跨临界CO2制冷循环系统与应用研究进展

轩福臣 谢 晶,3,4

(1. 上海水产品加工及贮藏工程技术研究中心，上海 201306；2. 上海冷链装备性能与节能评价专业技术服务平台，上海 201306；3. 食品科学与工程国家级实验教学示范中心〔上海海洋大学〕，上海 201306；4. 上海海洋大学食品学院，上海 201306)

当今世界面临着非常严峻的环境问题，尤其是臭氧层破坏的问题，为此，全社会都在寻找节能环保的绿色制冷方式[1]。斯德哥尔摩人类环境会议指出：为了人类的将来，保护环境已成为我们这一代人重要的任务，这个任务要与世界和平、经济发展协调实现[2]。

CO2(R744)作为自然工质，从自然界中容易获得，在19世纪末到20世纪中期开始使用，但CO2亚临界制冷循环的效率偏低，随着外界温度的升高，CO2系统的制冷效率会变低，能耗变大，因而CO2未受到普遍关注[3]，取而代之的是氨、卤代烃(CFCS、HCFCS、HFCS)制冷剂开始出现。随着臭氧层破坏成为全世界共同关注的问题，人们逐渐认识到卤代烃是导致臭氧层破坏的主要原因；由于跨临界CO2制冷循环的深入研究，目前CO2已作为清洁、环保、绿色的制冷剂被逐渐采用[4]。CO2(ODP=0，GWP=1)作为一种自然工质，非常符合替代卤代烃制冷剂的要求；同时，CO2作为制冷剂具有高密度、低黏度，流动损失小、传热效果良好等优点[5]，但CO2临界压力高，对压缩机及管路设备有耐高压要求，制冷剂容易发生泄漏，另外，中国对跨临界CO2换热器的研究起步较晚。因此，文章对跨临界CO2循环制冷设备的研究及其应用进行了综述，并对目前存在的问题进行了讨论，提出了解决思路，旨在为跨临界CO2设备的研究以及应用提供更好的指导。

1 跨临界CO2制冷循环系统所用设备

跨临界CO2循环系统由压缩机、节流装置、换热器等组成封闭回路，见图1。CO2在蒸发器中吸收周围环境中的热量，然后进入CO2压缩机被压缩，从压缩机出来后进入空气冷却器放出热量，然后节流变为湿蒸气，重新进入蒸发器吸热蒸发，进而连续制冷。目前对跨临界CO2制冷循环系统的研究大部分仍停留在计算机模拟仿真、理论分析、试验探索阶段，进入大规模应用的案列较少。由于跨临界CO2循环中压力高，容易出现气缸泄漏问题，且CO2的高扩散性能和低黏滞性会对密封产生不良影响，为了降低泄漏，系统需采用更有效的密封方式[6]。

1. 气体冷却器 2. CO2压缩机 3. 蒸发器 4. 节流阀

1.1 CO2制冷压缩机

CO2压缩机是使CO2增压并实现输送的制冷设备。CO2的临界压力高(7.38 MPa)，临界温度较低(31.3 ℃)。因此，CO2压缩机的运行要求耐高压，对管材、管件、阀门有较高要求，运动部件间隙控制要求更加精确，压缩机的入口温度要高于临界温度。如果CO2系统中存在水分，不但会造成冰堵，由于CO2与水反应会生成碳酸，从而引起压缩机的腐蚀，因此对CO2压缩机材料有一定的要求；CO2压缩机内部压力较高，压缩机内部的回油系统要求也更加严格。

侯秀娟[7]采用ANSYS软件对CO2活塞式压缩机的曲柄连杆机构和涡旋式压缩机的动涡盘进行了模拟研究，进而对活塞连杆机构和动涡盘进行了优化设计，提高了系统的制冷效率。Ma等[8]对跨临界CO2压缩机吸气和排气阀片的运动特性进行了研究，并在CO2压缩机的吸气管段中加入了冷却机构，减少了不可压缩液体对吸气和排气阀片造成的不良影响。Ling等[9]对CO2压缩机的运转频率展开了研究，建立了CO2压缩机工作频率与室外风扇转速之间的数学模型，进而对跨临界CO2系统进行了优化。薛卫东等[10]设计了微型CO2压缩机，运动结构用油泵进行润滑，为了防止制冷剂泄漏，曲轴伸出端采用机械密封。Kus等[11]对无油涡轮式CO2压缩机进行了研究，评估了无油CO2压缩机制冷系统运行的可行性。

孙玉等[12]对多种形式的CO2压缩机进行了分析讨论，对于CO2涡旋式压缩机，主要解决了制冷剂泄漏的问题；CO2活塞式压缩机可以耐高压，并采用橡胶密封环减少制冷剂的泄漏；滑片式CO2压缩机比R134a压缩机更适合在高转速的条件下运行，但在CO2压缩机中，机械结构的润滑、压缩腔的泄漏、轴承的选用、制冷剂的泄漏等问题比较突出，另外，氟化橡胶中的CO2渗透扩散作用大于其他橡胶，因此CO2和润滑油的相互作用、CO2和橡胶的渗透作用是研究的重点，也可以开发新型CO2压缩机来解决润滑、泄漏等问题。

1.2 CO2制冷循环系统换热器

CO2换热器主要由盘管和散热片两部分组成。盘管向液体提供升华过程所需的管程和热量，促使液体沸腾汽化；散热片是为了扩大热交换面积。

马一太等[13]对CO2水—水泵展开了试验探究，并将降膜式蒸发器引入到CO2热泵系统，得出了吸气过热度的升高会影响压缩机的排气温度，但不会对系统运行的效率造成影响。吕静等[14]将CO2与微通道技术相结合，展开了CO2在微通道蒸发器内沸腾换热的研究，为CO2微通道蒸发器的设计提供了理论基础。Ayad等[15]研究了不同管路在微型通道中CO2蒸发，建立了小通道内CO2沸腾换热试验数据库，同时建立了小通道内CO2蒸发换热系数的预测模型，并利用建立的水平流动试验数据库对该模型进行了验证，该数据库涵盖了汽车空调中CO2蒸发器的运行情况。与卤代烃制冷剂不同的是，提高CO2的质量速度并不能显著改善传热系数，且加速了干涸现象的出现。在CO2超低温级并联热泵系统的蒸发器蒸发过程中，常常由于干冰堵塞使得系统操作失败，Yamasaki等[16]对蒸发/升华过程的扩展通道进行了设计，并解决了此问题。

跨临界CO2制冷循环的制冷效率与气体冷却器的种类和换热性能有必然的联系，为了提高系统的制冷效率，需对其进行优化分析。毛航等[17]对CO2-气冷器的特性展开了研究，通过改变翅片的结构，采用ANSYS软件建立数学模型，并将建立的数学模型导入mode FRNTIER软件，应用NSGA-Ⅱ遗传算法对其进行优化设计，整理出了最优参数。胡海涛等[18]研究了新型带有气冷器的CO2地源热泵系统，搭建了该系统的试验模型，并将两种不同的系统进行对比分析，发现CO2-气冷器地源热泵比R134a地源热泵初投资低20%。谌盈盈等[19]创建了带气体冷却器跨临界CO2热泵热水系统模型，对管内CO2和水侧的流动特性和传热性能进行了模拟研究，结合最佳排气压力，得出了使系统高效运转的方法，为气冷器的优化提供了理论基础。马瑞芳等[20]建立了新型套管式气体冷却器热力学仿真模型，从结构和运行参数两方面对双级套管式气体冷却器换热特性的影响进行了模拟研究，结果表明，在流量变化很小的情况下，调整管路两侧的换热系数来增加总的换热系数，进而提高制冷效率。

Tassou等[21]将CO2气体冷却器与现有的CO2增压器制冷试验台相连接，采用分布(详细模型)和集总(简单模型)方法建立了翅片管式CO2气体冷却器模型，分析和比较了CO2气体冷却器的尺寸和控制对系统运行的影响。Tsamos等[22]在工程方程求解器平台上建立了详细的数学模型，并在实验台上对试验结果进行了验证，对两种气体冷却器在CO2制冷循环系统中单独安装和试验设计中，制定了CO2气体冷却器的设计准则。

换热器是CO2制冷系统中重要的换热设备，其换热效果对制冷效率有着重要的影响。目前对换热器的增强换热是后续探索的重要方向，主要包括两个方面：换热器内流体状态的变化和对各结构的优化，其中研究的方法有三类：数值模拟计算、试验方式研究、理论探究。中国对于换热器的研究起步比较晚，换热器的理论研究还有待提高，换热器的模型建立大多停留在一维、二维方面，三维的换热器模型研究比较少[23]。

2 跨临界CO2制冷系统的应用

中国每年对食品的需求量巨大，为了减少食品不必要的损失，食品低温冷冻及加工过程显得非常重要，CO2作为自然工质，无毒，可代替卤代烃制冷剂运用于食品冷冻及精加工过程中。此外，CO2的气化潜热大，单位体积制冷量约为卤代烃制冷剂的5～8倍；由于CO2的导热系数高，液体和蒸气的密度比值小，节流过后通过各管路的制冷剂分配比较合理，压缩机及整个系统的尺寸可以设计得更小，使跨临界CO2制冷系统比卤代烃制冷循环系统更加紧凑。因此，跨临界CO2制冷循环系统在食品行业、汽车空调、热泵方面有很好的前景，其在不同行业中的应用见表1，在应用中的SWOT分析见表2。由表2可知，CO2的冷凝压力约为10 MPa，为R134a的11倍，对设备及其阀门有较高要求，且需要采用中温级和低温级的双级工作系统，前期投资较大。

表1 跨临界CO2制冷循环在不同行业中的应用Table 1 Application of cross-critical CO2 refrigeration cycle in different industries

表2 跨临界CO2制冷循环在应用中的SWOT分析Table 2 SWOT analysis of cross-critical CO2 refrigeration cycle in application

2.1 跨临界CO2制冷循环系统在食品行业中的应用

CO2作为制冷工质，可以应用于商超领域来冷冻冷藏食品，并以跨临界方式运行，如果发生制冷剂泄漏，由于CO2无毒无害，化学性质稳定，不会产生较大的人员与食品安全的损失[24]。因此，跨临界CO2制冷循环系统在食品行业中得到了普遍的应用，截止2018年3月，全球主要国家跨临界CO2制冷商超分布数量见图2。由图2可知，大约有10 000家超市采用了跨临界CO2制冷循环系统，大部分集中在日本和欧洲地区；在欧洲所有超市中，采用跨临界CO2制冷循环系统的超市占大多数。跨临界CO2制冷系统具有高效节能的优点，与卤代烃制冷系统对比经济性节能分析如图3所示。挪威的EEMA1000超市采用了跨临界CO2循环制冷系统，实现了节能30%的效果。德国的麦德龙在Real商场中使用了跨临界CO2系统[25-26]。在食品加工的水温冷热联供上，徐建楚[27]将跨临界CO2制冷循环系统与卤代烃制冷系统冷水机组的进行了比较，最后得出跨临界CO2制冷系统的效率高于卤代烃制冷系统的冷水机组。在挪威海岸运行的水产品加工CO2制冷系统中，对蒸发器、喷射器进行了数值研究，性能提高了70%[28]。

CO2机组制冷时，相关数据[29]显示：CO2机组的冷凝热是制冷量的1.2倍，随意排放冷凝热，会造成能源的损失，因此可以将排放的冷凝热加以回收利用，用来制备热水，可以用在肉类屠宰、水产品的蒸煮等方面。

图2 全球主要国家跨临界CO2制冷系统商超数量

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

图3 经济性节能分析Figure 3 Economic and energy saving analysis

经研究[30]表明，跨临界CO2制冷系统的制冷系数比卤代烃制冷循环系统的高，即跨临界CO2制冷循环系统能源利用率高，因此，跨临界CO2制冷系统可以节约大量的能源。由于CO2的临界温度较低，运行压力为卤代烃制冷剂的6～8倍，对设备要求高，且CO2配件的研发和生产技术多被欧洲发达国家掌握，如何使跨临界CO2制冷系统在全球范围内更加高效、低廉的冷冻冷藏食品是未来研究的方向。

2.2 跨临界CO2制冷循环系统在汽车空调中的应用

由于环境问题，为避免汽车空调行业面临R134a替代困难的问题，必须加大对环保制冷剂的研究力度。金纪峰等[31]研究了由微通道换热器、气液分离器等制冷设备组成的CO2跨临界汽车空调系统，并对该系统进行了在线测试，发现制冷性能比R134a稍差，并测试了节流阀的开度、CO2压缩机的转速等对CO2汽车空调性能产生的影响，该系统与传热效率非常高的微通道气冷器相结合，提高了CO2汽车空调的制冷效率，并得出当压缩机转速900 r/min，环境温度25 ℃，系统COP达到最高为2.83。简林桦等[32]对CO2汽车空调中的气冷器进行了分析，用ANSYS软件对CO2气体冷却器的换热特性展开了讨论，研究了内部速度场和温度场的变化，分别分析了排气压力、制冷剂流量等对气体冷却器的换热影响，研究表明，减小气冷器的CO2出口温度时，排气压力的提高有助于增加制冷效率，通过增加冷却水的流量来减小气冷器的出口温度，也有助于提高制冷系统的性能。叶禾等[33]从压缩机、换热器、膨胀阀等设备出发，对汽车CO2制冷系统部件进行了状况分析，并从理论上说明了CO2制冷剂可以替代现有的卤代烃制冷剂，但CO2制冷空调工作的环境压力较高，对管路材料及其设备有较高的耐高压要求。

为了提高CO2制冷空调的效率，Yu等[34]将不同比例的CO2和丙烷进行混合，探究了不同比例下CO2和丙烷对CO2空调制冷效率的影响，并得出了CO2和丙烷的混合比例为3∶2时，此时系统COP达到最大值。CO2汽车空调系统中，压缩机是耗能的主要部件，石明星等[35]建立了CO2汽车空调压缩机稳态模型，得出CO2的质量流量、压缩机的输入功率、排气温度随压缩比的增加而增加。

2.3 跨临界CO2制冷系统在热泵技术中的应用

热泵是一种高效加热装置，可将能量由低温处传送到高温处，工作原理是逆卡诺循环。目前CO2热泵技术已开始应用于宾馆、医院、写字楼等场地[36]。以某宾馆为例，按每年热水需求量25 440 L，出水温度65 ℃，进水温度15 ℃，杨德宇等[37]研究了不同热源的热水器年耗能量和年耗费用，如表3所示。由表3可知，CO2热泵热水器的年实际耗能量和年运营费用比其他类型的热水器低，经济性能非常优越。

叶箐箐等[18]分析了带气冷器的CO2热泵系统，并对系统的特性进行了预测，得出该系统比传统的R134a系统节能23%。刘忠彦[13]应用CFD软件研究了CO2热泵的蒸发器，并分析了该换热器的换热特性。易长乐等[38]开发了一种小型家用CO2热泵系统，并对该系统的主要部件进行了选型设计。CO2热泵热水器具有高效、环保的优点，车媛媛等[39]搭建了一套CO2热泵热水器循环装置(图4)，并对循环的参数进行了设计计算，通过改变循环水的进口温度、进口流速等设计参数研究对系统性能的影响。陆军亮等[40]研究了水源型CO2热泵热水器系统，测试了换热器的进水温度对系统性能系数的影响。邹春妹等[41]在跨临界CO2热泵热水器中引入了喷射嘴，并对该CO2热泵热水装置进行了试验研究，分别分析了换热效率、喷射效率等参数对系统产生的影响。刘东岳等[42]对CO2热泵热水系统中毛细管的布置、内外部影响因素进行了分析，并对并联的3条毛细管用于节流进行了试验论证。Liu等[43]利用CO2变频压缩机制冷系统，对膨胀阀的开度、冷热水流量进行调节，研究发现，当压缩机的频率为50 Hz，膨胀阀的开度为330脉冲，冷热水流量分别为0.2，0.1 m3/h时，CO2热泵COP达到最大。Song等[44]从理论和试验上研究了水温对R134a和跨临界CO2系统的影响，并得出在-20～7 ℃，水温从15 ℃上升到32 ℃时，CO2热泵系统能耗有所下降，此时供热能力达到最佳。

表3 不同热源热水器的经济性对比†Table 3 Economic comparison of water heaters with different heat sources

† 热源单价：a. 元/kg;b. 元/m3;c. 元/(kW·h)。

1. 节流阀 2. 内部热交换器 3. 气体冷凝器 4. CO2压缩机 5. 储液器 6. 蒸发器

图4 CO2跨临界热泵循环装置图

Figure 4 Diagram of CO2trans-critical heat pump circulator

CO2作为制冷剂应用于热泵系统，与其他常规制冷剂相比可以达到更高的排气温度，CO2压缩机由于排气压力较高，压缩比较小，因此，压缩机的绝热效率较高，更加节能。对CO2跨临界系统的研究包括理论、试验研究、模型的建立，并利用中温和低温压缩技术、过冷技术进行优化设计。CO2热泵推广面临的首要问题是系统压力较高，对材料的要求及制造工艺更加严格，压缩技术有待完善，未来的CO2热泵技术可以与计算机控制深度融合，从而使CO2热泵更加高效、稳定、安全的运行[45]。

3 结论与展望

由于CO2无毒无味，化学性质稳定，作为制冷剂时，在食品行业、汽车空调、热泵中被逐渐采用，其中跨临界CO2制冷循环在食品冷冻冷藏及商超领域发展迅速，并可以通过高温冷凝热的回收生成高品质的热源，实现安全、低碳、高效的利用价值；跨临界CO2制冷循环应用于汽车空调上不仅可以减少环境污染，还可以提高制冷系数，因此，跨临界CO2循环汽车空调在未来有很大的应用空间；CO2热泵系统与普通的热泵系统相比，跨临界CO2热泵系统可以一次性得到90 ℃的热水，可以将低品位能源高效地转化为高品位能源，在高温热泵领域有相当大的优势，与其他类型热水器相比，其经济性能非常优越，但目前对家用热泵与大型CO2热泵的研究仍属于空白部分，有相当大的研究前景。

跨临界CO2系统换热器三维模型建立的研究较少，因此需进一步展开研究。此外，换热器增强换热也是未来研究的重点。CO2的临界温度低，排气压力高，节流损失比较大，因而对CO2和润滑油的相互作用及压缩机材料的密封性是未来研究的热点，以及开发无油压缩机和压缩机的微型化设计也将是重点关注的方向。总之，在大力倡导“绿色、环保、节能”的前提下，跨临界CO2制冷系统能够实现能源的节约，减少环境的破坏，符合环境友好型发展的需求。