跨臨界CO2制冷循環系統與應用研究進展

軒福臣 謝 晶,3,4

(1. 上海水產品加工及貯藏工程技術研究中心，上海 201306；2. 上海冷鏈裝備性能與節能評價專業技術服務平臺，上海 201306；3. 食品科學與工程國家級實驗教學示范中心〔上海海洋大學〕，上海 201306；4. 上海海洋大學食品學院，上海 201306)

當今世界面臨著非常嚴峻的環境問題，尤其是臭氧層破壞的問題，為此，全社會都在尋找節能環保的綠色制冷方式[1]。斯德哥爾摩人類環境會議指出：為了人類的將來，保護環境已成為我們這一代人重要的任務，這個任務要與世界和平、經濟發展協調實現[2]。

CO2(R744)作為自然工質，從自然界中容易獲得，在19世紀末到20世紀中期開始使用，但CO2亞臨界制冷循環的效率偏低，隨著外界溫度的升高，CO2系統的制冷效率會變低，能耗變大，因而CO2未受到普遍關注[3]，取而代之的是氨、鹵代烴(CFCS、HCFCS、HFCS)制冷劑開始出現。隨著臭氧層破壞成為全世界共同關注的問題，人們逐漸認識到鹵代烴是導致臭氧層破壞的主要原因；由于跨臨界CO2制冷循環的深入研究，目前CO2已作為清潔、環保、綠色的制冷劑被逐漸采用[4]。CO2(ODP=0，GWP=1)作為一種自然工質，非常符合替代鹵代烴制冷劑的要求；同時，CO2作為制冷劑具有高密度、低黏度，流動損失小、傳熱效果良好等優點[5]，但CO2臨界壓力高，對壓縮機及管路設備有耐高壓要求，制冷劑容易發生泄漏，另外，中國對跨臨界CO2換熱器的研究起步較晚。因此，文章對跨臨界CO2循環制冷設備的研究及其應用進行了綜述，并對目前存在的問題進行了討論，提出了解決思路，旨在為跨臨界CO2設備的研究以及應用提供更好的指導。

1 跨臨界CO2制冷循環系統所用設備

跨臨界CO2循環系統由壓縮機、節流裝置、換熱器等組成封閉回路，見圖1。CO2在蒸發器中吸收周圍環境中的熱量，然后進入CO2壓縮機被壓縮，從壓縮機出來后進入空氣冷卻器放出熱量，然后節流變為濕蒸氣，重新進入蒸發器吸熱蒸發，進而連續制冷。目前對跨臨界CO2制冷循環系統的研究大部分仍停留在計算機模擬仿真、理論分析、試驗探索階段，進入大規模應用的案列較少。由于跨臨界CO2循環中壓力高，容易出現氣缸泄漏問題，且CO2的高擴散性能和低黏滯性會對密封產生不良影響，為了降低泄漏，系統需采用更有效的密封方式[6]。

1. 氣體冷卻器 2. CO2壓縮機 3. 蒸發器 4. 節流閥

1.1 CO2制冷壓縮機

CO2壓縮機是使CO2增壓并實現輸送的制冷設備。CO2的臨界壓力高(7.38 MPa)，臨界溫度較低(31.3 ℃)。因此，CO2壓縮機的運行要求耐高壓，對管材、管件、閥門有較高要求，運動部件間隙控制要求更加精確，壓縮機的入口溫度要高于臨界溫度。如果CO2系統中存在水分，不但會造成冰堵，由于CO2與水反應會生成碳酸，從而引起壓縮機的腐蝕，因此對CO2壓縮機材料有一定的要求；CO2壓縮機內部壓力較高，壓縮機內部的回油系統要求也更加嚴格。

侯秀娟[7]采用ANSYS軟件對CO2活塞式壓縮機的曲柄連桿機構和渦旋式壓縮機的動渦盤進行了模擬研究，進而對活塞連桿機構和動渦盤進行了優化設計，提高了系統的制冷效率。Ma等[8]對跨臨界CO2壓縮機吸氣和排氣閥片的運動特性進行了研究，并在CO2壓縮機的吸氣管段中加入了冷卻機構，減少了不可壓縮液體對吸氣和排氣閥片造成的不良影響。Ling等[9]對CO2壓縮機的運轉頻率展開了研究，建立了CO2壓縮機工作頻率與室外風扇轉速之間的數學模型，進而對跨臨界CO2系統進行了優化。薛衛東等[10]設計了微型CO2壓縮機，運動結構用油泵進行潤滑，為了防止制冷劑泄漏，曲軸伸出端采用機械密封。Kus等[11]對無油渦輪式CO2壓縮機進行了研究，評估了無油CO2壓縮機制冷系統運行的可行性。

孫玉等[12]對多種形式的CO2壓縮機進行了分析討論，對于CO2渦旋式壓縮機，主要解決了制冷劑泄漏的問題；CO2活塞式壓縮機可以耐高壓，并采用橡膠密封環減少制冷劑的泄漏；滑片式CO2壓縮機比R134a壓縮機更適合在高轉速的條件下運行，但在CO2壓縮機中，機械結構的潤滑、壓縮腔的泄漏、軸承的選用、制冷劑的泄漏等問題比較突出，另外，氟化橡膠中的CO2滲透擴散作用大于其他橡膠，因此CO2和潤滑油的相互作用、CO2和橡膠的滲透作用是研究的重點，也可以開發新型CO2壓縮機來解決潤滑、泄漏等問題。

1.2 CO2制冷循環系統換熱器

CO2換熱器主要由盤管和散熱片兩部分組成。盤管向液體提供升華過程所需的管程和熱量，促使液體沸騰汽化；散熱片是為了擴大熱交換面積。

馬一太等[13]對CO2水—水泵展開了試驗探究，并將降膜式蒸發器引入到CO2熱泵系統，得出了吸氣過熱度的升高會影響壓縮機的排氣溫度，但不會對系統運行的效率造成影響。呂靜等[14]將CO2與微通道技術相結合，展開了CO2在微通道蒸發器內沸騰換熱的研究，為CO2微通道蒸發器的設計提供了理論基礎。Ayad等[15]研究了不同管路在微型通道中CO2蒸發，建立了小通道內CO2沸騰換熱試驗數據庫，同時建立了小通道內CO2蒸發換熱系數的預測模型，并利用建立的水平流動試驗數據庫對該模型進行了驗證，該數據庫涵蓋了汽車空調中CO2蒸發器的運行情況。與鹵代烴制冷劑不同的是，提高CO2的質量速度并不能顯著改善傳熱系數，且加速了干涸現象的出現。在CO2超低溫級并聯熱泵系統的蒸發器蒸發過程中，常常由于干冰堵塞使得系統操作失敗，Yamasaki等[16]對蒸發/升華過程的擴展通道進行了設計，并解決了此問題。

跨臨界CO2制冷循環的制冷效率與氣體冷卻器的種類和換熱性能有必然的聯系，為了提高系統的制冷效率，需對其進行優化分析。毛航等[17]對CO2-氣冷器的特性展開了研究，通過改變翅片的結構，采用ANSYS軟件建立數學模型，并將建立的數學模型導入mode FRNTIER軟件，應用NSGA-Ⅱ遺傳算法對其進行優化設計，整理出了最優參數。胡海濤等[18]研究了新型帶有氣冷器的CO2地源熱泵系統，搭建了該系統的試驗模型，并將兩種不同的系統進行對比分析，發現CO2-氣冷器地源熱泵比R134a地源熱泵初投資低20%。諶盈盈等[19]創建了帶氣體冷卻器跨臨界CO2熱泵熱水系統模型，對管內CO2和水側的流動特性和傳熱性能進行了模擬研究，結合最佳排氣壓力，得出了使系統高效運轉的方法，為氣冷器的優化提供了理論基礎。馬瑞芳等[20]建立了新型套管式氣體冷卻器熱力學仿真模型，從結構和運行參數兩方面對雙級套管式氣體冷卻器換熱特性的影響進行了模擬研究，結果表明，在流量變化很小的情況下，調整管路兩側的換熱系數來增加總的換熱系數，進而提高制冷效率。

Tassou等[21]將CO2氣體冷卻器與現有的CO2增壓器制冷試驗臺相連接，采用分布(詳細模型)和集總(簡單模型)方法建立了翅片管式CO2氣體冷卻器模型，分析和比較了CO2氣體冷卻器的尺寸和控制對系統運行的影響。Tsamos等[22]在工程方程求解器平臺上建立了詳細的數學模型，并在實驗臺上對試驗結果進行了驗證，對兩種氣體冷卻器在CO2制冷循環系統中單獨安裝和試驗設計中，制定了CO2氣體冷卻器的設計準則。

換熱器是CO2制冷系統中重要的換熱設備，其換熱效果對制冷效率有著重要的影響。目前對換熱器的增強換熱是后續探索的重要方向，主要包括兩個方面：換熱器內流體狀態的變化和對各結構的優化，其中研究的方法有三類：數值模擬計算、試驗方式研究、理論探究。中國對于換熱器的研究起步比較晚，換熱器的理論研究還有待提高，換熱器的模型建立大多停留在一維、二維方面，三維的換熱器模型研究比較少[23]。

2 跨臨界CO2制冷系統的應用

中國每年對食品的需求量巨大，為了減少食品不必要的損失，食品低溫冷凍及加工過程顯得非常重要，CO2作為自然工質，無毒，可代替鹵代烴制冷劑運用于食品冷凍及精加工過程中。此外，CO2的氣化潛熱大，單位體積制冷量約為鹵代烴制冷劑的5～8倍；由于CO2的導熱系數高，液體和蒸氣的密度比值小，節流過后通過各管路的制冷劑分配比較合理，壓縮機及整個系統的尺寸可以設計得更小，使跨臨界CO2制冷系統比鹵代烴制冷循環系統更加緊湊。因此，跨臨界CO2制冷循環系統在食品行業、汽車空調、熱泵方面有很好的前景，其在不同行業中的應用見表1，在應用中的SWOT分析見表2。由表2可知，CO2的冷凝壓力約為10 MPa，為R134a的11倍，對設備及其閥門有較高要求，且需要采用中溫級和低溫級的雙級工作系統，前期投資較大。

表1 跨臨界CO2制冷循環在不同行業中的應用Table 1 Application of cross-critical CO2 refrigeration cycle in different industries

表2 跨臨界CO2制冷循環在應用中的SWOT分析Table 2 SWOT analysis of cross-critical CO2 refrigeration cycle in application

2.1 跨臨界CO2制冷循環系統在食品行業中的應用

CO2作為制冷工質，可以應用于商超領域來冷凍冷藏食品，并以跨臨界方式運行，如果發生制冷劑泄漏，由于CO2無毒無害，化學性質穩定，不會產生較大的人員與食品安全的損失[24]。因此，跨臨界CO2制冷循環系統在食品行業中得到了普遍的應用，截止2018年3月，全球主要國家跨臨界CO2制冷商超分布數量見圖2。由圖2可知，大約有10 000家超市采用了跨臨界CO2制冷循環系統，大部分集中在日本和歐洲地區；在歐洲所有超市中，采用跨臨界CO2制冷循環系統的超市占大多數。跨臨界CO2制冷系統具有高效節能的優點，與鹵代烴制冷系統對比經濟性節能分析如圖3所示。挪威的EEMA1000超市采用了跨臨界CO2循環制冷系統，實現了節能30%的效果。德國的麥德龍在Real商場中使用了跨臨界CO2系統[25-26]。在食品加工的水溫冷熱聯供上，徐建楚[27]將跨臨界CO2制冷循環系統與鹵代烴制冷系統冷水機組的進行了比較，最后得出跨臨界CO2制冷系統的效率高于鹵代烴制冷系統的冷水機組。在挪威海岸運行的水產品加工CO2制冷系統中，對蒸發器、噴射器進行了數值研究，性能提高了70%[28]。

CO2機組制冷時，相關數據[29]顯示：CO2機組的冷凝熱是制冷量的1.2倍，隨意排放冷凝熱，會造成能源的損失，因此可以將排放的冷凝熱加以回收利用，用來制備熱水，可以用在肉類屠宰、水產品的蒸煮等方面。

圖2 全球主要國家跨臨界CO2制冷系統商超數量

Figure 2 The number of trans-critical CO2refrigeration systems in major countries

圖3 經濟性節能分析Figure 3 Economic and energy saving analysis

經研究[30]表明，跨臨界CO2制冷系統的制冷系數比鹵代烴制冷循環系統的高，即跨臨界CO2制冷循環系統能源利用率高，因此，跨臨界CO2制冷系統可以節約大量的能源。由于CO2的臨界溫度較低，運行壓力為鹵代烴制冷劑的6～8倍，對設備要求高，且CO2配件的研發和生產技術多被歐洲發達國家掌握，如何使跨臨界CO2制冷系統在全球范圍內更加高效、低廉的冷凍冷藏食品是未來研究的方向。

2.2 跨臨界CO2制冷循環系統在汽車空調中的應用

由于環境問題，為避免汽車空調行業面臨R134a替代困難的問題，必須加大對環保制冷劑的研究力度。金紀峰等[31]研究了由微通道換熱器、氣液分離器等制冷設備組成的CO2跨臨界汽車空調系統，并對該系統進行了在線測試，發現制冷性能比R134a稍差，并測試了節流閥的開度、CO2壓縮機的轉速等對CO2汽車空調性能產生的影響，該系統與傳熱效率非常高的微通道氣冷器相結合，提高了CO2汽車空調的制冷效率，并得出當壓縮機轉速900 r/min，環境溫度25 ℃，系統COP達到最高為2.83。簡林樺等[32]對CO2汽車空調中的氣冷器進行了分析，用ANSYS軟件對CO2氣體冷卻器的換熱特性展開了討論，研究了內部速度場和溫度場的變化，分別分析了排氣壓力、制冷劑流量等對氣體冷卻器的換熱影響，研究表明，減小氣冷器的CO2出口溫度時，排氣壓力的提高有助于增加制冷效率，通過增加冷卻水的流量來減小氣冷器的出口溫度，也有助于提高制冷系統的性能。葉禾等[33]從壓縮機、換熱器、膨脹閥等設備出發，對汽車CO2制冷系統部件進行了狀況分析，并從理論上說明了CO2制冷劑可以替代現有的鹵代烴制冷劑，但CO2制冷空調工作的環境壓力較高，對管路材料及其設備有較高的耐高壓要求。

為了提高CO2制冷空調的效率，Yu等[34]將不同比例的CO2和丙烷進行混合，探究了不同比例下CO2和丙烷對CO2空調制冷效率的影響，并得出了CO2和丙烷的混合比例為3∶2時，此時系統COP達到最大值。CO2汽車空調系統中，壓縮機是耗能的主要部件，石明星等[35]建立了CO2汽車空調壓縮機穩態模型，得出CO2的質量流量、壓縮機的輸入功率、排氣溫度隨壓縮比的增加而增加。

2.3 跨臨界CO2制冷系統在熱泵技術中的應用

熱泵是一種高效加熱裝置，可將能量由低溫處傳送到高溫處，工作原理是逆卡諾循環。目前CO2熱泵技術已開始應用于賓館、醫院、寫字樓等場地[36]。以某賓館為例，按每年熱水需求量25 440 L，出水溫度65 ℃，進水溫度15 ℃，楊德宇等[37]研究了不同熱源的熱水器年耗能量和年耗費用，如表3所示。由表3可知，CO2熱泵熱水器的年實際耗能量和年運營費用比其他類型的熱水器低，經濟性能非常優越。

葉箐箐等[18]分析了帶氣冷器的CO2熱泵系統，并對系統的特性進行了預測，得出該系統比傳統的R134a系統節能23%。劉忠彥[13]應用CFD軟件研究了CO2熱泵的蒸發器，并分析了該換熱器的換熱特性。易長樂等[38]開發了一種小型家用CO2熱泵系統，并對該系統的主要部件進行了選型設計。CO2熱泵熱水器具有高效、環保的優點，車媛媛等[39]搭建了一套CO2熱泵熱水器循環裝置(圖4)，并對循環的參數進行了設計計算，通過改變循環水的進口溫度、進口流速等設計參數研究對系統性能的影響。陸軍亮等[40]研究了水源型CO2熱泵熱水器系統，測試了換熱器的進水溫度對系統性能系數的影響。鄒春妹等[41]在跨臨界CO2熱泵熱水器中引入了噴射嘴，并對該CO2熱泵熱水裝置進行了試驗研究，分別分析了換熱效率、噴射效率等參數對系統產生的影響。劉東岳等[42]對CO2熱泵熱水系統中毛細管的布置、內外部影響因素進行了分析，并對并聯的3條毛細管用于節流進行了試驗論證。Liu等[43]利用CO2變頻壓縮機制冷系統，對膨脹閥的開度、冷熱水流量進行調節，研究發現，當壓縮機的頻率為50 Hz，膨脹閥的開度為330脈沖，冷熱水流量分別為0.2，0.1 m3/h時，CO2熱泵COP達到最大。Song等[44]從理論和試驗上研究了水溫對R134a和跨臨界CO2系統的影響，并得出在-20～7 ℃，水溫從15 ℃上升到32 ℃時，CO2熱泵系統能耗有所下降，此時供熱能力達到最佳。

表3 不同熱源熱水器的經濟性對比?Table 3 Economic comparison of water heaters with different heat sources

? 熱源單價：a. 元/kg;b. 元/m3;c. 元/(kW·h)。

1. 節流閥 2. 內部熱交換器 3. 氣體冷凝器 4. CO2壓縮機 5. 儲液器 6. 蒸發器

圖4 CO2跨臨界熱泵循環裝置圖

Figure 4 Diagram of CO2trans-critical heat pump circulator

CO2作為制冷劑應用于熱泵系統，與其他常規制冷劑相比可以達到更高的排氣溫度，CO2壓縮機由于排氣壓力較高，壓縮比較小，因此，壓縮機的絕熱效率較高，更加節能。對CO2跨臨界系統的研究包括理論、試驗研究、模型的建立，并利用中溫和低溫壓縮技術、過冷技術進行優化設計。CO2熱泵推廣面臨的首要問題是系統壓力較高，對材料的要求及制造工藝更加嚴格，壓縮技術有待完善，未來的CO2熱泵技術可以與計算機控制深度融合，從而使CO2熱泵更加高效、穩定、安全的運行[45]。

3 結論與展望

由于CO2無毒無味，化學性質穩定，作為制冷劑時，在食品行業、汽車空調、熱泵中被逐漸采用，其中跨臨界CO2制冷循環在食品冷凍冷藏及商超領域發展迅速，并可以通過高溫冷凝熱的回收生成高品質的熱源，實現安全、低碳、高效的利用價值；跨臨界CO2制冷循環應用于汽車空調上不僅可以減少環境污染，還可以提高制冷系數，因此，跨臨界CO2循環汽車空調在未來有很大的應用空間；CO2熱泵系統與普通的熱泵系統相比，跨臨界CO2熱泵系統可以一次性得到90 ℃的熱水，可以將低品位能源高效地轉化為高品位能源，在高溫熱泵領域有相當大的優勢，與其他類型熱水器相比，其經濟性能非常優越，但目前對家用熱泵與大型CO2熱泵的研究仍屬于空白部分，有相當大的研究前景。

跨臨界CO2系統換熱器三維模型建立的研究較少，因此需進一步展開研究。此外，換熱器增強換熱也是未來研究的重點。CO2的臨界溫度低，排氣壓力高，節流損失比較大，因而對CO2和潤滑油的相互作用及壓縮機材料的密封性是未來研究的熱點，以及開發無油壓縮機和壓縮機的微型化設計也將是重點關注的方向。總之，在大力倡導“綠色、環保、節能”的前提下，跨臨界CO2制冷系統能夠實現能源的節約，減少環境的破壞，符合環境友好型發展的需求。