二氧化碳制冷剂的优缺点

二氧化碳是自然界中的一种物质，也是一种非常好的制冷物质。其实，二氧化碳作为制冷剂已经有百年历史，在19世纪末至20世纪30年代前就被广泛应用，随着氨、氟里昂制冷剂开始应用，二氧化碳制冷剂便迅速地退出历史舞台。

2021年3月，北京举办了中国碳达峰碳中和成果发布暨研讨会，发布了中国2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和的目标规划。中国制冷行业碳的排放，一方面来自用电、生产过程中的二氧化碳排放，另一方面来自于制冷剂等非二氧化碳温室气体的排放。从全球来看，商用制冷是制冷的主体，其制冷剂排放量最大(按CO2当量计算)，占制冷剂总排放量的30%以上，如果用CO2做制冷剂，可以将商用制冷系统碳足迹减少到几乎为零！这就是为什么二氧化碳制冷剂又被大家重视的主要原因。

1、二氧化碳制冷剂的优缺点

优点：

二氧化碳是天然物质，ODP=0，GWP=1。使用二氧化碳作为制冷工质，对大气臭氧层没有破坏作用，可以减少全球温室效应，且来源广泛、价格便宜，可以大大降低制冷剂替代成本，节约能源，解决化合物对环境的污染问题，具有良好的经济性。

二氧化碳安全无毒、不可燃、不爆炸，具有良好的热稳定性，即使在高温下也不会分解出有害的气体，泄漏对人体、食品、生态都无损害。

二氧化碳具有与制冷循环和设备相适应的热物性。分子量小，制冷能力大，0℃的单位制冷量比常规制冷剂高5～8倍，因而对于相同冷负荷的制冷系统，压缩机的尺寸可以明显减小，重量减轻，整个系统非常紧凑；润滑条件容易满足，对制冷系统常见材料无腐蚀，可以改善开启式压缩机的密封性能，减少泄漏。

二氧化碳黏度小，0℃时二氧化碳饱和液体的运动黏度只是NH3的5.2%、R12的23.8%，流体的流动阻力小，传热性能比CFC类制冷剂更好，可以改善全封闭制冷压缩机的散热。

缺点：

不能维持生命，如果浓度过高，会引起人的呼吸器官的损害，甚至窒息死亡；

有很高的临界压力和低的临界温度；CO2临界温度为Tc=31.1℃ ，临界压力为Pc=7.3MPa，水的临界温度为374℃，临界压力为22MPa。

无论亚临界循环还是跨临界循环，CO2制冷系统的运行压力都将高于传统的制冷空调系统，给系统及部件的设计带来许多难度，制造成本也相对比较高。

（制冷系统中使用的所有制冷剂的蒸发压力曲线）

2、二氧化碳的应用

二氧化碳的研究和应用主要集中于三个方面：

一方面是汽车空调领域，由于制冷剂排放量大，对环境的危害也大；

热泵热水领域，二氧化碳在超临界条件下放热存在一个相当大的温度滑移，有利于在极低的环境温度下将热水加热到一个更高的温度（90℃以上）。

复叠制冷循环领域，二氧化碳良好的低温流动性能和换热特性，采用它作为CO2/NH3复叠制冷循环低温级制冷剂。

前面说过，二氧化碳浓度过高会引起人的呼吸器官的损害，甚至窒息死亡，因此需要进行泄露监控，相关要求如下：

若二氧化碳浓度超过限定值，只允许受过训练的人员进入；

报警器必须同时发出声音和灯光报警，并同时覆盖室内和室外；

通风系统和报警器不得使用同一个电源；

报警器必须能启动通风，最好还能启动关断阀；

通风口和检测器必须安装在尽可能低的位置；

检测器必须监测CO2 浓度，而非缺氧情况。

3、二氧化碳在复叠式制冷系统中的应用

CO2/NH3复叠式制冷循环由NH3高温级制冷循环和CO2低温级制冷循环叠加而成，两个独立的制冷系统通过蒸发-冷凝器（中间换热器）耦合起来，新系统既能满足在较低蒸发温度下蒸发时合适的蒸发温度，又可以满足在环境温度下冷凝时适中的冷凝压力。

系统流程及对应的p-h图如图4所示：

图中：1-2-3-4-1为低温级CO2带节流阀制冷循环；5-6-7-8-6为高温级带节流阀制冷循环，因为低温级的放热过程（图中2~3过程）和高温级的吸热过程（图中5~8过程）发生在蒸发-冷凝器中。而且，换热过程与环境没有热交换。因此可以认为，高温级循环的蒸发负荷与低温级循环的冷凝负荷相等，蒸发-冷凝器中的传热温差，一般取5~8℃。