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冷媒革命 二氧化碳制冷剂何去何从?

来源:制冷商情  作者:制冷商情  时间:2011-06-11  总点击:11512次

  碳排放,一个很时鲜的话题。减少二氧化碳这一种温室气体的排放,能有助于减轻地球的温室效应。但二氧化碳同时也是制冷空调行业的天然制冷剂之一,其在制冷行业的广泛使用,恰恰能减少温室效应(GWP=1),还不破坏臭氧层。如此看似矛盾的双重身份,其实一点也不矛盾,但二氧化碳被作为制冷剂使用,已经有百多年的历史了。

  二氧化碳重新受宠

  1869年,美国人Thaddeus S. C. Lowe利用二氧化碳作为制冷剂制造了一台制冰机,由此拉开了二氧化碳工质的百年运用之路。在氟利昂等人工合成制冷工质还没开发出来之前,二氧化碳虽然不是早期制冷剂的唯一选择,但其在早期食品行业和民用建筑空调等领域占据了主要地位。但自人工合成制冷剂出现后,二氧化碳则被迅速冷落而退守一角。

  然而自蒙特利尔议定书签订来,关于CFSs和HCFCs替代物的广泛研究一直没有间断。虽然目前新的替代工质已经开始商业化生产,但人们发现新的替代工质并不能满足“长期”替代物的要求,大部分新工质都有较高的温室效应指数或者其它缺陷。因此,天然工质的应用引起了人们的重视,特别是对二氧化碳的利用。前国际制冷学会主席、挪威的G.Lorentzen就曾大力提倡使用自然工质,在对二氧化碳的研究与推广应用上起了很好的带头作用。从此二氧化碳制冷装置的研究与应用又一次成为在全球范围内受重视的热点。

  据了解,二氧化碳具有高密度和低粘度,其流动损失小、传热效果良好,并且通过对传热作用的强化,可以弥补其循环不高的缺点。同时二氧化碳环境表现优良、费用低易获取、稳定性好、有利于减小装置体积。最重要的是,其安全无毒,不可燃,这一点比R290具有明显的优势。

  当然,采用二氧化碳为制冷剂也有缺点,二氧化碳高的临界压力和低的临界温度也给它做制冷剂带来了许多难题。无论亚临界循环还是跨临界循环,二氧化碳制冷系统的运行压力都将高于传统的制冷空调系统,这必然会给系统及部件的设计带来许多新的要求。同时现阶段还存在二氧化碳制冷系统的效率相对较低的问题。

  目前三大应用领域

  目前二氧化碳的研究和应用主要集中于三个方面:一方面是汽车空调领域,由于制冷剂排放量大,对环境的危害也大,必须尽早采用对环境无危害的制冷剂;第二方面是热泵热水器,二氧化碳在超临界条件下放热存在一个相当大的温度滑移,有利于将热水加热到一个更高的温度;第三方面是考虑到二氧化碳良好的低温流动性能和换热特性,采用它作为复叠制冷循环低温级制冷剂。

  在复叠式制冷系统中,二氧化碳循环在亚临界条件下运行。此时二氧化碳用作低压级制冷剂,高压级用NH3作制冷剂。与其它低压制冷剂相比,即使处在低温,二氧化碳的粘度也非常小,传热性能良好,因为利用潜热,其制冷能力相当大。目前,欧洲在超市中已建立了几个这种用二氧化碳作低温制冷剂的复叠式制冷系统,运行情况表明技术上是可行的,这种系统还适用于低温冷冻干燥过程。美国伊利诺伊大学(UIUC)空调和制冷中心的C.W.Bullard等对二氧化碳工质在家用空调、超市冷柜等方面的应用进行了广泛的理论与实验研究。

  而超市的制冷剂替代也是当务之急。据了解,超市消耗的能源中多达60%是用于制冷的。使用二氧化碳的制冷系统将大幅度减少这一数字。

  由于认识到了这些事实,并且面临着法律上对于化学制冷剂的限制,越来越多的食品零售商正在投资于二氧化碳技术。在技术可行性与费用经济性方面,二氧化碳(R744)可能是最可行的解决方案,并且符合食品购买者日益增加的“绿色环保”趋势。最为重要的是,使用R744,将彻底杜绝由于有较高全球气候变暖危险的HFCs泄漏所造成额外的温室气体排放量。

  可口可乐公司CEO-Muthar Kent就宣布,到2015年,所有新增自动售货机和冷却器将使用非HFC制冷剂。可口可乐公司选择天然制冷剂来实现其所承诺的制冷剂转换:小型设备使用HCs制冷剂,大型设备使用二氧化碳。目前,公司已经投资5 000万美元用于环保制冷系统的研制,并坚信天然制冷剂的经济可行性。

  国外企业积极参与

  全球零部件与系统供应商,包括丹佛斯、卡乐、恩布拉科、路伟以及爱默生等,都顺应了这个潮流,已经为商业部门提供了二氧化碳解决方案。

  丹佛斯:作为减少碳足迹的积极响应者,丹佛斯的TN型压缩机曾荣获“AHR创新奖”。丹佛斯蓝色家族如今在全世界已有27个工厂,它的生产分五大生产线:自动制冷生产线、家用制冷生产线、商业制冷生产线(大型压缩机)、给家用冰箱生产恒温控制器等配套元件、工业制冷生产线。同时丹佛斯的二氧化碳气体冷却器解决方案具有安装调试简便、最大系统运转效率等优点,是最佳的现场应用解决和成本管控系统的解决方案。

  比泽尔:比泽尔作为最早推出二氧化碳制冷压缩机的厂商,多年来一直与世界上主要的客户保持着紧密的联系,共同研发二氧化碳制冷技术。目前,比泽尔与客户开发的最早的二氧化碳机组已经安全运行近20年。

  卡乐:卡乐作为意大利零售产业的解决方案提供者,推出了专为亚临界和跨临界二氧化碳系统研发的膨胀阀。卡乐设计的膨胀阀,完整覆盖从4kW0到2000kW功率的系统。由于市场对于亚临界解决方案的需求趋于稳定,卡乐决定在亚洲寻找商机,并相信,未来全球的市场将是亚临界系统和跨临界系统并行。

  艾默生:全球首屈一指的制热,空调和制冷解决方案提供者,艾默生的谷轮涡旋式压缩机可用于低温级联系统,是美国唯一一款达到UL规定对于高压亚临界二氧化碳级联系统要求的压缩机。

  都凌:Dorin开发出世界上第一台半封闭往复式二氧化碳压缩机。这种压缩机能够用在HPWH和轻型、中型商业制冷设备中。功率从0.75kW到15kW不等的电机能够以中速和高速模式运转(1450rpm和2900rpm)。压缩机的直径从18mm到34mm不等。

  路伟:意大利的制造商集团Lu-Ve提供了工业用的降温组件和气体冷却器。Lu-Ve 研发了一条R744设备的特殊生产线,用跨临界二氧化碳设备代替了传统的HFC冷凝器。

  三洋:三洋在旋转式二氧化碳压缩机研发方面做得非常出色。其产品实现了高效率、低噪声、低振动和高耐受性。此外,这类产品采用二级压缩机制和内部中压系统,能经受住高压力的二氧化碳。三洋还把变速二氧化碳压缩机商业化,用于900W~2200W系列的家用热泵热水器。

  大金:作为世界知名的供应商,大金的VRV设备使用了二氧化碳制冷剂,优化了设备的制热效果。外部组件的加热功率在制热时可达31.5千瓦,制冷时达28千瓦。大金提供一种新型的制冷循环技术,使用了摇摆式压缩机和一个新开发的换热器。二氧化碳型号的设备可与变制冷剂流量设备的控制与管理系统兼容。

  而发达国家为了鼓励企业和行业进行制冷剂的替代,政府和协会机构都会积极响应。日本就指定了推广补贴政策:凡是用天然制冷剂如二氧化碳替代CFCs、HCFCs和HFCs的项目都可以获得日本“使用天然制冷剂的高效制冷应用”的补贴。补贴对象包括冷库和食品加工厂的冷冻冷藏系统和空调系统,大型市场和批发中心用冷冻冷藏系统和空调系统,超市和便利店用冷冻冷藏系统、冷冻箱、陈列柜、空调系统和制冰设备等。

  同时在欧盟的要求下,德国汽车工业协会(VDA)的成员共同决定,汽车空调系统采用二氧化碳而不是氟碳化合物作为制冷剂,这成为了氟碳工业的一个转折点。

  2009年美国采暖、制冷和空调工程师协会(ASHRAE)首次公布了一份关于天然制冷剂的公开意见书。在意见书中,ASHRAE认为R744是一种完美的替代制冷剂。这份意见书详细阐述了R744的压强及温度特性,认可了高压二氧化碳系统所带来的优势。高压会导致气体密度高,这使得压缩机可以达到更好的制冷效果。文件总结称,在低温平板冻结机和多室速冻冷库中,R744可以确保系统的性能尤为卓越,R744也是一系列家用和工业用热水热泵设备的理想制冷剂。

  遭遇中国式难题

  作为全球最大的制冷空调市场,中国的制冷剂替代的形势十分的严峻,同样,中国为减少碳排放所做的每一步努力都是艰难完成的。在中国,同样也有一批企业着手开始进行二氧化碳工质系统的研发和生产,像山东神舟、浙江高翔工贸、烟台冰轮等,都已经拥有了成型的二氧化碳设备。

  山东神舟:在经过两年的研究后,山东神舟于2008年成功研发了利用二氧化碳做工质的制冷机组。据了解,该机组在蒸发温度-40℃时制冷量为150kw,冷凝器采用风冷平板式冷凝器,机组带热回收装置,利用回收的冷凝热来做蒸发器的融霜。该机组也可以应用于1T/h速冻机的冷源,目前不少国内速冻机用氨系统的安全原因改用氟机,机组有带经济器单机螺杆带、配组双级、单机双级等,但从环保及能效方面采用二氧化碳的复叠系统才是更好的选择。

  据山东神舟潘学玲介绍,这是国内首台二氧化碳机组出口法国。因为北欧、英国等国家也已立法限制氟利昂在超市行业中的应用,根据制冷剂的GWP值来收“碳税”,欧洲非常多的应用R404A制冷剂的系统现在进入改造期。

  浙江高翔工贸:而去年年底,记者从浙江高翔方面获悉,上海都凌压缩机销售有限公司与浙江高翔在2010中国冷博会上达成了合作生产二氧化碳制冷机组的意向,由上海都凌提供意大利都凌二氧化碳压缩机并提供前期的技术支持,由浙江高翔负责生产“两器”、管路等所有零部件,并组装成二氧化碳制冷机组。据浙江高翔总经理高立铭介绍,目前机组主要投放的市场还是放在国外,发达国家在这一领域确实比国内要领先很多。

  烟台冰轮:目前在国内,已经拥有相对成熟的压缩机产品系列的是烟台冰轮,他们从07年开始立项研发二氧化碳压缩机,08年通过了国家科委的鉴定并开始了试运行,并于09年获得了 “中国机械工业科学技术奖”。现在冰轮研发的二氧化碳压缩机已经发展为一个系列共4款机型,涵盖了从150-900立方米的排气量。其成功案例之一为烟台丰润食品加工中心,用于-45℃的调理食品速冻加工。

  据烟台冰轮国内营销事业部的王立群介绍,目前国内市场经过前期的试运行后,只能算是刚开始起步。“大家都对二氧化碳制冷剂的环保等概念有所了解,但实际上用的人不多。”并且王立群还告诉记者,目前国内还找不到合适的零配件供应商,“二氧化碳由于压力比普通工质要高出很多,对压缩机有了更高的要求。除此之外,制冷系统中要设置维持机组,要有特殊的工艺设计,控制部件大多采用丹佛斯产品。

  而去年9月,环保部首次对外证实R290将取代R410a成空调新的环保制冷剂,并有望于明年开始在一些国内企业内部进行生产线改造。多位空调企业人士指出,如果国家强推R290制冷剂,国内现有的空调生产线、物流运输、仓储存储、安装维修等多个环节的标准都将面临被重新修订的大变革,不仅涉及环节多、任务重,关键是企业投入金额较大,并不是最佳的解决方案。

  制冷商情记者据西安交通大学能源与动力工程学院制冷与低温工程研究所副所长晏刚介绍所知,目前关于R22制冷剂的替代国际上主要有两种技术方案:一种是以北欧国家和韩国为代表,其主张采用天然工质作为替代物,如纯工质R290、R1270、R744、R600a、R600、R717等,以及HCs类的混合物;另一种是以美国和日本为代表的采用HFCs作为替代物,如美国联合信号公司的非共沸混合物R410A、杜邦公司和I.C.I公司的混合物R407C,以及R32和R152a等,这些制冷剂的ODP均为0,能够达到保护臭氧层的目的,但是会产生温室效应。

  目前看来,二氧化碳在国内市场的前景,还有点像“雾里看花”,就像王立群所言,他们都了解它的好,但真正用的少。国内空调行业暂时看不到二氧化碳发展的影子,其在国内冷冻冷藏市场也才刚刚迈步,但在热泵热水器领域,国内即将出台二氧化碳热泵热水器的核心配件标准——GB/T26181-2010。参与标准制定的上海日立电器有限公司热泵推进办公室部长乐红胜认为,虽然在国内采用二氧化碳制冷剂的热泵热水器还没问世,核心部件压缩机也处于研发阶段,“但这一超前标准的制定,将会对产品的市场推广起到良好的作用。”