，無毒，不具可燃性，僅會在空氣中二氧化碳含量過高時，使人因缺氧而發生窒息。

1.2 二氧化碳制冷系統工作原理

二氧化碳制冷系統可分為閉式系統和開式系統兩大類[5]。閉式系統是指二氧化碳依次流經壓縮機、冷凝器、節流機構及蒸發器這四大部件,再回到壓縮機的循環系統；開式系統直接通過節流機構將二氧化碳節流成中壓低溫的液體,再進入蒸發器蒸發制冷，最終排放于環境的制冷系統。開式系統主要應用在無電力供應的制冷環境中。下面主要介紹閉式系統。

二氧化碳制冷循環的流程如圖1所示，以壓縮機、氣體冷卻器、膨脹閥、蒸發器和儲液罐為主要元件，通過管路組合成為一個可實現制冷功能的封閉回路[6]。從狀態點(1)開始，二氧化碳低壓氣體被壓縮機吸入并經過壓縮后排出壓縮機；經過壓縮后的二氧化碳制冷劑此時已成為高溫高壓的氣體，流經排氣管到達氣體冷卻器的入口(2)被冷卻的制冷劑由氣體冷卻器的出口(3)經由膨脹閥節流之后(4)進入蒸發器，蒸發后進入儲液罐，被壓縮機再次吸入(1)，開始下一輪的循環。

1.3 跨臨界循環

如圖2通過與制冷系統流程圖對應的壓焓圖可知，該理想循環包含壓縮（1-2）、排熱（2-3）、膨脹（3-4）和蒸發（4-1）四個基本過程。

圖1 制冷系統流程圖

圖2 跨臨界循環壓焓圖

由圖2可以看出，由于工質物性的特性，其吸、放熱過程分別在亞臨界區和超臨界區進行，這是二氧化碳跨臨界基本循環有別于常規制冷劑循環的主要區別[7]。壓縮機的吸氣壓力低于臨界壓力，蒸發溫度低于臨界溫度，但壓縮機的排氣壓力高于臨界壓力；循環的吸熱過程在亞臨界條件下進行。換熱過程主要是依靠潛熱來完成，冷卻換熱過程依靠顯熱來完成。此時的高壓換熱器不再稱為冷凝器，而稱為氣體冷卻器。

在以空氣為熱源、熱匯的制冷和熱泵系統中，二氧化碳循環在跨臨界條件下運行，其工作壓力雖然較高，但壓比卻很低，壓縮機的效率相對較高；流體在超臨界條件下的特殊熱物理性質使它在流動和換熱方面都具有極大的優勢，超臨界流體良好的傳熱和熱力學特性使得換熱器的換熱效率提高，并使得整個系統的能效較高，與傳統制冷劑（R12、R22等）及其現有的替代物（R134a、R410a等）性能相當。

二氧化碳在氣體冷卻器中溫度變化大，使得氣體冷卻器進口空氣溫度與出口制冷劑溫度較為接近，可減少高壓側不可逆傳熱引起的損失，并且二氧化碳的臨界溫度較低。因此，制冷循環采用跨臨界制冷循環時，其排熱過程不是一個冷凝過程，壓縮機的排氣壓力與冷卻溫度是兩個獨立的參數，改變高壓側壓力將影響制冷量、壓縮機耗工量及系統的能效。研究表明，高壓側壓力變化時，循環的能效存在著一個最大值，因此，二氧化碳跨臨界制冷循環在對不同工況下，存在對應于最大能效值的最佳排氣壓力。二氧化碳在氣體冷卻器中較大的溫度變化，用于熱回收時，有較高的放熱效率。

2 二氧化碳制冷優勢及其應用現狀

2.1 二氧化碳制冷應用現狀

二氧化碳制冷目前已成功應用于商業建筑、冷藏庫、熱泵系統、汽車空調以及工程機械等領域[3]。

2.1.1 商業建筑

1995年瑞典成功安裝了第一個二氧化碳超市制冷系統。截至2011年，瑞典至少有180個超市采用了二氧化碳系統。丹麥于2004年安裝了第一套超市二氧化碳跨臨界循環制冷系統。2007年，泰國安裝了亞洲的第一套超市二氧化碳復疊制冷系統。

2.1.2 冷藏庫

目前我國食品加工與冷藏業中的大中型冷庫80%都采用氨作為制冷劑。氨有毒性，需要增加安全保護措施。截至2005年，美國的冷庫中氨仍然是一種主要的制冷劑，但二氧化碳已經在冷庫制冷系統中得到實際應用。采用二氧化碳/氨復疊式制冷系統的大型冷藏庫已經投入使用。

2.1.3 汽車空調

目前汽車空調中主要采用R134a。1996年德國生產的以二氧化碳為工質的公交客車空調投入運行。2003年歐洲已有部分汽車裝備了二氧化碳空調系統。

2.1.4 熱泵系統中的應用

1994年由挪威SINTEF率先對二氧化碳跨臨界循環在熱泵上的應用進行了理論和實驗研究。在1995年，日本開發了二氧化碳為工質的家用熱泵熱水器。

2.2 二氧化碳制冷劑優勢

二氧化碳是碳的最高氧化狀態，具有非常穩定的化學性質，即使在高溫下也不分解產生有害氣體。作為制冷劑其優點在于無毒、來源豐富、與普通潤滑油相溶、容積制冷量大；同時具有優良的熱力特性、安全特性和環保特性的天然制冷工質。二氧化碳制冷劑跨臨界循環的放熱過程可以和變溫熱源相匹配，從而可得到較高的能效。與其它制冷劑相比，二氧化碳具有下列優點[8]：

2.2.1 環境性能優良

二氧化碳是自然界天然存在的物質，它的臭氧層破壞潛能(ODP)為零，溫室效應潛能極小(GWP=1)。二氧化碳大多為化工行業的副產品，用它做制冷劑正好回收了原來排向大氣的廢物，從而使其溫室效應為零。目前國際上已商業化使用或提出的潛在的環保工質氫氟烴(HFC)及其混合物不但會增加溫室效應，還會產生其他未知的副作用。

2.2.2 價格低廉

二氧化碳來源廣泛，價格低廉。二氧化碳制冷系統維護簡單，無需回收或再生，操作與運行的費用較低。

2.2.3 化學穩定性好

二氧化碳無毒、無臭、無污染，不燃、不爆。對常用材料沒有腐蝕性，在高溫下也不分解產生有害氣體，與水混合時呈弱酸性，可腐蝕碳鋼等普通金屬，但不腐蝕不銹鋼和銅類金屬。

2.2.4 制冷效率高，穩定性好

二氧化碳運動粘度低，壓縮比低，單位容積制冷量大，有很好的傳熱性能。二氧化碳制冷效率高，穩定性好，容積制冷量較大，流動和傳熱性能高。

2.2.5 設備尺寸小

二氧化碳制冷較高的工作壓力使得壓縮機吸氣比容較小，從而使得容積制冷量較大，壓縮尺寸較小，流動和傳熱性能提高。減少了管道和熱交換器的尺寸，從而使系統非常緊湊。

3 二氧化碳制冷在工程機械領域的應用

3.1 工程機械駕駛室熱環境

工程機械駕駛室玻璃面積較大，室內熱環境受外界影響大[9]。太陽輻射通過玻璃窗將熱量傳入車內，玻璃面積較大時，可通過下式計算，通過玻璃窗進入室內的熱量Qb可按下式計算：

式中：A為玻璃窗面積；K為玻璃窗的傳熱系數；tb為車室外溫度，℃；ti為車室內溫度，單位為℃；C為玻璃窗遮陽系數；qb為通過單層玻璃的太陽輻射強度。

另外，受太陽輻射影響車身溫度較高，從而影響駕駛室內溫度。太陽照射包括直射和散射，車體外表面溫度升高的同時也向外反射輻射熱，車體外表面所受的輻射熱Q1可按下式計算：

式中：IG為太陽直射輻射強度；IS為太陽散射輻射強度；IV為車體表面反射輻射強度，單位為W/m2；F為車體外表面積，m2。

3.2 工程機械空調系統特點

工程機械的工作環境極其惡劣，其空調系統與冰箱和家用空調具有明顯的區別[10]。

1）工程機械空調系統往往在過熱、灰塵、震動等惡劣環境情況下運行，對其質量和性能要求較高。

2）工程機械空調系統冷凝器和蒸發器均處于強制對流換熱狀態，均需耗費一定電能或發動機功率，而且冬夏季空調運行時，工程機械爬坡或加速等受到較大影響。

3）工程機械工作時往往震動較為劇烈，容易導致制冷劑泄漏，污染環境。

3.3 二氧化碳空調在工程機械中的應用優勢

二氧化碳空調系統應用于工程機械領域具備較佳的優勢：

1）工程機械空調系統制冷劑易泄露、排放量大。采用二氧化碳作為制冷劑有完全環保的特點。

2）二氧化碳壓縮比低，壓縮機效率高。同時，高壓側二氧化碳溫度變化大，使進口空氣溫度與二氧化碳的排氣溫度可以非常接近，減少了高壓側不可逆傳熱引起的損失。

3）尺寸小

二氧化碳空調系統可以滿足工程機械安裝和布置要求，并獲得較高的效率，對工程車輛的節油和動力性能也有改善。

4 結論

1）二氧化碳制冷劑性能良好，化學性質穩定，無毒、無臭、無污染，不燃、不爆。其臭氧層破壞潛能為零，溫室效應潛能極小。價格低廉，來源豐富。

2）二氧化碳循環在跨臨界條件下運行，壓縮機的效率相對較高，在超臨界條件下的特殊熱物理性質使其在流動和換熱方面都具有極大的優勢，超臨界流體良好的傳熱和熱力學特性使得換熱器的換熱效率提高，并使得整個系統的能效較高。

3）二氧化碳制冷劑應用廣泛，目前已成功應用于商業建筑、冷藏庫、熱泵系統、汽車空調以及工程機械等領域，具有理想的應用效果。

4）二氧化碳制冷在工程機械領域具有無污染，設備尺寸小，性能優良，對機械動力性能影響小等優勢。二氧化碳制冷系統具備良好的工程實用價值，應用潛力巨大。

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