制冷技術大綱

 摘　要： 由于CFC類制冷劑對臭氧層的破壞作用，自然制冷工質如CO₂受到越來越多的關注。文中介紹了CO₂作為制冷劑的發展歷史（主要是CO₂亞臨界制冷循環的發展應用的歷史）和它退出歷史舞臺的原因; 根據CO₂作為制冷劑的相關熱物理和化學性質以及三種可能的CO₂制冷循環，說明了采用CO₂為制冷劑、采用跨臨界循環的*性和必要性; 對各國采用CO₂為制冷劑的制冷、空調、熱泵系統的應用及其研究情況進行了綜述和評價，指出了現今研究的不足和今后的發展方向。
    關鍵詞： 二氧化碳；制冷；跨臨界循環；應用；發展

1 CO₂作為制冷劑的歷史
    作為制冷劑，在19世紀末至20世紀30年代前，CO₂（R744），氨（R717），SO₂（R764），氯甲烷（R40）等曾被廣泛應用。上述除了CO₂外，其余工質均有毒性或可燃性，而CO₂則因無毒且不燃，因而在民用和船用制冷等方面有其巨大的優勢。
    在蒸汽壓縮系統中采用CO₂作為制冷劑，zui初是由美國人Alexander Twining在1850年提出，并獲英國^[1]。*次成功使用CO₂應用于商業機的是Thaddeus S C Lowe，他在對軍事氣球用CO₂做試驗過程中，證實了CO₂作為制冷劑的可能性。他于1867年獲得了英國，于1869年制造了一臺制冰機，還設計了一種置于船上的機器，用于在墨西哥港運送冷凍肉。
    1882年Carl von Linde為德國埃森的F Krupp公司設計和開發了采用CO₂作為工質的制冷機。1884年W Raydt設計的CO₂壓縮制冰系統獲得了英國15475號。澳大利亞的J Harrison在1884年設計了一臺用于制冷的CO₂裝置獲得了英國1890號。
    隨后CO₂制冷劑的使用有了顯著的發展。1886年德國人Franz Windhausen設計的CO₂壓縮機獲得了英國。英國的J&E Hall公司收購了該，將其改進后于1890年開始投入生產。Hall的CO₂壓縮機在船上有廣泛的應用，取代了原先使用的空氣壓縮機。20世紀40年代在英國的船上廣泛采用了CO₂壓縮機。
    19世紀90年代美國開始將CO₂應用于制冷。1897年Kroeschell Bros鍋爐公司在芝加哥成立了分公司，生產CO₂壓縮機，稱為Kroeschell Bros制冰機械公司。Kroeschell工廠生產CO₂制冷壓縮機、冷凝器、水和鹽水冷卻器、高壓CO₂和冷藏系統的閥門及零件。1924年Kroeschell和Brunswick制冷公司合并成N J公司，生產氨壓縮機和附件。1918年Kroeschell公司制冷部門的工作人員Fred Wittenmeier辭職，在芝加哥成立了另一個制冷機械公司——Wittenmeier公司，該公司成功地安裝了一些CO₂制冷與空調系統。
    CO₂用于空調機相對較晚。1919年前后，CO₂制冷壓縮機才被廣泛應用在舒適性空調中。例如1919年在劇院和百貨商店的空調系統中得到應用；1920年在教堂的空調系統中得到應用；1925年干冰循環用于空氣調節；1927年在辦公室的空調系統中得到使用；1930年在住宅的空調系統中得到使用；后來又被用于各種商業建筑和公共設施的空調制冷系統。
    CO₂制冷曾經達到很輝煌的程度。據統計，1900年*范圍內的356艘船舶中，37%用空氣循環制冷機，37%用氨吸收式制冷機，25%使用CO₂蒸氣壓縮式制冷機。發展到1930年，80%的船舶采用CO₂制冷機，其余的20%則用氨制冷機。由于當時的技術水平比較差，CO₂較低的臨界溫度（31.1℃）和較高的臨界壓力 （7.37MPa），使得CO₂系統的效率較低。加上其冷凝器的冷卻介質多采用溫度較低的地下水或海水，基本屬于亞臨界循環。當水溫較高時（如熱帶海洋上行駛的輪船其冷卻水的溫度可接近30℃），其制冷效率會更加下降。所以CO₂制冷技術并沒有進一步開發運用于汽車空調、熱泵等。1931年，以R12為代表的CFCs制冷劑一經開發，便以其無毒、不可燃、不爆炸、無刺激性、適中的壓力和較高的制冷效率，很快取代了CO₂在安全制冷劑方面的位置，CO₂逐漸不再被作為制冷劑使用，zui后一艘使用CO₂制冷機的輪船在1950年停止工作。只是干冰仍在制造、貯藏冰淇淋和其它易壞食物等領域中得到廣泛應用。
2 CO₂制冷劑的再受重視
    由于CFCs對于臭氧層和大氣變暖的不利影響，保護環境，實現CFCs替代成為*共同關注的問題。從1985年的《保護臭氧層的維也納公約》到1987年的《蒙特利爾議定書》，以及1990年倫敦會議和1992年哥本哈根會議對蒙特利爾議定書的修正，世界范圍內的CFCs替代進程在不斷加快。1991年6月，我國在修改的《蒙特利爾議定書》上簽字，成為締約國之一。1992年5_~7月編制了“中國消耗臭氧層物逐步淘汰國家方案”，并于1993年1月經國務院批準。這樣按國家方案，逐步淘汰消耗臭氧層物質已經成為一項責任。
    CFCs替代的首要原因是因為它們破壞臭氧層，因此新的替代工質必須對于臭氧層沒有破壞。HFC類工質，因為對于臭氧層沒有破壞力，成為替代CFCs的重要工質。特別是HFC134a作為CFC12的替代物已被大規模生產與應用。HFCs雖然不破壞臭氧層，但它們化學性穩定，釋放后能夠積累，這zui終導致明顯的溫室效應。雖然人們可以努力合成性能更佳的工質，但由于制冷劑的使用量非常大，zui終將不可避免地有相當部分泄漏到大氣中去。任何大量人工合成物質排放到自然界中，都會對于環境造成影響，因此現在一種普遍的觀點是采用自然工質。前制冷學會主席，挪威的G Lorentzen在1989_~1994年大力提倡使用自然工質^[2,3]，特別是對于CO₂的研究與推廣應用上起了很好的帶頭作用。從此CO₂制冷裝置的研究與應用又一次成為在范圍內受重視的熱點。
3 CO₂的性質
    常溫下，CO₂是一種無色、無嗅的氣體，其物性參數見表1。CO₂的熱物性，在早期的制冷書籍中作為制冷劑而以圖或表的形式給出。由于這些圖表都是以實驗為依據繪制，所以結果出入較大。到了1965年，理論與應用化學專業委員會（IUPAC）所屬的物理化學分會，在倫敦成立了CO₂物性研究小組，對以前的實驗結果和圖表進行了重新整理，并于1976年出版了關于CO₂物性計算的專著。該專著以CO₂在三相區、兩相區、單相區以及作為理想氣體時的實驗結果為基礎，以已有的計算CO₂物性的Altunin，Gadetskii，Bender，Stein，Schofield等方程為參考，建立了統一的物性計算方程，同時提供了相應的圖表。其中包括溫度在210_~700K，壓力在0.01_~100MPa以及溫度在700_~1100K，壓力在0.01_~60MPa的范圍內，CO₂的比容、焓、熵、定壓比熱、壓縮因子、逸度（壓縮比）、聲速等隨壓力和溫度變化的函數關系，CO₂氣體和液體的壓力、熵、內能、定容比熱等隨密度和溫度變化的函數關系。而R Span和V Vesovic分別于1996和1990年發表在Journal of Physical and Chemical Reference Data上的關于CO₂狀態方程和傳輸特性的文章，則是目前并被廣泛引用的物性數據源。