一文全解：CO2冷媒

     本文将主要分享CO2冷媒的物性特点、优缺点、在欧洲的应用，以期为行业提供有益参考。

（示意图，不对应文中任何具体信息）

CO2冷媒的特点

   

（一）CO2制冷剂具有的主要优势   

1．CO2是天然物质，ODP=0，GWP=1。 使用CO2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，来源广泛，勿需回收，可以大大降低制冷剂替代成本，节约能源，从根本上解决化合物对环境的污染问题，具有良好的经济性。

CO2 的临界温度低、临界压力高。

★ CO2 的相图、压焓图和温熵图

2．CO2安全无毒、不可燃，并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。 万一泄漏对人体、食品、生态都无损害。

3．CO2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。

4．CO2黏度小，0℃时CO2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。

（二）CO2制冷剂存在的主要缺点及分析

1．CO2临界压力较高（7.38MPa） ，因此CO2跨临界制冷循环的工作压力较传统的亚临界两相制冷循环的工作压力高得多，约为传统制冷工质CFC或HCFC系统压力的６～８倍。

所以制冷系统中工质流经的管路系统必须经安全性分析。但是由于CO2的单位容积制冷量约为常规制冷剂的5～8倍，系统所需的CO2容积流量很小，而设备内气体的爆炸能量为压力与容积乘积的函数，所以虽然系统的工质压力高，但容积较小，其压力和容积的乘积与常规工质相差不大，设备内气体的爆炸能量增加的并不多。

以可靠性理论为依据，根据CO2跨临界制冷系统管道可靠性的不同影响因素及其变化规律，对不同管材情况下的可靠性进行深入地研究与分析，得到的结论是：当管路系统的管外径给定时，只要合理地选择管材和管壁厚度，就能保证系统在给定压力下运行的可靠性和安全性，CO2跨临界循环较高的运行压力是可以得到合理解决的；现有钢管基本可以直接应用，而现有铜管则需根据管径和壁厚经安全性分析后选用。因此CO2运行工作压力较高所引起的安全性问题，并不会影响CO2作为环保制冷剂推广应用的障碍。

2．CO2单级压缩跨临界循环的性能系数COP比相同温度条件下的R12、R22、R134a等常规制冷剂的制冷性能系数都低 。针对CO2制冷循环性能系数低的缺点，学者们经研究探索发现，完全可以通过完善系统循环方式、优化系统设备来解决，如采用双级压缩和采用膨胀机回收一部分膨胀功的措施加以改善，来提高制冷循环效率。有理论分析表明，采用膨胀机CO2跨临界循环的效率要高于常规制冷工质的节流膨胀循环。

 

 

CO2冷媒发展历史      

         

CO2制冷技术经历了一个漫长的发展过程，由早期的活跃期、中期的沉默期转至目前的焕发期。

1850 年 ：英国的 Alexander Twining 发表了使用 CO2 实现制冷的专利。

后来的几十年里 ：美国、德国和英国人陆续开发了相应的 CO2 制冷设备；

 1889 年 ：出现了双级压缩的 CO2 系统。

上个世纪初： CO2 作为冷媒被广泛用于海运冷藏系统，同时也出现在地面的空调以及冷冻等设备中。

1989 年： 在 Lorentzen 教授的一篇专利中提到使用 “跨临界” CO2 循环系统，并计划推广到汽车空调中；

1992 年： Lorentzen 和 Pettersen 发表了首个汽车 CO2 空调系统的实验数据，并与当时主流的 R12 系统做了比较，结果显示 在相同的换热器体积下 两者实际的综合效率相当。

 

CO2冷媒制冷循环分类      

         

CO2制冷循环种类较多，可分为单级、与其它工质组成的两级复叠式制冷循环、三级复叠式制冷循环等。

（1）相较于单级压缩制冷，双级或多级压缩制冷扩大了循环的工作温度差，可获得更低的制冷温度。

（2）当温差达到一定程度时，由于单一制冷剂不能同时具备较高的临界温度和较低的沸点温度，双级或多级压缩受到限制，无法实现有效制冷。

（3）复叠式制冷循环依靠两个独立的制冷循环系统，利用同一个冷凝蒸发器，将高温区和低温区的制冷循环叠加起来，用高温级的制冷量来承担低温级的冷凝负荷，从而获取较低制冷温度。

 

欧洲CO2冷媒的应用      

         

欧洲的 PIVOT2 项目对于环保型冷媒的应用前景是这样认识的：   CO 2  对于温室效应是理想的冷媒，适用于北方气候区，但其成本和产品重量较高；丙烷（代号 R290）可能更适合在欧洲南部高环境温度下使用   。

PIVOT2 项目的总体目标是开发环保、更轻、更便宜和更节能的客运列车技术。对于空调，开发目标是：1）开发使用天然冷媒的环保空调系统，2）降低车辆的能耗。

传统的列车空调系统使用人工合成冷媒（R134a 为主），有较强的温室效应。为了限制空调系统对环境的影响，欧盟委员会在 2014 年通过了 517/2014 号法规（即 F-gas 法规）。因为列车的寿命周期很长，欧洲的铁路服务商和车辆制造商需要对这个法规快速响应，新的列车应该在其空调系统中使用天然冷媒，比如 CO   2   。

在 PIVOT2 项目的第 18 个工作包，进行了两个不同的 CO   2    空调机组的规范定义、仿真和产品开发；这两个空调一个来自法维莱、另一个来自克诺尔。在此基础上，还进行了空调系统相关的基础性研究，包括了：

• 可选冷媒的特性和适用性

• CO 2  空调机组的风险分析

• 空调机组及其接口的标准化

在列车设计发生变化时，有必要进行风险分析，评估这个变化带来的安全方面的影响。使用 CO   2    替代以前的 R134a 冷媒时，同样需要进行风险分析。

风险管理的要求需要我们进行如下三个步骤的考虑：

• 对国际法规的符合性

• 对国家法规的符合性

• 对可靠的工程实践的符合性
  
  

国际性的法规包括：

• TSI Loc & Pas 1302/2014/EU——它列出了列车改造需要满足的规范。对于列车空调机组的变更，需要满足重量、文件、维护、空气质量、火灾安全性和 SIL 的规范要求。

• 压力设备指令 2014/68/EU

• 电磁兼容指令 2014/30/EU

• 机械指令 2006/42/EC

• REACH 法规 1907/2006

• 通用安全管理 CSM 风险评估 402/2013/EU
  

为   了提升标准化的程度，PIVOT2 项目定义了如下三组空调接口：机械接口、电气接口和控制接口。一个区域列车项目的 CO   2    空调已经开发完成了，在开发初期，空调提供商面临高开发成本、长的开发周期等问题，而且只有少部分部件可以沿用以往的车辆项目；而新的空调对于车辆制造商也存在一些未知；这也带来了接口定义的必要性。

★ 一体式空调的安装位置（绿色部分）

机械接口   需要考虑的方面包括了：

• 机械接口和固定点

• 与空气输送系统和风道（送风和回风，送风可能冷热分开）的机械连接

• 电气插头

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