二氧化碳具有高密度和低粘度，其流動(dòng)損失小、傳熱效果良好，并且通過(guò)對(duì)傳熱作用的強(qiáng)化，可以彌補(bǔ)其循環(huán)不高的缺點(diǎn)。同時(shí)二氧化碳環(huán)境表現(xiàn)優(yōu)良、費(fèi)用低易獲取、穩(wěn)定性好、有利于減小裝置體積。最重要的是，其安全無(wú)毒，不可燃，這一點(diǎn)比R290具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

  當(dāng)然，采用二氧化碳為制冷劑也有缺點(diǎn)，二氧化碳高的臨界壓力和低的臨界溫度也給它做制冷劑帶來(lái)了許多難題。無(wú)論亞臨界循環(huán)還是跨臨界循環(huán)，二氧化碳制冷系統(tǒng)的運(yùn)行壓力都將高于傳統(tǒng)的制冷空調(diào)系統(tǒng)，這必然會(huì)給系統(tǒng)及部件的設(shè)計(jì)帶來(lái)許多新的要求。同時(shí)現(xiàn)階段還存在二氧化碳制冷系統(tǒng)的效率相對(duì)較低的問(wèn)題。

  目前二氧化碳的研究和應(yīng)用主要集中于三個(gè)方面：

  第一方面是汽車(chē)空調(diào)領(lǐng)域，由于制冷劑排放量大，對(duì)環(huán)境的危害也大，必須盡早采用對(duì)環(huán)境無(wú)危害的制冷劑;(選用多元醇酯冷凍油SP-100)

  第二方面是熱泵熱水器，二氧化碳在超臨界條件下放熱存在一個(gè)相當(dāng)大的溫度滑移，有利于將熱水加熱到一個(gè)更高的溫度;(選用多元醇酯冷凍油SP-68)

  第三方面是考慮到二氧化碳良好的低溫流動(dòng)性能和換熱特性，采用它作為復(fù)疊制冷循環(huán)低溫級(jí)制冷劑。(選用多元醇酯冷凍油SP-32)

  在復(fù)疊式制冷系統(tǒng)中，二氧化碳循環(huán)在亞臨界條件下運(yùn)行。此時(shí)二氧化碳用作低溫側(cè)制冷劑(選用多元醇酯POE冷凍油)，高溫側(cè)用氨作制冷劑(選用礦物油MO)。二氧化碳與其它低壓制冷劑相比，即使處在低溫，粘度也非常小，傳熱性能良好，因?yàn)槔脻摕幔渲评淠芰ο喈?dāng)大。

  目前，歐洲在超市中已建立了幾個(gè)這種用二氧化碳作低溫制冷劑的復(fù)疊式制冷系統(tǒng)，運(yùn)行情況表明技術(shù)上是可行的，這種系統(tǒng)還適用于低溫冷凍干燥過(guò)程。

  熱泵熱水器領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)即將出臺(tái)二氧化碳熱泵熱水器的核心配件標(biāo)準(zhǔn)——GB/T26181-2010。參與標(biāo)準(zhǔn)制定的上海日立電器有限公司熱泵推進(jìn)辦公室部長(zhǎng)樂(lè)紅勝認(rèn)為，雖然在國(guó)內(nèi)采用二氧化碳制冷劑的熱泵熱水器還沒(méi)問(wèn)世，核心部件壓縮機(jī)也處于研發(fā)階段，“但這一超前標(biāo)準(zhǔn)的制定，將會(huì)對(duì)產(chǎn)品的市場(chǎng)推廣起到良好的作用。”

  CO2制冷劑具有的主要優(yōu)勢(shì)

  1.CO2是天然物質(zhì)，ODP=0，GWP=1。使用CO2作為制冷工質(zhì)，對(duì)大氣臭氧層沒(méi)有破壞作用，可以減少全球溫室效應(yīng)，來(lái)源廣泛，勿需回收，可以大大降低制冷劑替代成本，節(jié)約能源，從根本上解決化合物對(duì)環(huán)境的污染問(wèn)題，具有良好的經(jīng)濟(jì)性。

  2.CO2安全無(wú)毒、不可燃，并具有良好的熱穩(wěn)定性，即使在高溫下也不會(huì)分解出有害的氣體。萬(wàn)一泄漏對(duì)人體、食品、生態(tài)都無(wú)損害。

  3.CO2具有與制冷循環(huán)和設(shè)備相適應(yīng)的熱物性。分子量小，制冷能力大，0℃的單位制冷量比常規(guī)制冷劑高5～8倍，因而對(duì)于相同冷負(fù)荷的制冷系統(tǒng)，壓縮機(jī)的尺寸可以明顯減小，重量減輕，整個(gè)系統(tǒng)非常緊湊;潤(rùn)滑條件容易滿足，對(duì)制冷系統(tǒng)常見(jiàn)材料無(wú)腐蝕，可以改善開(kāi)啟式壓縮機(jī)的密封性能，減少泄漏。

  4.CO2黏度小，0℃時(shí)CO2飽和液體的運(yùn)動(dòng)黏度只是NH3的5.2%、R12的23.8%，流體的流動(dòng)阻力小，傳熱性能比CFC類(lèi)制冷劑更好，可以改善全封閉制冷壓縮機(jī)的散熱。

  CO2制冷劑存在的主要缺點(diǎn)及分析

  1.CO2臨界壓力較高(7.38MPa)，因此CO2跨臨界制冷循環(huán)的工作壓力較傳統(tǒng)的亞臨界兩相制冷循環(huán)的工作壓力高得多，約為傳統(tǒng)制冷工質(zhì)CFC或HCFC系統(tǒng)壓力的6～8倍。

  所以制冷系統(tǒng)中工質(zhì)流經(jīng)的管路系統(tǒng)必須經(jīng)安全性分析。但是由于CO2的單位容積制冷量約為常規(guī)制冷劑的5～8倍，系統(tǒng)所需的CO2容積流量很小，而設(shè)備內(nèi)氣體的爆炸能量為壓力與容積乘積的函數(shù)，所以雖然系統(tǒng)的工質(zhì)壓力高，但容積較小，其壓力和容積的乘積與常規(guī)工質(zhì)相差不大，設(shè)備內(nèi)氣體的爆炸能量增加的并不多。

  以可靠性理論為依據(jù)，根據(jù)CO2跨臨界制冷系統(tǒng)管道可靠性的不同影響因素及其變化規(guī)律，對(duì)不同管材情況下的可靠性進(jìn)行深入地研究與分析，得到的結(jié)論是：當(dāng)管路系統(tǒng)的管外徑給定時(shí)，只要合理地選擇管材和管壁厚度，就能保證系統(tǒng)在給定壓力下運(yùn)行的可靠性和安全性，CO2跨臨界循環(huán)較高的運(yùn)行壓力是可以得到合理解決的;現(xiàn)有鋼管基本可以直接應(yīng)用，而現(xiàn)有銅管則需根據(jù)管徑和壁厚經(jīng)安全性分析后選用。因此CO2運(yùn)行工作壓力較高所引起的安全性問(wèn)題，并不會(huì)影響CO2作為環(huán)保制冷劑推廣應(yīng)用的障礙。

  2.CO2單級(jí)壓縮跨臨界循環(huán)的性能系數(shù)COP比相同溫度條件下的R12、R22、R134a等常規(guī)制冷劑的制冷性能系數(shù)都低。針對(duì)CO2制冷循環(huán)性能系數(shù)低的缺點(diǎn)，學(xué)者們經(jīng)研究探索發(fā)現(xiàn)，完全可以通過(guò)完善系統(tǒng)循環(huán)方式、優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)備來(lái)解決，如采用雙級(jí)壓縮和采用膨脹機(jī)回收一部分膨脹功的措施加以改善，來(lái)提高制冷循環(huán)效率。有理論分析表明，采用膨脹機(jī)CO2跨臨界循環(huán)的效率要高于常規(guī)制冷工質(zhì)的節(jié)流膨脹循環(huán)。

  CO2制冷劑的應(yīng)用前景

  自前國(guó)際制冷學(xué)會(huì)主席G.Lorentzen提出采用CO2作為環(huán)保制冷劑及跨臨界循環(huán)理論以來(lái)[7]，CO2在環(huán)保和性能上的優(yōu)勢(shì)越來(lái)越多地吸引了世界各國(guó)學(xué)者研究的注意力，其系統(tǒng)和部件的開(kāi)發(fā)也得到了很大的發(fā)展，現(xiàn)有研究結(jié)果表明，CO2系統(tǒng)在高環(huán)境溫度(45℃以上)時(shí)，制冷性能低于傳統(tǒng)系統(tǒng)，35～45℃間與傳統(tǒng)系統(tǒng)相近，35℃以下時(shí)性能更優(yōu)[5]。目前CO2跨臨界循環(huán)在汽車(chē)空調(diào)、熱泵、商用制冷裝置、食品冷藏冷凍等方面的應(yīng)用前景都很好，性能都相當(dāng)于甚至好于原來(lái)采用R22或R12或R134a的制冷裝置，特別適用于需要大的溫度變化的場(chǎng)合，而且在較低的蒸發(fā)溫度下性能較好。

  CO2作為一種天然制冷工質(zhì)，就其物性特征而言，具有其他非天然工質(zhì)不可比擬的優(yōu)勢(shì)。伴隨著CO2制冷系統(tǒng)研究工作的不斷深入，CO2作為新一代制冷工質(zhì)將會(huì)得到進(jìn)一步推廣，相信在不久的將來(lái)，汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)、商用制冷系統(tǒng)、住宅空調(diào)系統(tǒng)以及各個(gè)生產(chǎn)企業(yè)的熱泵干燥系統(tǒng)將會(huì)大量使用CO2替代現(xiàn)有制冷工質(zhì)。