二氧化碳 (CO₂)

一般属性

从纯热力学性质来看,CO2 不太适合作为制冷剂。然而,CO2 有几项独特的热物理属性:

  • 较高的传热效率
  • 压力损失相对敏感
  • 极低的粘度

在实际应用中,CO2 系统具有很高的性能。其主要的原因在于,当 CO2 用作二级流体时,系统的泵送功率非常低,而在冬季寒冷的气候中,系统又能以非常低的冷凝压力运行。

与其他制冷剂相比,CO2 系统的效率更多地取决于应用和气候条件。对于所有制冷剂而言,随着冷凝温度的升高,系统效率会下降,而 CO2 则是下降幅度最大的制冷剂。CO2 良好的热物理性质可在一定程度上弥补以上缺陷,但也具有一定的局限性。

CO2 在较高温度下具有较高的含能量,并且当该热量可以回收用于加热生活用水或类似应用时,整个系统的效率会变得非常高。

环境影响

从环境角度来看,CO2 是一种非常有吸引力的制冷剂,其 ODP 为零,GWP 为 1。它是一种自然产生的物质,在大气中含量丰富。

压力与温度

CO2 是一种高压制冷剂,需要较高工作压力才能高效运行。静态时,环境温度可能达到或超过零界温度,压力可能超过零界压力。因此,系统通常设计为可承受最高压力 90 bar,或者有时候配备一个小型静态冷凝机组来保持低压。

同时,CO2 具有较低的压力比(比 HFC 和氨低 20% 至 50%),这提高了容积效率。CO2 的蒸发温度在 -55ºC 至 0ºC 范围内,其容积效率比氨高 4 到 12 倍,因此可以用于排气容积较小的压缩机。

CO2 的三相点和临界点非常接近工作范围。在正常系统运行过程中,其可能达到临界点。系统检修期间,其可能达到三相点,正如当系统中含液体零件暴露在大气压力下时会出现干冰现象所示。在通风检修期间,需采用特殊的措施防止出现干冰

材料相互作用

CO2 不与普通金属或 Teflon®、PEEK或氯丁橡胶成分发生反应。但是,它会在弹性体中扩散,并可能导致丁基橡胶 (IIR)、丁腈橡胶 (NBR) 和乙丙橡胶 (EPDM) 膨胀。

液态 CO2 的密度约为氨的 1.5 倍,这导致蒸发器(例如大型工业系统中的大型板式冷水机)中的充注量更高。更高的密度意味着更频繁的油循环,反之,又要求工业系统使用高效的油分离器。

成本效益

CO2 是许多行业的副产品,所以 CO2 的价格很便宜。然而,由于具有较高的压力(在跨临界系统中)或更大的复杂性(在跨临界和亚临界系统中),CO2 系统往往比传统系统更昂贵。随着 Booster 系统的进入以及 CO2 装置的增加,系统的复杂性似乎有所下降。历史数据表明,其成本接近于使用 HFC 的对照系统的成本。

其次,大型 CO2 系统,尤其是工业制冷系统中的系统,其建造成本可能低于二元乙二醇系统,因此其初始成本和生命周期成本较低。

应用

与其他大多数制冷剂不同,CO2 实际应用于三种不同的制冷循环:

  • 亚临界(复叠系统) 
  • 跨临界(仅使用 CO2 的系统)
  • 二次流体(CO2 用作挥发性盐溶液) 

所使用的技术取决于应用和预定系统所在地。在一些应用中, CO2 具有很大的吸引力,并且现已广泛使用,如: 

  • 工业制冷。CO2 通常与氨结合使用,可以是在复叠系统中,还是用作挥发性盐溶液 
  • 食品/零售制冷
  • 热泵
  • 冷藏运输

丹佛斯认为,CO2 将成为商业多包装制冷系统的主要制冷剂。含氟气体法规很明显也是推动制冷剂往此方向发展。 

CO2 系统也可以扩展到热回收领域。在许多情况下,为获得废热而进行的额外投资可以忽略不计,有几个案例已经证明了这一点。

食品零售和工业制冷中的 CO₂ 应用

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食品零售的 CO₂ 应用

工业制冷中的 CO₂ 应用

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