二氧化碳制冷工程機(jī)械論文
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二氧化碳在氣體冷卻器中溫度變化大，使得氣體冷卻器進(jìn)口空氣溫度與出口制冷劑溫度較為接近，可減少高壓側(cè)不可逆?zhèn)鳠嵋鸬膿p失，并且二氧化碳的臨界溫度較低。因此，制冷循環(huán)采用跨臨界制冷循環(huán)時，其排熱過程不是一個冷凝過程，壓縮機(jī)的排氣壓力與冷卻溫度是兩個獨(dú)立的參數(shù)，改變高壓側(cè)壓力將影響制冷量、壓縮機(jī)耗工量及系統(tǒng)的能效。研究表明，高壓側(cè)壓力變化時，循環(huán)的能效存在著一個最大值，因此，二氧化碳跨臨界制冷循環(huán)在對不同工況下，存在對應(yīng)于最大能效值的最佳排氣壓力。二氧化碳在氣體冷卻器中較大的溫度變化，用于熱回收時，有較高的放熱效率。
2二氧化碳制冷優(yōu)勢及其應(yīng)用現(xiàn)狀
2.1二氧化碳制冷應(yīng)用現(xiàn)狀
二氧化碳制冷目前已成功應(yīng)用于商業(yè)建筑、冷藏庫、熱泵系統(tǒng)、汽車空調(diào)以及工程機(jī)械等領(lǐng)域。
2.1.1商業(yè)建筑1995年瑞典成功安裝了第一個二氧化碳超市制冷系統(tǒng)。截至2011年，瑞典至少有180個超市采用了二氧化碳系統(tǒng)。丹麥于2004年安裝了第一套超市二氧化碳跨臨界循環(huán)制冷系統(tǒng)。2007年，泰國安裝了亞洲的第一套超市二氧化碳復(fù)疊制冷系統(tǒng)。
2.1.2冷藏庫目前我國食品加工與冷藏業(yè)中的大中型冷庫80%都采用氨作為制冷劑。氨有毒性，需要增加安全保護(hù)措施。截至2005年，美國的冷庫中氨仍然是一種主要的制冷劑，但二氧化碳已經(jīng)在冷庫制冷系統(tǒng)中得到實際應(yīng)用。采用二氧化碳/氨復(fù)疊式制冷系統(tǒng)的大型冷藏庫已經(jīng)投入使用。
2.1.3汽車空調(diào)目前汽車空調(diào)中主要采用R134a。1996年德國生產(chǎn)的以二氧化碳為工質(zhì)的公交客車空調(diào)投入運(yùn)行。2003年歐洲已有部分汽車裝備了二氧化碳空調(diào)系統(tǒng)。
2.1.4熱泵系統(tǒng)中的應(yīng)用1994年由挪威SINTEF率先對二氧化碳跨臨界循環(huán)在熱泵上的應(yīng)用進(jìn)行了理論和實驗研究。在1995年，日本開發(fā)了二氧化碳為工質(zhì)的家用熱泵熱水器。
2.2二氧化碳制冷劑優(yōu)勢
二氧化碳是碳的最高氧化狀態(tài)，具有非常穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)，即使在高溫下也不分解產(chǎn)生有害氣體。作為制冷劑其優(yōu)點(diǎn)在于無毒、來源豐富、與普通潤滑油相溶、容積制冷量大；同時具有優(yōu)良的熱力特性、安全特性和環(huán)保特性的天然制冷工質(zhì)。二氧化碳制冷劑跨臨界循環(huán)的放熱過程可以和變溫?zé)嵩聪嗥ヅ洌瑥亩傻玫捷^高的能效。與其它制冷劑相比，二氧化碳具有下列優(yōu)點(diǎn):
2.2.1環(huán)境性能優(yōu)良二氧化碳是自然界天然存在的物質(zhì)，它的臭氧層破壞潛能(ODP)為零，溫室效應(yīng)潛能極小(GWP=1)。二氧化碳大多為化工行業(yè)的副產(chǎn)品，用它做制冷劑正好回收了原來排向大氣的廢物，從而使其溫室效應(yīng)為零。目前國際上已商業(yè)化使用或提出的潛在的環(huán)保工質(zhì)氫氟烴(HFC)及其混合物不但會增加溫室效應(yīng)，還會產(chǎn)生其他未知的副作用。
2.2.2價格低廉二氧化碳來源廣泛，價格低廉。二氧化碳制冷系統(tǒng)維護(hù)簡單，無需回收或再生，操作與運(yùn)行的費(fèi)用較低。
2.2.3化學(xué)穩(wěn)定性好二氧化碳無毒、無臭、無污染，不燃、不爆。對常用材料沒有腐蝕性，在高溫下也不分解產(chǎn)生有害氣體，與水混合時呈弱酸性，可腐蝕碳鋼等普通金屬，但不腐蝕不銹鋼和銅類金屬。
2.2.4制冷效率高，穩(wěn)定性好二氧化碳運(yùn)動粘度低，壓縮比低，單位容積制冷量大，有很好的傳熱性能。二氧化碳制冷效率高，穩(wěn)定性好，容積制冷量較大，流動和傳熱性能高。
2.2.5設(shè)備尺寸小二氧化碳制冷較高的工作壓力使得壓縮機(jī)吸氣比容較小，從而使得容積制冷量較大，壓縮尺寸較小，流動和傳熱性能提高。減少了管道和熱交換器的尺寸，從而使系統(tǒng)非常緊湊。
3二氧化碳制冷在工程機(jī)械領(lǐng)域的應(yīng)用
3.1工程機(jī)械駕駛室熱環(huán)境
工程機(jī)械駕駛室玻璃面積較大，室內(nèi)熱環(huán)境受外界影響大。太陽輻射通過玻璃窗將熱量傳入車內(nèi)，玻璃面積較大時，可通過下式計算，通過玻璃窗進(jìn)入室內(nèi)的熱量Qb可按下式計算：Qb=A•k(tb-ti)+C•A•qb式中：A為玻璃窗面積；K為玻璃窗的傳熱系數(shù)；tb為車室外溫度，℃；ti為車室內(nèi)溫度，單位為℃；C為玻璃窗遮陽系數(shù)；qb為通過單層玻璃的太陽輻射強(qiáng)度。另外，受太陽輻射影響車身溫度較高，從而影響駕駛室內(nèi)溫度。太陽照射包括直射和散射，車體外表面溫度升高的同時也向外反射輻射熱，車體外表面所受的輻射熱Q1可按下式計算：Q1=(IG+IS-IV)F式中：IG為太陽直射輻射強(qiáng)度；IS為太陽散射輻射強(qiáng)度；IV為車體表面反射輻射強(qiáng)度，單位為W/m2；F為車體外表面積，m2。
3.2工程機(jī)械空調(diào)系統(tǒng)特點(diǎn)
工程機(jī)械的工作環(huán)境極其惡劣，其空調(diào)系統(tǒng)與冰箱和家用空調(diào)具有明顯的區(qū)別。
1）工程機(jī)械空調(diào)系統(tǒng)往往在過熱、灰塵、震動等惡劣環(huán)境情況下運(yùn)行，對其質(zhì)量和性能要求較高。
2）工程機(jī)械空調(diào)系統(tǒng)冷凝器和蒸發(fā)器均處于強(qiáng)制對流換熱狀態(tài)，均需耗費(fèi)一定電能或發(fā)動機(jī)功率，而且冬夏季空調(diào)運(yùn)行時，工程機(jī)械爬坡或加速等受到較大影響。
3）工程機(jī)械工作時往往震動較為劇烈，容易導(dǎo)致制冷劑泄漏，污染環(huán)境。
3.3二氧化碳空調(diào)在工程機(jī)械中的應(yīng)用優(yōu)勢
二氧化碳空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)用于工程機(jī)械領(lǐng)域具備較佳的優(yōu)勢：
1）工程機(jī)械空調(diào)系統(tǒng)制冷劑易泄露、排放量大。采用二氧化碳作為制冷劑有完全環(huán)保的特點(diǎn)。
2）二氧化碳壓縮比低，壓縮機(jī)效率高。同時，高壓側(cè)二氧化碳溫度變化大，使進(jìn)口空氣溫度與二氧化碳的排氣溫度可以非常接近，減少了高壓側(cè)不可逆?zhèn)鳠嵋鸬膿p失。3）尺寸小二氧化碳空調(diào)系統(tǒng)可以滿足工程機(jī)械安裝和布置要求，并獲得較高的效率，對工程車輛的節(jié)油和動力性能也有改善。
4結(jié)論
1）二氧化碳制冷劑性能良好，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，無毒、無臭、無污染，不燃、不爆。其臭氧層破壞潛能為零，溫室效應(yīng)潛能極小。價格低廉，來源豐富。
2）二氧化碳循環(huán)在跨臨界條件下運(yùn)行，壓縮機(jī)的效率相對較高，在超臨界條件下的特殊熱物理性質(zhì)使其在流動和換熱方面都具有極大的優(yōu)勢，超臨界流體良好的傳熱和熱力學(xué)特性使得換熱器的換熱效率提高，并使得整個系統(tǒng)的能效較高。
3）二氧化碳制冷劑應(yīng)用廣泛，目前已成功應(yīng)用于商業(yè)建筑、冷藏庫、熱泵系統(tǒng)、汽車空調(diào)以及工程機(jī)械等領(lǐng)域，具有理想的應(yīng)用效果。
4）二氧化碳制冷在工程機(jī)械領(lǐng)域具有無污染，設(shè)備尺寸小，性能優(yōu)良，對機(jī)械動力性能影響小等優(yōu)勢。二氧化碳制冷系統(tǒng)具備良好的工程實用價值，應(yīng)用潛力巨大。
作者：樂俊 馬慶 秦帆 單位：徐州市工程咨詢中心 中國礦業(yè)大學(xué)電力工程學(xué)院