CO_2在大_中型超市制冷系统中的应用.docx

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1、制冷技术2009年第 1 期342 ) ;低温区 :蒸发温度一般在 ( - 30 - 40 ) ,低温 陈列柜 、冷冻物冷藏库温度在 ( - 20 - 30 ) 。由于大 、中型超市制冷的冷量需求较大 ,并且负 荷变化范围较宽 ,两个温区一般都采用一套或多套并联机组 (每套并联机组由多台压缩机并联组成 )集中 供冷 ,且多采用直接膨胀式供液 。在美国 ,现有超市大部分都采用 R22 制冷剂 ,新 建超市以 R404A 或 R507制冷剂为主 。而在欧洲 ,由 于政府部门对环保问题特别重视 ,绝大部分新建超市都采用 R404A 或 R507 制冷剂等 H FC 制冷剂 , 同时 正积极尝试采用

2、CO2 制冷系统 , 并且已有相当数量 的应用 。在中国市场上 ,除国外著名的大型连锁超市如沃 尔玛 (W a lm a rt) 、家乐福 ( Ca rrefou r) 、乐购 ( Te sco ) 、欧尚 (A uchan)等采用 R404A 作制冷剂外 ,大部分内资 中 、大型超市都采用 R22作制冷剂 。目前 ,超市制冷系统的制冷剂泄漏严重 ,欧洲超 市每年平均的制冷剂泄漏率在 ( 15 30 ) % , 美国为25 %左右 3 ,大量的 H FC /HCFC 制冷剂泄漏给我们 生存的环境带来了潜在威胁 。目前 ,零售业及相关行业的许多企业已经提出尽快淘汰常规合成制冷剂的计划 4 。 2

3、007 年 3 月 , 英 国几大连锁超市集团宣布要在他们制冷设备中逐步淘汰 H FC s,而改用自然制冷剂 ;沃尔玛 、玛莎百货 、特易购 、森斯伯瑞 、塞莫菲尔德等全球著名超市集团也 都纷纷表示 ,在商业制冷领域继续使用 H FC s会与人们日益关心气候变化的趋势背道而驰 5 。因此 , Giro tto 6 认为在超市制冷系统中采用自然 制冷剂是必然的方向 。由于 CO2 具有很多优秀的热 物理特性 ,发展 CO2 超市制冷系统受到了特别重视 。2 CO 2 的特性CO2 具有很多优秀的热物理特性 ,如无毒 、不可燃 , OD P为 0、GW P为 1 ,良好的化学稳定性 : 即使在 高

4、温的情况下也不会分解出有害气体等等 。其特别 突出的性能有 :单位容积制 冷 量高 : 3 倍 10 倍 于 HCFC、H FC和 HC制冷剂 7 。如在 - 35 时其单位容积制冷量 为 R404A 的 6 倍 ,为 R22 的 7 倍 8 。在满足相同制比 R22 和 R404A 高 36 %和 60 % ; 在 - 10 时 , CO2的汽化潜热分别比 R22和 R404A 高 20 %和 46 % 。 热导率高 :20 时液体热导率分别为 R22和 R404A 的 3 倍 和 2倍 ;- 10 时 液 体 热 导 率 分 别 比 R22 和 R404A 高23 %和 50 % ;- 3

5、5 时 液 体 热 导 率 分 别 比 R22 和 R404A 高38 %和 64 % 9 。很高的导热性能和汽化潜热使得 CO2 的换热效 率明显高于 R22 和 R404A ,文献 10 指出 ,在同等蒸 发器换热 面积 的情 况下 , CO2 很 高的 换热 效 率 使 得 CO2 系统的蒸发温度至少可以比 R404A 高 2 K,从而 提高了 CO2 系统的效率 。粘性小 :在 ( - 35 - 10 ) 范围 , CO2 液体粘性仅为 R22 和 R404A 的 40 % 60 % 9 。相 对 于 R22 和 R404A 系统 ,在保证同等压降的前提下 , CO2 系统 可以选用更

6、高的流速 、可以选择更小的管径 ,从而节 约了管道成本 。成本低廉 : CO 为工业副产品 ,价格约为 H FC 的21 /51 /10 6 。 CO 应用在制冷上的不足之处主要是2其临界温度低 ( 31. 1 ) ,压力水平很高 (跨临界循环的高压达 12M Pa14M Pa) ,节流损失大 ,绝热指数偏 高 ( 1. 3 ) 。此外 , CO2 在空气中的限量值 ( 0. 1 kg /m3 ) 比 H FC s制冷剂低 ( 3. 5 6 ) 倍 ; 混入润滑油中后会 导致润滑油粘性急剧下降 。CO2 具有的众多优秀特性决定了其在超市制冷系统上有巨大的应用潜力 ,但同时 CO 的缺点 ,特别

7、2是其压力水平很高 , 给 CO 制冷系统的推广和大规2模应用带来了挑战 。3CO 2 用于大 、中型超市制冷的基本方式CO2 在大 、中型的超市制冷系统上的应用有三种基本方式 7 :1 )作第二制冷剂用于主制冷循环的 二次 回路 ,或称有相变的二次回路 。 与采用常规载冷剂的二次回路不同 , CO2 液体在蒸发器盘管内吸热蒸发 ,换热主要是通过相变的潜热交换完成 。2 )作主制冷剂 ,应用于亚临界系统 ,采用亚临界 循环 。一般与其它独立的中温回路一起组成复叠系统运行 ,中温回路的一个蒸发器用作 CO2 亚临界循 环的冷凝器 ,保证 CO2 处在亚临界区内循环 。冷量需求 时 , CO2 系

8、统 的压 缩 机 排 量 远 小 于和 R22。汽化潜热大 : 在 - 35 时 , CO2 的汽化潜热分别R404A2009年第 1期制冷技术353 )作主制冷剂 ,应用于跨临界系统 ,采用跨临界循环 。高压侧的排热 过程 (对应 常 规系 统的 冷 凝过 程 )是在跨临界区内完成 ,在这个过程中制冷剂不会 发生相变 。针对不同的应用需求和超市有中 、低温两段温区制冷的需要 ,可在以上 3 种基本方式的基础上 ,组合 出各种不同的混合系统 。3. 1 CO 2 作第二制冷剂的二次回路系统图 1给出了该系统的原理图 。系统包含两个回 路 :采用其它制冷剂 (如 HCFC、H FC 和 HC 制

9、冷剂 )由于采用了泵过量供液 ,可以通过调节循环倍率使换热效率达到最优值 。文献 13 给出了 CO2 泵供 液倍率的一些参考值 。由于采用了二次回路 ,主制冷回路的管道布置可 以集中在机房 ,因此能大幅减少主制冷回路的制冷剂充注量 。加拿大连锁超市 Lob lawd 的某个分店在低 温系统上采用 CO2 二次回路后 , 主回路的充注量减 14 少了 90 % 。此外 , CO2 为无毒的自然工质 ,系统轻微泄漏不 会污染存储货物 15 。在超市中温应用的蒸发 温度 附 近 ( - 10 -15 ) , CO2 的压力较高 , 为 2. 6M Pa 左右 。因此 , 出 于简化系统考虑 , C

10、O2 二次回路系统多用于超市的低 温应用 ,而中温常采用其它载冷剂的二次回路或者采 用主制冷剂直接膨胀的制冷方式 2 。CO2 作第二制冷剂的二次回路系统是 CO2 进入的主制冷 回 路 和 采 用路 。CO2 作 第 二 制 冷 剂 的 二 次 回超市制冷最先采用的方式 2 。由于 CO 二次回路系2统布置简单 、并可采用常规部件来构建系统 ,目前发展已较为成熟 16 。3. 2CO 2 亚临界复叠系统图 2 给出了 CO2 亚临界系统应用于超市低温负载制冷的系统原理图 。其循环与常规的制冷循环类 似 。 11 图 1 CO2 作第二制冷剂的二次回路系统大致流程为 : 从储液器流出的 液 体

11、 CO2 经 液泵加压后流经热负载 (展示柜或库房冷风机盘管 ) , 部 分液体吸热汽化后形成一定干度的气液两相流体 ,两相流体回到主制冷系统的蒸发器内重新冷凝为液体后 ,回到 CO2 储液器 ,进行下一次循环 。 相对于采用常规无相变的载冷剂 ,如乙二醇和氯 11 图 2 CO2 亚临界系统 (与中温 R404A 系统组成复叠式系统 )CO2 的临界温 度仅 为 31. 1 , 低 于典 型 的夏 季工况的环境温度 35 ,为实现 CO2 亚临界循环 ,除应 用在气温较低的地区外 ,必须采用其它的辅助循环使 CO2 的冷凝温度处在临界温度之下 。因此 CO2 亚临界系统通常都需要与常规的制冷

12、系统一起组成复叠 式系统 。在超市 制 冷 上 的 典 型 应 用 是 : 采 用 H FC s (如 R404A )的中温系统为超市的中温负载提供冷源 (蒸 发温度 : - 10 - 15 ) , 并在冷凝蒸发器中冷凝CO2 亚临界低温系统的 高压 排 气 , 保证 CO2 系统 运 12 化钙 , CO2 液体粘性要低 ( 1 2 ) 个数量级 。特别是在低温区 ,常规载冷剂的粘性随温度的下降而明显 增大 ,采用 CO2 能明显节约液泵耗功 。此外 , CO2 二 次回路为相变换热 ,换热系数很高 ,并且由于 CO2 汽化潜热大 ,满足同样换热量需求时 CO2 质量流量和液泵耗功较小 ,

13、因此可以减小输 送 管管 径和 液 泵型 号 ;并且 , 由于 CO2 换热系数很高 , 在同样换热可以有一定提高 ,主制冷回路的蒸发温度也可以有一定的提高 ,从而提高了整个系统的效率 。面积和换热量需 求的情况下 ,液体 CO2 的供液温度 。制冷技术2009年第 1 期36行于亚临界区域 ; CO2 亚临界系统为低温负载提供冷源 (蒸发温度 : - 30 - 40 ) ,直膨供液 。CO2 亚临界系统的压力水平约为 4M Pa,与现有 R410A 系统压力相当 , 远低于跨临界循环 12M Pa 左 右的压力水平 。亚临界方式或者含有亚临界的混合 方式是 CO2 应用于超 市制 冷 的重

14、要方 式 , 采 用 CO2 亚临界复叠系统的低温应用越来越多 ,其竞争力也越 来越强 2 。文献 2 根据供液方式和布置方式的不同 ,总结 了 CO2 亚临界复叠系统的多种应用方式 。3. 3CO 2 跨临界系统图 3 给出了 CO2 跨临界系统的原理图和对应的气体冷却器排出的超临界 CO2 流体经过压力调节阀节流 、减压后形成两相流 ,进入储液器 /气液分离器内 分离为两部分 : CO2 液体部分经过膨胀阀后进入蒸发 器吸热蒸发 ,形成过热气体流入压缩机吸气总管 ; 而 CO2 气体部分经过压力调节阀减压后也进入压缩机吸气管 ,与在蒸发器中吸热蒸发形成的过热气体混合 后进入压缩机压缩 ,如

15、此反复循环 。跨临界循环的最大特点在于 CO 的 吸 、放热 分2别在亚临界和跨临界区进行 ,高压侧的冷却过程中不 17 发生相变 ,换热全部通过显热交换完成。在现阶段 ,该系统的缺点是其效率较低 2 3 ,尤 2 其是当环境温度较 高 时 。此外 , 由 于跨 临 界循 环的排气压力高达 12M Pa左右 ,远高于常规系统 ,现有 的系统部件相对较少 ,因此跨临界循环的应用受到了 一定限制 。但由于在跨临界循环的基础上 ,能实现超 市中 、低 温 全 部 采 用 CO2 制 冷 , 也 即“完 全 CO2 制 冷 ”,完全实现自然制冷剂制冷 。因此 , 跨临 界循 环是当前 CO2 制冷应用

16、的研究热点 。为提高 CO2 跨临界循环的综合效 率 , 可 以对 高压侧的排热进行热回收加以利用 7 , 独特 的 超临 界 放热特性使得 CO2 跨临界循环系统特别适合于需要 热回收的场合 1 2 。此外 ,为提高系统效率并降低排气温度 ,对低温 应用或吸 、排气压差较大的场合 ,可采用双级压缩循 环的跨临界系统 2 18 。3. 4 复合系统为满足超市两段温区制冷的需要 ,并考虑到特定 的应用场合以及提高系统的整体 效率 , 在 实 际应 用 时 ,往往是在以上 3 种基本方式的基础上 ,组合出不同应用系统 ,本文称之为复合系统 。图 4 给出了 2 种 复合系统 。图 4 ( a)中

17、,中温采用 H FC /CO2 作第二制冷剂的 二次回路 、低温采用 CO2 亚临界循环 。该系统中所 有 H FC回路集中在机房内 ,大幅减少了 H FC 制冷剂的充注量 。图 4 ( b)中 ,中温采用 CO2 跨临界循环 、低温采用 CO2 亚临界循环 ,该系统实现了超市中 、低温应用的 “完全 CO2 制冷 ”。4 各种方案比较及选择应用实践证明 ,以上几种方案都是可行的 ,并且 都已有商业应用实例 。对以上方案进行实际应用选 择时 ,需要考虑以下几个方面 19 :h 图 。lgp -( a)原理图 11 ( b)对应的 lg p - h图图 3 CO2 跨临界系统其大致流程为 :压缩

18、机排出的高温 、高压 CO2 气 体进入气体冷却器进行冷却 ,由于其压力高于临界压 力 ,故 气 体 冷 却 器 中 的 CO2 气 体 不 会 冷 凝 为 液 体 。2009年第 1期制冷技术37产的情况下 ,中温采用 CO2 跨临界循环 、低温采用亚临界循环的“完 全 CO2 制 冷 ”系 统 的 成 本 比 R404A直膨系统高 20 %以上 。宁静红等的分析表明 15 ,在冷凝温度高于 32 时 ,中 温 采 用 R290 /CO2 二 次 回 路 系 统 、低 温 采 用 R290 /CO2 亚临界复叠系统的效率高于 R404A 直膨 系统 。文献 11 的比较结果显示 ,低温采用

19、H FC /CO2 亚临界复叠循环的效率与 R404A 直膨系统相当 , 而 中温采用 CO2 跨临界循环在高环境温度时其效率比 R404A 直膨系统低 。总体上 :( 1 ) CO2 作第二制冷剂的二次回路系统 ,其系统 布置简单且能利用现有传统制冷系统的部件 。其能 耗高于现有的 R404A 直膨系统 ,但低于采用常规载 冷剂的二次回路系统 。( 2 ) CO2 亚临界系统与常规制冷剂循 环 一起 组 成的复叠系统 ,其效率与现有的 R404A 直膨系统相 当 ,而初投资略高 。综合初投资 、系统效率和实用性三方面因素 ,中 温采用 H FC /普通载冷剂的二次回路循环 、低温采用H FC

20、 /CO2 亚临界 复 叠 循 环 系 统 是 目 前 超 市 全 H FC直膨制冷的最佳替代方案 3 16 20 。( 3 ) CO2 跨临界系统的整体效率比 R404A 直膨 系统低 , 安装费用较高 。但利用 CO2 跨临界循环能 实现“完全 CO2 制冷 ”。 CO2 跨临界系统更适合于低 环境温度的地区 (有相当长的时间段以亚临界循环 方式运行 )和有热回收需求的场合 2 。5 相关产品由于 CO2 制冷系统的巨大应用潜 力 , 各 大商 用冷冻设备厂商纷纷加大了在 CO2 系统上的研发 , 并 取得了不少成果 。已 有不 少 文献 分析 、总 结 了现 有 CO2 制冷产品的研发情

21、况 ,如文献 1 7 21 22 以跨临界系统为重点 , 介绍了 CO2 部件设计和开发 的情况 。文献 23 介绍了 CO2 零部件开发 、设计和 应用的一些注意点 。下面针对现有的 CO2 商用冷冻 产品的情况做一个介绍 。压缩机方面 :意大利 Do rin公司推出了 CO2 单级 亚临界 、单级跨临界和双级跨临界半封闭活塞压缩机 产品 ,其冷量范围可覆盖商业冷冻的常规应用需求 ; 德国 B itze r公司已推出部分系列的跨临界应用的半 封闭活塞压缩机 ; 德国 Bock 公司也推出了亚临界应( a)( b)图 4 CO2 复合系统 11 ( 1 )应用地区对 H FC制冷剂的限制政策

22、;( 2 )初投资和运行成本 ; ( 3 )能耗指标 。同时 ,必须考虑应用地区全年的气候条件 。 已有不少文献针对特定的应用条件 ,从成本和效率角度对 超 市 的 各 种 CO2 制 冷 系 统 作 了 分 析 和 比 较 。H e iboke l ( 2001 ) 的实测 结果 显 示 2 : 中 、低 温均 采用 R404A /CO2 二次回路系统比 R404A 直膨系统的能耗高 6 % (采用盐水二次回路系统比 R404A 直 膨系统高 20 % ) ,而中温采用 R404A 直膨 、低温采用CO2 亚临界复叠系统的能耗仅比 R404A 直膨系统高2 % 。Giro tto 等 的分

23、析表 明 2 : 在意 大利 的 气 候 条 件 下 ,中温采用 CO2 跨临界单级循环 、低温采用 CO2 跨 临界双级循环的安装费用至少比 R404A 直膨系统高10 % ,能耗高 8 %以上 。但当环境温度较低时其效率 有比较优势 ,如在欧洲中部或者北部地区 ,其效率与 R404A 直膨系统相当甚至更高 。Giro tto等经过实测分析后指出 3 :在目前缺乏量制冷技术2009年第 1 期38用的半封闭活塞压缩机系列 。此外 , Em e rson 公司推出了 CO2 亚临界应用的涡旋式压缩机 , 并在积极研 究超临界涡旋式压缩机 。零部件方面 :对亚临界系统 ,由于 CO2 机组的高

24、压侧压力在 4M Pa左右 ,与现有 R410A 系统相当 ,因此 ,大部分用于 R410A 系统的部件无需作太大修改 2 个超市采用了 CO2 系统。同时 ,作者所在公司 H ea tc raft的欧洲运营公司 的 CO2 第二 制 冷 剂 产 品 的 销 量 在 过 去 几 年 增 长 迅速 。作者从 H ea tc raft最近对欧洲客户和工程商的调 研报告中了解到 , 欧洲地区采用 CO2 亚临界复叠系 统的案例越来越多 ,特别是在已出台制冷剂征税政策 的北欧国家 ,其趋势明显 。从 2001年开始 , Ca rrie r - L inde 公司已经在欧洲 24 即可应用于 CO2 亚

25、临界系统 。而对跨临界系统应用的部件 ,其设计压力需要考 虑到 12M Pa,远远超过常规系统 ,因此需要特别设计 。D anfo ss、Spo rlan、H an sen、Fu jikok i和 H en ry 等 公 司已有 较 齐 全 的 亚 临 界 系 统 的 配 套 阀 件 , Ca re l 和D anfo ss也已经推出了用于亚临界和跨临界系统的电 子膨胀阀和对应的电子控制器 ; A lfa L ava l和 Swep 公 司也已经推出亚临界应用的板式换热器 ; Temp rite公司已推出了亚临界和跨临界应用的油路产品 。 系统方面 :世界各大商业冷冻系统集成商几乎都已经推出了

26、相应的产品 ,如 H ea tc raft, Ca rrie r - L inde,H u ssm ann, Ep ta, Sta r R efrige ra tion, Green & Coo l 14 。 总体上 , CO2 亚临界系统的零部件和系统的发展水平较高 ,产品种类和系列也较齐全 ,而 CO2 超临界 系统的零部件和系统尚处在研发阶段 ,产品种类和系列较少 11 ,但各大商用冷冻公司正积极加大在超临 界系统和产品开发上的投入 。6 CO 2 制冷系统在各国超市的应用现状目前 ,超市 CO2 制冷系统的应用数量不断增长 ,全球各大连锁超市集团 ,特别是本部在欧洲的超市集 团

27、 ,纷纷设立 CO2 制冷示范店 ,如英国最大的超市连 锁商 Te sco (乐购 ) ,瑞士第二大的零售集团 Coop ,加 拿大领先的零售集团 Lob law 和全球最大的连锁超市 W a lm a rt等等 14 。下面 ,对超市 CO2 制冷系统在各地 区的 应 用作 一个简单介绍 。在欧洲 ,各国政府对环保问题比较重视 ,对影响环境的制冷剂有很明确的政策限制 , 这为 CO2 制冷 系统的应用提供了很好的政策环境 。特别是北欧的 一些国家如丹麦 、瑞典 、挪威等 ,甚至通过对影响环境 的卤代烃制冷剂进行征税来引导企业和社会采用更 环保 、更节能的制冷系统 , 得益于此 , 采用 CO

28、2 作第 二制冷剂的二次回路系统在北欧已经得到了大量应 用 7 。1995 年 ,在政府的资助下 ,瑞典成功安装了第一 个 CO2 超市制冷系统 ,截至 2007 年 ,瑞典至少有 100 8 成功安装了 100多套 CO2 亚临界超市制冷系统。丹麦于 2004 年 安 装了 第一 套 超市 CO2 跨临 界 循环制冷系统 ,截至 2007 年 ,已至少安装了 20 套超 2 市 CO2 跨临界制冷系统。据意大利 Do rin公司统计 ,截至 2007 年 ,至少有70 个超市已采用了 CO2 跨临界制冷系统 。 在美洲地区 ,与欧洲不同 ,经济利益是选用制冷剂的主要出发点 16 ,因此 CO

29、 制冷系统在美洲超市2制冷上的推广速度较慢 ,应用实例相对较少 。1996年 ,美洲市场上首套 CO2 制冷系统安装完 成 ,该系统中 CO2 作中温系统的二次回路的第二制 冷剂 。从 2006年开始到 2008年 7月 ,北美市场上至少安装了 8 套 CO 作第二制冷剂的低温系统 , 首套2采用 CO2 亚 临 界 复 叠 式 的 低 温 制 冷 系 统 也 已 经 在2008年得到应用 24 。超市 CO2 制冷系统在亚太地区的的应用主要集 中在澳大利亚和新西兰 。 H u ssm ann公司称其已在该 20 区域安装了 4套 CO2 制冷系统。2007年 , Ca rrie r - L

30、inde与澳大利亚 F rigrite公司 合作在泰 国 安 装 了 亚 洲 的 第 一 套 超 市 CO2 制 冷 系统 8 。在我国 ,没有看到超市应用 CO2 系统的报道 。 总之 , CO2 制冷系统在欧洲超市的发展趋势十分明显 ,尤其是在北欧国家 ;在美洲和亚洲 ,其应用实例较少 ;而在澳大利 亚和 新 西兰 , 其 应用 也 越来 越多 。 在 CO2 制冷的 3 种基本方式中 ,将 CO2 作第二制冷 剂的系统已经得到了较广泛的应 用 , 发展 也 最为 成熟 ; CO2 亚临界复叠系 统为 现阶 段 超市 CO2 制冷 应 用的主流 ,已有众多的应用 ; 由于超临界系统能实现

31、超市的“完全 CO2 制冷 ”,已经引起人们越来越多的 关注 ,欧洲市场上也已有一定数量的应用实例 。7 前景展望尽管到目前为止 , CO2 超市制冷系统的系统效率2009年第 1期制冷技术39不特别具有竞争力 , 投资成本也相对较高 25 26 , 但随着人们环保意识的增强 、以及对环境有影响的制冷 剂的逐步淘汰 ,并随着 CO2 制冷技术的发展 、CO2 制 冷效率的提高以及向规模化应用方向的进步 , CO2 在 大 、中型超市制冷上的应用前景十分乐观 , CO2 已经 成为最有前途的制冷剂之一 25 。对还是发展中国家的中国而 言 , 发展 CO2 在超 市制冷上的应用其意义更为深远 ,

32、目前 ,中国的温室 气体排放量已经占到整个发展中国家排放总量的一 半 26 ,中国政府已将节能减排作为一项重要的指标 考核各地政府部门的工作 。此外 ,中国人口众多 ,随 着生活水平的提高 ,超市业的潜力巨大 ,因此推广超 市 CO2 制冷系统对我国具有重要的意义 。p e rfo rm ance EB /OL . 2008. h ttp: / / ac r - new s. com / new s 11 H e rm ann R enz. Cha llenge s fo r the u se of na tu ra l R efrigeran ts in Sup e rm a rke ts

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