二氧化碳制冷工程机械论文

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1二氧化碳制冷基本原理

二氧化碳在气体冷却器中温度变化大，使得气体冷却器进口空气温度与出口制冷剂温度较为接近，可减少高压侧不可逆传热引起的损失，并且二氧化碳的临界温度较低。因此，制冷循环采用跨临界制冷循环时，其排热过程不是一个冷凝过程，压缩机的排气压力与冷却温度是两个独立的参数，改变高压侧压力将影响制冷量、压缩机耗工量及系统的能效。研究表明，高压侧压力变化时，循环的能效存在着一个最大值，因此，二氧化碳跨临界制冷循环在对不同工况下，存在对应于最大能效值的最佳排气压力。二氧化碳在气体冷却器中较大的温度变化，用于热回收时，有较高的放热效率。

2二氧化碳制冷优势及其应用现状

2.1二氧化碳制冷应用现状

二氧化碳制冷目前已成功应用于商业建筑、冷藏库、热泵系统、汽车空调以及工程机械等领域。

2.1.1商业建筑1995年瑞典成功安装了第一个二氧化碳超市制冷系统。截至2011年，瑞典至少有180个超市采用了二氧化碳系统。丹麦于2004年安装了第一套超市二氧化碳跨临界循环制冷系统。2007年，泰国安装了亚洲的第一套超市二氧化碳复叠制冷系统。

2.1.2冷藏库目前我国食品加工与冷藏业中的大中型冷库80%都采用氨作为制冷剂。氨有毒性，需要增加安全保护措施。截至2005年，美国的冷库中氨仍然是一种主要的制冷剂，但二氧化碳已经在冷库制冷系统中得到实际应用。采用二氧化碳/氨复叠式制冷系统的大型冷藏库已经投入使用。

2.1.3汽车空调目前汽车空调中主要采用R134a。1996年德国生产的以二氧化碳为工质的公交客车空调投入运行。2003年欧洲已有部分汽车装备了二氧化碳空调系统。

2.1.4热泵系统中的应用1994年由挪威SINTEF率先对二氧化碳跨临界循环在热泵上的应用进行了理论和实验研究。在1995年，日本开发了二氧化碳为工质的家用热泵热水器。

2.2二氧化碳制冷剂优势

二氧化碳是碳的最高氧化状态，具有非常稳定的化学性质，即使在高温下也不分解产生有害气体。作为制冷剂其优点在于无毒、来源丰富、与普通润滑油相溶、容积制冷量大；同时具有优良的热力特性、安全特性和环保特性的天然制冷工质。二氧化碳制冷剂跨临界循环的放热过程可以和变温热源相匹配，从而可得到较高的能效。与其它制冷剂相比，二氧化碳具有下列优点:

2.2.1环境性能优良二氧化碳是自然界天然存在的物质，它的臭氧层破坏潜能(ODP)为零，温室效应潜能极小(GWP=1)。二氧化碳大多为化工行业的副产品，用它做制冷剂正好回收了原来排向大气的废物，从而使其温室效应为零。目前国际上已商业化使用或提出的潜在的环保工质氢氟烃(HFC)及其混合物不但会增加温室效应，还会产生其他未知的副作用。

2.2.2价格低廉二氧化碳来源广泛，价格低廉。二氧化碳制冷系统维护简单，无需回收或再生，操作与运行的费用较低。

2.2.3化学稳定性好二氧化碳无毒、无臭、无污染，不燃、不爆。对常用材料没有腐蚀性，在高温下也不分解产生有害气体，与水混合时呈弱酸性，可腐蚀碳钢等普通金属，但不腐蚀不锈钢和铜类金属。

2.2.4制冷效率高，稳定性好二氧化碳运动粘度低，压缩比低，单位容积制冷量大，有很好的传热性能。二氧化碳制冷效率高，稳定性好，容积制冷量较大，流动和传热性能高。

2.2.5设备尺寸小二氧化碳制冷较高的工作压力使得压缩机吸气比容较小，从而使得容积制冷量较大，压缩尺寸较小，流动和传热性能提高。减少了管道和热交换器的尺寸，从而使系统非常紧凑。

3二氧化碳制冷在工程机械领域的应用

3.1工程机械驾驶室热环境

工程机械驾驶室玻璃面积较大，室内热环境受外界影响大。太阳辐射通过玻璃窗将热量传入车内，玻璃面积较大时，可通过下式计算，通过玻璃窗进入室内的热量Qb可按下式计算：Qb=A•k(tb-ti)+C•A•qb式中：A为玻璃窗面积；K为玻璃窗的传热系数；tb为车室外温度，℃；ti为车室内温度，单位为℃；C为玻璃窗遮阳系数；qb为通过单层玻璃的太阳辐射强度。另外，受太阳辐射影响车身温度较高，从而影响驾驶室内温度。太阳照射包括直射和散射，车体外表面温度升高的同时也向外反射辐射热，车体外表面所受的辐射热Q1可按下式计算：Q1=(IG+IS-IV)F式中：IG为太阳直射辐射强度；IS为太阳散射辐射强度；IV为车体表面反射辐射强度，单位为W/m2；F为车体外表面积，m2。

3.2工程机械空调系统特点

工程机械的工作环境极其恶劣，其空调系统与冰箱和家用空调具有明显的区别。

1）工程机械空调系统往往在过热、灰尘、震动等恶劣环境情况下运行，对其质量和性能要求较高。

2）工程机械空调系统冷凝器和蒸发器均处于强制对流换热状态，均需耗费一定电能或发动机功率，而且冬夏季空调运行时，工程机械爬坡或加速等受到较大影响。

3）工程机械工作时往往震动较为剧烈，容易导致制冷剂泄漏，污染环境。

3.3二氧化碳空调在工程机械中的应用优势

二氧化碳空调系统应用于工程机械领域具备较佳的优势：

1）工程机械空调系统制冷剂易泄露、排放量大。采用二氧化碳作为制冷剂有完全环保的特点。

2）二氧化碳压缩比低，压缩机效率高。同时，高压侧二氧化碳温度变化大，使进口空气温度与二氧化碳的排气温度可以非常接近，减少了高压侧不可逆传热引起的损失。3）尺寸小二氧化碳空调系统可以满足工程机械安装和布置要求，并获得较高的效率，对工程车辆的节油和动力性能也有改善。

4结论

1）二氧化碳制冷剂性能良好，化学性质稳定，无毒、无臭、无污染，不燃、不爆。其臭氧层破坏潜能为零，温室效应潜能极小。价格低廉，来源丰富。

2）二氧化碳循环在跨临界条件下运行，压缩机的效率相对较高，在超临界条件下的特殊热物理性质使其在流动和换热方面都具有极大的优势，超临界流体良好的传热和热力学特性使得换热器的换热效率提高，并使得整个系统的能效较高。

3）二氧化碳制冷剂应用广泛，目前已成功应用于商业建筑、冷藏库、热泵系统、汽车空调以及工程机械等领域，具有理想的应用效果。

4）二氧化碳制冷在工程机械领域具有无污染，设备尺寸小，性能优良，对机械动力性能影响小等优势。二氧化碳制冷系统具备良好的工程实用价值，应用潜力巨大。

作者：乐俊 马庆 秦帆 单位：徐州市工程咨询中心 中国矿业大学电力工程学院