摘要：冰場以二氧化碳R744為制冷劑并推送到冰面下直接蒸發的制冰技術被認為是一種綠色低碳、高效節能的冰場制冰方案。從超臨界CO2特性的研究、CO2制冷設備的研究和開發以及CO2跨臨界循環系統安全和可靠性方面展開論述，解釋了二氧化碳跨臨界循環制冷的發展趨勢。

關鍵詞：冰場；二氧化碳；跨臨界循環；制冷

前言：

作為制冷劑之一，CO2在19世紀得到了廣泛的應用。到19世紀30年代，世界上約80%的船舶采用了CO2制冷，但是當時的CO2制冷效率不夠高，功耗極大，并逐漸被同期出現的以R12為代表的氟氯烴制冷劑代替。近年來，制冷劑對臭氧層破壞加劇，且造成了全球溫室效應等諸多環保問題，CO2作為制冷劑重新出現在公眾視野中。本文將對CO2跨臨界循環制冷的研究現狀和進展進行介紹。

一、CO2跨臨界制冷循環流程及其特點

CO2跨臨界制冷循環基本流程

CO2跨臨界制冷系統流程圖如圖1所示，壓縮機對氣體工質進行壓縮，使其壓力升至超臨界壓力之上，（f—a過程），進而在氣體冷卻器內由冷卻介質對其進行冷卻（a—b過程）；為使制冷壓縮機的性能系數（COP）有所提高，在內部回熱器中，壓縮機將進一步對從氣體冷卻器中釋放的氣體進行回氣冷卻（b—c,e—f過程）；最后進行節流降壓（c—d過程），部分液體發生液化，在進入蒸發器后，濕蒸氣發生汽化（d—e過程）進而對附近的介質熱量進行吸收，最終達到了制冷目的。儲液器的作用是進行液氣分離并負責制冷劑的補充。

圖1 CO2跨臨界制冷系統流程圖

本系統的顯著特點是工質的吸熱和放熱過程在相對應的亞臨界區和超臨界區分別進行，壓縮機的吸氣壓力要比臨界壓力低，臨界溫度高于蒸發溫度，循環吸熱過程依然在亞臨界狀態下發生，通過潛熱完成換熱過程。但是臨界壓力低于壓縮機的排氣壓力，所以工質的冷凝過程不同于其在亞臨界狀態下的過程，而是通過顯熱實現換熱過程。

CO2跨臨界制冷循環特點

CO2跨臨界的優點

CO2具有無毒、來源豐富、制冷量大等優點。這是一種天然的、兼備熱力特性、環保特性、安全特性的制冷工質。

CO2跨臨界循環的高能效

在CO2跨臨界循環系統在運行狀態下具有較高的工作壓力，但是其壓比相對較低，且壓縮機的工作效率較高；在超臨界狀態下，流體所具備的特殊熱物理性質使其在流動和換熱方面具有極大的優勢，采用CO2作為制冷劑使得整個制冷系統能效很高。在氣體冷卻器中，CO2 有很大的溫度變化，氣體冷卻器進口處的空氣溫度有可能近似接近于出口制冷劑的溫度，從而減少了高壓側不可逆轉傳熱導致的損失。

CO2跨臨界循環具有好的排氣壓力

CO2的臨界點為31℃（7.38MPa），其臨界溫度較低，在采用跨臨界循環制冷時，制冷循環的排熱過程并不是一個冷凝過程，壓縮機的冷卻溫度和排氣壓力分別是兩個獨立的數據。通過研究表明，循環的COP隨著高壓側壓力的變化存在一個高值。所以，CO2跨臨界制冷循環系統在各種工況下，存在了與大COP值相對應的排氣壓力。

CO2跨臨界循環對熱泵效率有提升作用

在大多數傳統的空調系統中，冷凝熱都被當作廢熱直接排放出去，這樣不僅對局部環境造成了熱污染，也浪費了能量。在超臨界區工質密度持續升高的情況下，循環的放熱過程在面對跨臨界循環必然有很大的溫度滑移。這種溫度滑移匹配于與所需的變溫熱源，屬于勞倫茲循環中特殊的一種，在將其用于熱回收過程中，必然會產生很高的放熱效率。這是一種獨特的優勢，能較好地應用于高溫和溫差較大所需要的熱回收。CO2這種大幅度的溫度變化非常適用于水的加熱，熱泵的效率因此較高。

二、CO2跨臨界循環設備的研究和開發

在CO2跨臨界循環中，氣體冷卻器、制冷壓縮機、蒸發器和膨脹機或膨脹閥是其主要設備；輔助設備包括回熱器、中間冷卻器和儲液器等等。

制冷壓縮機

在整個系統運轉中，制冷劑對其效率和可靠性影響最大。容積效率、指示效率是壓縮機工作性能的衡量指標。在壓縮過程中，這兩個數值主要受氣閥和氣腔的壓力損失、氣體與氣缸傳熱、氣缸泄露等因素影響。在諸多因素中，氣缸泄露對壓縮機性能影響最大。氣缸泄露分為活塞與氣缸間隙泄露和出口氣閥泄露，在這其中，活塞間隙泄露又是影響壓縮機工作狀態的重要因素。要降低泄露，首先要減小密封長度，然后采取有效措施進行補漏。

（二）氣體冷卻器

根據超臨界狀態下CO2的特性，以緊湊式微通道換熱器為中心展開對氣體冷卻器的研究和開發。

在超臨界狀態下，CO2的壓力較高，出口溫度并不依賴于出口壓力，所以較大的壓降是允許的。在超臨界狀態下，CO2具有非常好的熱傳導性，因此制冷劑的流量密度設計相對較大（600—1200kg/m2s）,所采用的管徑也比較小。

（三）蒸發器

制冷劑的物性特點是促使蒸發器向小管徑、流量高密度和高換熱系數方向發展的主要原因。

“平行流”式的蒸發器性能較高，是蒸發器今后的主要發展方向。CO2平行微管式蒸發器由平行微管、積液管和微管之間的空氣肋片構成，與空氣冷卻器的結構形式相同。但在蒸發器內，CO2的密度變化幅度高于氣體冷卻器，所以用于蒸發器的微管數相對也比較多。

（四）膨脹機

對于CO2跨臨界制冷循環系統來說，膨脹機的設計開發是其中比較困難的一步。膨脹比的確定、泄露和耐壓問題是需要解決的關鍵問題。

在膨脹機內，CO2由超臨界狀態發生膨脹后轉入液態，并進一步膨脹至氣液兩相區，膨脹機內CO2的相態由此變化復雜，且在超臨界狀態下，CO2的物理參數在其向液態轉變時會有不穩定性，膨脹比因此很難進行確定。通過大量的研究報告發現，CO2膨脹機在其研制過程中，關鍵的就在于其耐壓與泄露問題的解決。

三、CO2跨臨界循環系統的安全與可靠性

CO2制冷系統的安全性首先要對其高壓的安全性予以保障。這要求各個系統部件和管道的設計要滿足承壓要求，并且在超壓狀況下系統運行的安全性；其次對CO2和潤滑油的相互作用的研究需要進一步加強，對CO2和橡膠的滲透與爆發性解壓作用的研究有待進一步深入，以避免泄漏問題的發生，提高系統安全性與可靠性。

四、結束語

（一）CO2制冷循環系統的特點

CO2是一種兼備良好的熱力特性、環境特性和安全性的自然工質；CO2在跨臨界狀態下循環運行，工作壓力較高，但是壓比相對較低，壓縮機也有相對較高的效率；在不同工況下，CO2跨臨界制冷循環中存在與大COP值相對應的排氣壓力；CO2跨臨界制冷循環用于高溫和較大溫差所需要的熱回收具有其特有的優勢。

（二）對CO2特性在超臨界狀態下的研究

在超臨界下CO2特性基本特性已經得到證實與認可

（三）對CO2制冷設備和系統安全可靠性的開發與研究：

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