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[摘要]针对CFC和HCFC及HFC类制冷剂对大气臭氧层、全球温室效应影响问题，采用对比分析方法，分析了CO2作为替代制冷剂的明显优势和不足及应用前景。结果表明，CO2是理想的环保制冷剂之一，随着制冷与空调技术领域的发展必将会得到广泛应用。
[关键词]制冷剂 CO2 环保 性能
中图分类号：O69文献标识码：A文章编号：1671－7597（2009）0510099－02
在19世纪八十年代到20世纪三十年代，CO2曾作为第一代制冷剂被广泛地应用于制冷空调系统中，与氨制冷剂一样，是当时最为常用的制冷工质。但从20世纪30年代以后，由于当时技术水平比较差，CO2制冷剂低临界温度（31.1℃）和较高的临界压力（7.38MPa），使得CO2蒸汽压缩制冷循环效率较低，基本停用。然而从20世纪70年代起，由于发现了第二代制冷剂CFC和HCFC具有破坏大气臭氧层的作用和较高的温室效应，并且作为它们的替代制冷剂HFC同样具有较高的温室效应，而CO2作为天然工质，即不破坏臭氧层，全球温室效应又低，而且无毒、不可燃，并具有单位容积制冷量高等优点，又重新被人们所认识而获得再兴。近年来，对CO2作为环保制冷剂的研究一直是制冷空调技术领域中广泛关注的热点之一。
一、环保制冷剂的选择原则
作为环保制冷剂除了考虑应满足常规制冷剂在热力学、物理化学及经济性方面的基本要求外，更重要的是考虑要满足在安全性和环境影响方面的要求。
（一）安全性方面的要求
制冷剂应在工作温度范围内不燃烧、不爆炸，无毒或低毒；渗透能力弱，易于捡漏；万一泄露，无刺激性气味，对人体健康无损害，与食品相接触时无污染。
（二）环境影响方面的要求
制冷剂存留于大气中的寿命要短，以减少对人类赖以生存环境的影响。ODP（Ozone Deletion Potential）是表示制冷剂消耗大气臭氧分子潜在程度的指标，是基于CFC-11为1.0的相对比较值。作为环保制冷剂ODP值应为零或尽可能地小，以减少对大气臭氧层的破坏；GWP（Global
Warming Potential）是衡量制冷工质对全球气候变暖影响的指标，是基于作用100年的CO2为1.0的相对比较值，作为环保制冷剂GWP值要尽可能地低[1]。以减少对全球温室效应影响；另外应无光雾反应，对大气、水源和土壤等影响要少。
（三）热力学方面的要求
制冷剂的标准沸点要低，以满足制冷获得较低蒸发温度的要求；工作压力适宜，压力比要小，以减小压缩耗功和压缩级数；汽化潜热要大，单位容积制冷量要大些，以减少制冷剂的循环量，从而缩小制冷压缩机的尺寸；导热系数要高，以提高换热设备的换热效率。
（四）物理化学方面的要求
制冷剂的密度和黏度要小，以减少制冷剂在制冷系统中的流动阻力；能与润滑油良好相溶，以使压缩机各部分得到充分润滑；具有一定的吸水性，以免在系统的低温部分产生冰塞现象，不腐蚀金属，具有较好的化学稳定性和绝缘性；热稳定性好，高温下不分解。
（五）经济性方面的要求
生产工艺简单，成本低，价格便宜，容易获得。
二、CO2制冷剂的性质
常温下的CO2是一种无色、无嗅的气体，其热物性参数与常用制冷剂的性能比较见表1。
（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。
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%[5]，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[4]。
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[6]。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[2]。
三、CO2制冷剂的应用前景
自前国际制冷学会主席G．Lorentzen提出采用CO2作为环保制冷剂及跨临界循环理论以来[7]，CO2在环保和性能上的优势越来越多地吸引了世界各国学者研究的注意力，其系统和部件的开发也得到了很大的发展，现有研究结果表明，CO2系统在高环境温度（45℃以上）时，制冷性能低于传统系统，35～45℃间与传统系统相近，35℃以下时性能更优[5]。目前CO2跨临界循环在汽车空调、热泵、商用制冷装置、食品冷藏冷冻等方面的应用前景都很好，性能都相当于甚至好于原来采用R22或R12或R134a的制冷装置，特别适用于需要大的温度变化的场合，而且在较低的蒸发温度下性能较好[2]。
CO2作为一种天然制冷工质，就其物性特征而言，具有其他非天然工质不可比拟的优势。伴随着CO2制冷系统研究工作的不断深入，CO2作为新一代制冷工质将会得到进一步推广，相信在不久的将来，汽车空调系统、商用制冷系
统、住宅空调系统以及各个生产企业的热泵干燥系统将会大量使用CO2替代现有制冷工质。
四、结束语
作为制冷剂，人们希望它环保、高效、经济，但实际上并不存在一种十全十美的制冷剂。与其他制冷剂相比，CO2具有环保、安全、经济和单位容积制冷量等性能方面上的明显优势，也有运行工作压力和效率方面上的不足。目前的研究表明，只要合理选择管材和管壁的厚度，可保证CO2系统在跨临界压力下运行的安全性和可靠性，而合理改善CO2跨临界循环方式，可以有效地减少节流损失，提高系统的循环效率，CO2作为环保制冷剂之一，有着很好的应用前景，随着制冷与空调技术领域的发展必将会得到广泛应用。
参考文献：
[1]姜守忠，制冷原理[M].北京：高等教育出版社，2005.1.
[2]刘卫华，制冷空调新技术及进展[M].北京：机械工业出版社，2005.8.
[3]俞炳丰，制冷与空调应用新技术[M].北京，2003.8.
[4]刘圣春、马一太、管海清，CO2空气源热泵热水器的研究现状与展望[J].北京，2008.2.
[5]高洪亮，绿色替代制冷剂[M].河南：黄河水利出版社，2005.8.
[6]王侃宏，CO2跨临界循环的理论分析和实验研究，天津：天津大学，2000.
[7]Lorentzen G．The use of natural refrigerants：a complete solution to the CFC/HCFC predicament. Int J Refrig,1995,18（3）：190-197.
作者简介：
叶学群，阜新高等专科学校，副教授，研究方向：制冷与空调技术。
[关键词]制冷剂 CO2 环保 性能
中图分类号：O69文献标识码：A文章编号：1671－7597（2009）0510099－02
在19世纪八十年代到20世纪三十年代，CO2曾作为第一代制冷剂被广泛地应用于制冷空调系统中，与氨制冷剂一样，是当时最为常用的制冷工质。但从20世纪30年代以后，由于当时技术水平比较差，CO2制冷剂低临界温度（31.1℃）和较高的临界压力（7.38MPa），使得CO2蒸汽压缩制冷循环效率较低，基本停用。然而从20世纪70年代起，由于发现了第二代制冷剂CFC和HCFC具有破坏大气臭氧层的作用和较高的温室效应，并且作为它们的替代制冷剂HFC同样具有较高的温室效应，而CO2作为天然工质，即不破坏臭氧层，全球温室效应又低，而且无毒、不可燃，并具有单位容积制冷量高等优点，又重新被人们所认识而获得再兴。近年来，对CO2作为环保制冷剂的研究一直是制冷空调技术领域中广泛关注的热点之一。
一、环保制冷剂的选择原则
作为环保制冷剂除了考虑应满足常规制冷剂在热力学、物理化学及经济性方面的基本要求外，更重要的是考虑要满足在安全性和环境影响方面的要求。
（一）安全性方面的要求
制冷剂应在工作温度范围内不燃烧、不爆炸，无毒或低毒；渗透能力弱，易于捡漏；万一泄露，无刺激性气味，对人体健康无损害，与食品相接触时无污染。
（二）环境影响方面的要求
制冷剂存留于大气中的寿命要短，以减少对人类赖以生存环境的影响。ODP（Ozone Deletion Potential）是表示制冷剂消耗大气臭氧分子潜在程度的指标，是基于CFC-11为1.0的相对比较值。作为环保制冷剂ODP值应为零或尽可能地小，以减少对大气臭氧层的破坏；GWP（Global
Warming Potential）是衡量制冷工质对全球气候变暖影响的指标，是基于作用100年的CO2为1.0的相对比较值，作为环保制冷剂GWP值要尽可能地低[1]。以减少对全球温室效应影响；另外应无光雾反应，对大气、水源和土壤等影响要少。
（三）热力学方面的要求
制冷剂的标准沸点要低，以满足制冷获得较低蒸发温度的要求；工作压力适宜，压力比要小，以减小压缩耗功和压缩级数；汽化潜热要大，单位容积制冷量要大些，以减少制冷剂的循环量，从而缩小制冷压缩机的尺寸；导热系数要高，以提高换热设备的换热效率。
（四）物理化学方面的要求
制冷剂的密度和黏度要小，以减少制冷剂在制冷系统中的流动阻力；能与润滑油良好相溶，以使压缩机各部分得到充分润滑；具有一定的吸水性，以免在系统的低温部分产生冰塞现象，不腐蚀金属，具有较好的化学稳定性和绝缘性；热稳定性好，高温下不分解。
（五）经济性方面的要求
生产工艺简单，成本低，价格便宜，容易获得。
二、CO2制冷剂的性质
常温下的CO2是一种无色、无嗅的气体，其热物性参数与常用制冷剂的性能比较见表1。
（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。
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%[5]，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[4]。
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[6]。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[2]。
三、CO2制冷剂的应用前景
自前国际制冷学会主席G．Lorentzen提出采用CO2作为环保制冷剂及跨临界循环理论以来[7]，CO2在环保和性能上的优势越来越多地吸引了世界各国学者研究的注意力，其系统和部件的开发也得到了很大的发展，现有研究结果表明，CO2系统在高环境温度（45℃以上）时，制冷性能低于传统系统，35～45℃间与传统系统相近，35℃以下时性能更优[5]。目前CO2跨临界循环在汽车空调、热泵、商用制冷装置、食品冷藏冷冻等方面的应用前景都很好，性能都相当于甚至好于原来采用R22或R12或R134a的制冷装置，特别适用于需要大的温度变化的场合，而且在较低的蒸发温度下性能较好[2]。
CO2作为一种天然制冷工质，就其物性特征而言，具有其他非天然工质不可比拟的优势。伴随着CO2制冷系统研究工作的不断深入，CO2作为新一代制冷工质将会得到进一步推广，相信在不久的将来，汽车空调系统、商用制冷系
统、住宅空调系统以及各个生产企业的热泵干燥系统将会大量使用CO2替代现有制冷工质。
四、结束语
作为制冷剂，人们希望它环保、高效、经济，但实际上并不存在一种十全十美的制冷剂。与其他制冷剂相比，CO2具有环保、安全、经济和单位容积制冷量等性能方面上的明显优势，也有运行工作压力和效率方面上的不足。目前的研究表明，只要合理选择管材和管壁的厚度，可保证CO2系统在跨临界压力下运行的安全性和可靠性，而合理改善CO2跨临界循环方式，可以有效地减少节流损失，提高系统的循环效率，CO2作为环保制冷剂之一，有着很好的应用前景，随着制冷与空调技术领域的发展必将会得到广泛应用。
参考文献：
[1]姜守忠，制冷原理[M].北京：高等教育出版社，2005.1.
[2]刘卫华，制冷空调新技术及进展[M].北京：机械工业出版社，2005.8.
[3]俞炳丰，制冷与空调应用新技术[M].北京，2003.8.
[4]刘圣春、马一太、管海清，CO2空气源热泵热水器的研究现状与展望[J].北京，2008.2.
[5]高洪亮，绿色替代制冷剂[M].河南：黄河水利出版社，2005.8.
[6]王侃宏，CO2跨临界循环的理论分析和实验研究，天津：天津大学，2000.
[7]Lorentzen G．The use of natural refrigerants：a complete solution to the CFC/HCFC predicament. Int J Refrig,1995,18（3）：190-197.
作者简介：
叶学群，阜新高等专科学校，副教授，研究方向：制冷与空调技术。