CO2制冷技术在冷链物流的应用

 

当前，中国农产品仓储物流过程中普遍存在能耗高、成本高的问题，一定程度上制约 了农产品产地低温处理和冷链物流流通， CO2 制冷技术为农产品冷链物流保鲜提供了新的选择。       

 

      1.  C O 2  制冷技术 概述

1.1 CO2 制冷原理       

CO2（R744）在常温常压下为气态，临界温度和压力分别为304.13 K和7.377 MPa。在加压和冷却条件下可凝结成液体或固体。当压力撤销后迅速蒸发（升华），带走大量热量，达到降温目的。

1.2 CO2 制冷剂的特点      

CO2 作为一种天然工质， ODP为0， GWP为 1，远低于其他制冷剂（表 1）， 具有很好的应用潜力。

1.3 CO2 制冷技术发展历程       

CO2制冷技术经历了一个漫长的发展过程，由早期的活跃期、中期的沉默期转至目前的焕发期（图1）。

基于环保要 求和R744作为天然制冷工质的独特优势，CO2制冷技术 迎来了快速发展的历史机遇。这个阶段可称为CO2制冷技术的焕发期。目前，CO2制冷技术已在农产品仓储物 流、制冰、空调等领域得到应用，有力助推了制冷产业的高质量可持续发展。

 

    2.  制冷系统的升级

根据R744临界温度和外部循环条件，可将其分为亚临界、跨临界和超临界3种（表2）。

由于R744的临界温度接近环境温度，超临界循环常用于正循环发电系统，而亚临界和跨临界循环常用于制冷和热泵工况。其中，CO2亚临界制冷，循环的吸热和放热过程都在亚临界条件下进行，换热过程主要依靠潜热来完成。而CO2跨临界制冷中，其吸气压力和排气压力分别在临界压力以下及临界压力以上，避免热源温度过高带来的系统性能下降问题，可实现更低的制冷温度，这一模式也受到工业制冷、农产品与食品冷冻冷藏等行业的青睐。

CO2制冷循环种类较多，可分为单级、与其它工质组成的两级复叠式制冷循环、三级复叠式制冷循环等（表3）。

（1）相较于单级压缩制冷，双级或多级压缩制冷扩大了循环的工作温度差，可获得更低的制冷温度。

（2）当温差达到一定程度时，由于单一制冷剂不能同时具备较高的临界温度和较低的沸点温度，双级或多级压缩受到限制，无法实现有效制冷。

（3）复叠式制冷循环依靠两个独立的制冷循环系统，利用同一个冷凝蒸发器，将高温区和低温区的制冷循环叠加起来，用高温级的制冷量来承担低温级的冷凝负荷，从而获取较低制冷温度。

氨（NH3）制冷剂（编号R717）是中国在冷冻方面使用最早的一种制冷剂，但R717具有强烈的刺激性气味，具有中等程度的毒性并且可燃，对操作人员和货品存在潜在危害。

而NH3/CO2复叠式制冷循环系统采用R717作为高温级制冷剂，R744作为低温级制冷剂，制冷系统的充R717量仅为R717制冷系统的1/8，极大减少了R717制冷的泄漏隐患，提高了制冷机组的稳定性、安全性和制冷效率，降低了对大气的影响。

与传统R717制冷相比，NH3/CO2复叠式制冷实际使用效率提高10%以上，整个系统节能效果好，硬件投资也低。

关于NH3/CO2 复叠式制冷，研究成果如下：    

（1）DOPAZO等通过优化NH3/CO2复叠式制冷系统参数， 证实NH3/CO2复叠式制冷系统具有较好的制冷能力。

（2）王炳明等通过优化转子和轴承的参数，提高了NH3/CO2 复叠式制冷系统压缩效率，满足低温工况制冷需求 （图 2a；图3a）。

（3）周子成分析对比了NH3与CO2的制冷性质及其在冷库中的应用效果，发现复叠式制冷系统在产业应用中具有明显优势。

（4）ZHANG等提出利用R1270（制冷剂级丙烯）代替R22和R134a与R744进行复叠制冷，发现R1270具备良好的高温制冷剂的性能，系统的COP上升（图2b）。

（5）PATEL等为提高制冷系统的经济性，设计了NH3/CO2和R290/CO2两种复叠式制冷系统，结果表明，R290/CO2复叠式制冷系统的组合成本低于NH3/CO2的制冷成本，最高节约成本5.33%，减少了系统年成本消耗。

（6）SANCHEZ等利用R134a与 R744复叠制冷，为2 ℃和-20 ℃的冷柜提供制冷需求， 结果表明，复叠式制冷系统可以较好维持两种温度下的冷柜恒定（图2c）。

（7）BELLOS等对比了-35 ℃、-25 ℃、-15 ℃和-5 ℃条件下不同天然制冷剂（R717、R290、 R600a、R1270）与CO2复叠式制冷系统的制冷效率，结果表明均高于CO2/CO2复叠式制冷系统（图2d）。

 

      3.   制冷设备的更新

R744 作为低温级制冷剂，单位容积制冷量较高。然而由于CO2临界温度和临界压力限制，跨临界制冷循环排热过程中压缩机的排气压力与冷却温度各自独立，改变高压侧压力将影响制冷量、压缩机耗工量及系统的能效比。

因此，提高CO2压缩机性能一直是CO2制冷技术发展的关键。研究学者开发了诸如CO2半封闭和全封闭式压缩机、CO2滑片式压缩机和CO2涡旋式压缩机等，充分利用其耐高压、防泄漏等优点，提高了CO2 制冷系统的性能，克服了部分配件运行压力高的问题（图3a）。

   有关研究成果如下：      

（1）意大利DORIN公司研发了新型半封闭式活塞CO2压缩机，利用CO2运动黏度低、 压缩比低的优势，较好的克服了CO2压缩机工作压力高、压差大等缺点。

（2）CAVALLINI等利用中间冷却的两级压缩提高循环效率，在回气管路上增加回热器，在气体冷却器后增加冷却器，可高效的实现空气和制冷剂间的热平衡。

（3）杨军等设计了一 种全封闭旋转式CO2压缩机，通过减少压缩机吸气过热 度以及二级吸气温度对压缩机效率的影响，实现压缩机等熵效率最大化（图3b）。

（4）郝璟瑛等开发了全封闭CO2 涡旋压缩机（图 3c），通过提高压缩机运动的润滑性、 减小动盘与静盘之间的径向间隙值，获得了与其他压缩机同等的容积效率和等熵效率，明确改进间隙量是提高压缩机效率的有效的途径。

（5）孙玉等利用 CO2螺杆压缩机将压缩后的CO2气体进行分离，利用分离后的油和 CO2进行热交换，达到冷热同时交替压缩的目的，实现了容积效率提升。

（6）日本MYCOM 公司为适应冷冻系统所需的低温条件，研发CO2单级螺杆压缩机，排气系统用于加热热水，低温 CO2用于制冷，在交替换热的作用下达到较好的冷冻效果（图3d）。

（7）马旭针对滑片式压缩机进行改进设计，研发了新型外驱式滑片压缩机，模拟其动态热性，降低滑片摩擦损失，提高了压缩机对工作环境的适应能力。

（8）薛卫东等通过 强制润滑 CO2水冷两级活塞式压缩机中的油泵，利用机械密封曲轴的轴伸端自身优势，加强了对环境噪声的控制。

（9）MA 等设计了半密封往复式 CO2压缩机，有效提高了小型制冷装置的制冷效率。

 

     4.  制冷设备 配件的优化

基于循环系统的特点，CO2的换热器在结构和选材等方面具有独特性，对提高整个制冷装置的效率至关重要。

1、冷凝器        

第一台气体冷却器由LORENTZEN和PETTERSEN于1990～ 1991 年推出，但小管径翅片管加工困难，成本较高，1997 年研究学者采用较小的管径，设计了结构更为紧凑、管径更小的换热器，成为空气冷却器的新标准。

2、蒸发器       

蒸发器同样经历了类似于气体冷却器的发展过程：第一代的机械扩展管翅式结构——第二代小直径圆管的换热器——第三代“平行流”微通道蒸发器（图4a）。

“平行流”式蒸发器具有较高的热交换性能，解决了耐压问题和小管径涨管等困难，成为 CO2蒸发器今后的主要研发方向。

3、节流机构       

节流机构主要集中在电子膨胀阀和膨胀机的研发，在一些较大的系统中应用可提高系统循环效率。

（1）HOU 等针对超临界 CO2 系统设计了一种新型电子膨胀阀，可在一定范围内连续调节冷量（图 4b）。

（2）DANFOSS 公司推出了新型电子膨胀阀，可通过调节工质的流动阻力严格把控冷量。

（3）LORENTZEN 等提出使用全流膨胀机替代节流阀，使节流后制冷循环的制冷剂分配均匀，提高了系统的经济效益。

（4）方忠诚等利用分段式电子膨胀阀，提高了制冷系统的降温速率（图 4c）。、

（5）天津大学热能研究所开展了 CO2制冷循环膨胀机的研究，现已开发出了第二代滚动活塞膨胀机，对于制冷系统的制造、运行和维护起到关键作用。、

（6）DAI 等提出了一种结合热电过冷器和膨胀器的跨临界 CO2制冷循环新结构，当膨胀机安装在液体收集器和蒸发器之间时，性能系数的改善更为显著，循环表现出了优异和稳定的性能。

（7）BELLOS 等研究表明，内部的热交换器的加入可提高 CO2跨临界系统的 COP 值。

（8）BODYS 等提出了一种适合 CO2制冷系统中 应用的多模块组合型固定喷射器，指出多模块组合型模块是优化系统运行的潜在方法（图4d）。

（9）FERRARA等对制冷循环中的径向活塞式膨胀机进行了详细测试，该膨胀机等熵效率约为 40%，对比其他采用简单膨胀机的制冷系统，系统的 COP 值潜在改善率最高可达20% （图 4e）。

（10）ZHANG等为跨临界CO2制冷系统引入了全 新的喷射式膨胀机，结果表明，当喷射器等熵效率较低 和气体冷却器出口或蒸发器温度较高时，喷射式膨胀机的引射比、压力恢复率均有所提高，有助于提高 CO2制 冷循环的能量利用率（图4f）。

（11）HUAI等将双节流装置与跨临界 CO2制冷系统结合，第一膨胀阀控制高压侧压力，第二膨胀阀利用双相流喷射器，可提高制冷系统的 COP 值，最大增幅可达32.4%。

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