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冷媒革命 二氧化碳制冷劑何去何從?

來源:制冷商情  作者:制冷商情  時間:2011-06-11  總點擊:25065次

  碳排放,一個很時鮮的話題。減少二氧化碳這一種溫室氣體的排放,能有助于減輕地球的溫室效應。但二氧化碳同時也是制冷空調行業的天然制冷劑之一,其在制冷行業的廣泛使用,恰恰能減少溫室效應(GWP=1),還不破壞臭氧層。如此看似矛盾的雙重身份,其實一點也不矛盾,但二氧化碳被作為制冷劑使用,已經有百多年的歷史了。

  二氧化碳重新受寵

  1869年,美國人Thaddeus S. C. Lowe利用二氧化碳作為制冷劑制造了一臺制冰機,由此拉開了二氧化碳工質的百年運用之路。在氟利昂等人工合成制冷工質還沒開發出來之前,二氧化碳雖然不是早期制冷劑的唯一選擇,但其在早期食品行業和民用建筑空調等領域占據了主要地位。但自人工合成制冷劑出現后,二氧化碳則被迅速冷落而退守一角。

  然而自蒙特利爾議定書簽訂來,關于CFSs和HCFCs替代物的廣泛研究一直沒有間斷。雖然目前新的替代工質已經開始商業化生產,但人們發現新的替代工質并不能滿足“長期”替代物的要求,大部分新工質都有較高的溫室效應指數或者其它缺陷。因此,天然工質的應用引起了人們的重視,特別是對二氧化碳的利用。前國際制冷學會主席、挪威的G.Lorentzen就曾大力提倡使用自然工質,在對二氧化碳的研究與推廣應用上起了很好的帶頭作用。從此二氧化碳制冷裝置的研究與應用又一次成為在全球范圍內受重視的熱點。

  據了解,二氧化碳具有高密度和低粘度,其流動損失小、傳熱效果良好,并且通過對傳熱作用的強化,可以彌補其循環不高的缺點。同時二氧化碳環境表現優良、費用低易獲取、穩定性好、有利于減小裝置體積。最重要的是,其安全無毒,不可燃,這一點比R290具有明顯的優勢。

  當然,采用二氧化碳為制冷劑也有缺點,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了許多難題。無論亞臨界循環還是跨臨界循環,二氧化碳制冷系統的運行壓力都將高于傳統的制冷空調系統,這必然會給系統及部件的設計帶來許多新的要求。同時現階段還存在二氧化碳制冷系統的效率相對較低的問題。

  目前三大應用領域

  目前二氧化碳的研究和應用主要集中于三個方面:一方面是汽車空調領域,由于制冷劑排放量大,對環境的危害也大,必須盡早采用對環境無危害的制冷劑;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相當大的溫度滑移,有利于將熱水加熱到一個更高的溫度;第三方面是考慮到二氧化碳良好的低溫流動性能和換熱特性,采用它作為復疊制冷循環低溫級制冷劑。

  在復疊式制冷系統中,二氧化碳循環在亞臨界條件下運行。此時二氧化碳用作低壓級制冷劑,高壓級用NH3作制冷劑。與其它低壓制冷劑相比,即使處在低溫,二氧化碳的粘度也非常小,傳熱性能良好,因為利用潛熱,其制冷能力相當大。目前,歐洲在超市中已建立了幾個這種用二氧化碳作低溫制冷劑的復疊式制冷系統,運行情況表明技術上是可行的,這種系統還適用于低溫冷凍干燥過程。美國伊利諾伊大學(UIUC)空調和制冷中心的C.W.Bullard等對二氧化碳工質在家用空調、超市冷柜等方面的應用進行了廣泛的理論與實驗研究。

  而超市的制冷劑替代也是當務之急。據了解,超市消耗的能源中多達60%是用于制冷的。使用二氧化碳的制冷系統將大幅度減少這一數字。

  由于認識到了這些事實,并且面臨著法律上對于化學制冷劑的限制,越來越多的食品零售商正在投資于二氧化碳技術。在技術可行性與費用經濟性方面,二氧化碳(R744)可能是最可行的解決方案,并且符合食品購買者日益增加的“綠色環保”趨勢。最為重要的是,使用R744,將徹底杜絕由于有較高全球氣候變暖危險的HFCs泄漏所造成額外的溫室氣體排放量。

  可口可樂公司CEO-Muthar Kent就宣布,到2015年,所有新增自動售貨機和冷卻器將使用非HFC制冷劑。可口可樂公司選擇天然制冷劑來實現其所承諾的制冷劑轉換:小型設備使用HCs制冷劑,大型設備使用二氧化碳。目前,公司已經投資5 000萬美元用于環保制冷系統的研制,并堅信天然制冷劑的經濟可行性。

  國外企業積極參與

  全球零部件與系統供應商,包括丹佛斯、卡樂、恩布拉科、路偉以及愛默生等,都順應了這個潮流,已經為商業部門提供了二氧化碳解決方案。

  丹佛斯:作為減少碳足跡的積極響應者,丹佛斯的TN型壓縮機曾榮獲“AHR創新獎”。丹佛斯藍色家族如今在全世界已有27個工廠,它的生產分五大生產線:自動制冷生產線、家用制冷生產線、商業制冷生產線(大型壓縮機)、給家用冰箱生產恒溫控制器等配套元件、工業制冷生產線。同時丹佛斯的二氧化碳氣體冷卻器解決方案具有安裝調試簡便、最大系統運轉效率等優點,是最佳的現場應用解決和成本管控系統的解決方案。

  比澤爾:比澤爾作為最早推出二氧化碳制冷壓縮機的廠商,多年來一直與世界上主要的客戶保持著緊密的聯系,共同研發二氧化碳制冷技術。目前,比澤爾與客戶開發的最早的二氧化碳機組已經安全運行近20年。

  卡樂:卡樂作為意大利零售產業的解決方案提供者,推出了專為亞臨界和跨臨界二氧化碳系統研發的膨脹閥。卡樂設計的膨脹閥,完整覆蓋從4kW0到2000kW功率的系統。由于市場對于亞臨界解決方案的需求趨于穩定,卡樂決定在亞洲尋找商機,并相信,未來全球的市場將是亞臨界系統和跨臨界系統并行。

  艾默生:全球首屈一指的制熱,空調和制冷解決方案提供者,艾默生的谷輪渦旋式壓縮機可用于低溫級聯系統,是美國唯一一款達到UL規定對于高壓亞臨界二氧化碳級聯系統要求的壓縮機。

  都凌:Dorin開發出世界上第一臺半封閉往復式二氧化碳壓縮機。這種壓縮機能夠用在HPWH和輕型、中型商業制冷設備中。功率從0.75kW到15kW不等的電機能夠以中速和高速模式運轉(1450rpm和2900rpm)。壓縮機的直徑從18mm到34mm不等。

  路偉:意大利的制造商集團Lu-Ve提供了工業用的降溫組件和氣體冷卻器。Lu-Ve 研發了一條R744設備的特殊生產線,用跨臨界二氧化碳設備代替了傳統的HFC冷凝器。

  三洋:三洋在旋轉式二氧化碳壓縮機研發方面做得非常出色。其產品實現了高效率、低噪聲、低振動和高耐受性。此外,這類產品采用二級壓縮機制和內部中壓系統,能經受住高壓力的二氧化碳。三洋還把變速二氧化碳壓縮機商業化,用于900W~2200W系列的家用熱泵熱水器。

  大金:作為世界知名的供應商,大金的VRV設備使用了二氧化碳制冷劑,優化了設備的制熱效果。外部組件的加熱功率在制熱時可達31.5千瓦,制冷時達28千瓦。大金提供一種新型的制冷循環技術,使用了搖擺式壓縮機和一個新開發的換熱器。二氧化碳型號的設備可與變制冷劑流量設備的控制與管理系統兼容。

  而發達國家為了鼓勵企業和行業進行制冷劑的替代,政府和協會機構都會積極響應。日本就指定了推廣補貼政策:凡是用天然制冷劑如二氧化碳替代CFCs、HCFCs和HFCs的項目都可以獲得日本“使用天然制冷劑的高效制冷應用”的補貼。補貼對象包括冷庫和食品加工廠的冷凍冷藏系統和空調系統,大型市場和批發中心用冷凍冷藏系統和空調系統,超市和便利店用冷凍冷藏系統、冷凍箱、陳列柜、空調系統和制冰設備等。

  同時在歐盟的要求下,德國汽車工業協會(VDA)的成員共同決定,汽車空調系統采用二氧化碳而不是氟碳化合物作為制冷劑,這成為了氟碳工業的一個轉折點。

  2009年美國采暖、制冷和空調工程師協會(ASHRAE)首次公布了一份關于天然制冷劑的公開意見書。在意見書中,ASHRAE認為R744是一種完美的替代制冷劑。這份意見書詳細闡述了R744的壓強及溫度特性,認可了高壓二氧化碳系統所帶來的優勢。高壓會導致氣體密度高,這使得壓縮機可以達到更好的制冷效果。文件總結稱,在低溫平板凍結機和多室速凍冷庫中,R744可以確保系統的性能尤為卓越,R744也是一系列家用和工業用熱水熱泵設備的理想制冷劑。

  遭遇中國式難題

  作為全球最大的制冷空調市場,中國的制冷劑替代的形勢十分的嚴峻,同樣,中國為減少碳排放所做的每一步努力都是艱難完成的。在中國,同樣也有一批企業著手開始進行二氧化碳工質系統的研發和生產,像山東神舟、浙江高翔工貿、煙臺冰輪等,都已經擁有了成型的二氧化碳設備。

  山東神舟:在經過兩年的研究后,山東神舟于2008年成功研發了利用二氧化碳做工質的制冷機組。據了解,該機組在蒸發溫度-40℃時制冷量為150kw,冷凝器采用風冷平板式冷凝器,機組帶熱回收裝置,利用回收的冷凝熱來做蒸發器的融霜。該機組也可以應用于1T/h速凍機的冷源,目前不少國內速凍機用氨系統的安全原因改用氟機,機組有帶經濟器單機螺桿帶、配組雙級、單機雙級等,但從環保及能效方面采用二氧化碳的復疊系統才是更好的選擇。

  據山東神舟潘學玲介紹,這是國內首臺二氧化碳機組出口法國。因為北歐、英國等國家也已立法限制氟利昂在超市行業中的應用,根據制冷劑的GWP值來收“碳稅”,歐洲非常多的應用R404A制冷劑的系統現在進入改造期。

  浙江高翔工貿:而去年年底,記者從浙江高翔方面獲悉,上海都凌壓縮機銷售有限公司與浙江高翔在2010中國冷博會上達成了合作生產二氧化碳制冷機組的意向,由上海都凌提供意大利都凌二氧化碳壓縮機并提供前期的技術支持,由浙江高翔負責生產“兩器”、管路等所有零部件,并組裝成二氧化碳制冷機組。據浙江高翔總經理高立銘介紹,目前機組主要投放的市場還是放在國外,發達國家在這一領域確實比國內要領先很多。

  煙臺冰輪:目前在國內,已經擁有相對成熟的壓縮機產品系列的是煙臺冰輪,他們從07年開始立項研發二氧化碳壓縮機,08年通過了國家科委的鑒定并開始了試運行,并于09年獲得了 “中國機械工業科學技術獎”。現在冰輪研發的二氧化碳壓縮機已經發展為一個系列共4款機型,涵蓋了從150-900立方米的排氣量。其成功案例之一為煙臺豐潤食品加工中心,用于-45℃的調理食品速凍加工。

  據煙臺冰輪國內營銷事業部的王立群介紹,目前國內市場經過前期的試運行后,只能算是剛開始起步。“大家都對二氧化碳制冷劑的環保等概念有所了解,但實際上用的人不多。”并且王立群還告訴記者,目前國內還找不到合適的零配件供應商,“二氧化碳由于壓力比普通工質要高出很多,對壓縮機有了更高的要求。除此之外,制冷系統中要設置維持機組,要有特殊的工藝設計,控制部件大多采用丹佛斯產品。

  而去年9月,環保部首次對外證實R290將取代R410a成空調新的環保制冷劑,并有望于明年開始在一些國內企業內部進行生產線改造。多位空調企業人士指出,如果國家強推R290制冷劑,國內現有的空調生產線、物流運輸、倉儲存儲、安裝維修等多個環節的標準都將面臨被重新修訂的大變革,不僅涉及環節多、任務重,關鍵是企業投入金額較大,并不是最佳的解決方案。

  制冷商情記者據西安交通大學能源與動力工程學院制冷與低溫工程研究所副所長晏剛介紹所知,目前關于R22制冷劑的替代國際上主要有兩種技術方案:一種是以北歐國家和韓國為代表,其主張采用天然工質作為替代物,如純工質R290、R1270、R744、R600a、R600、R717等,以及HCs類的混合物;另一種是以美國和日本為代表的采用HFCs作為替代物,如美國聯合信號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,這些制冷劑的ODP均為0,能夠達到保護臭氧層的目的,但是會產生溫室效應。

  目前看來,二氧化碳在國內市場的前景,還有點像“霧里看花”,就像王立群所言,他們都了解它的好,但真正用的少。國內空調行業暫時看不到二氧化碳發展的影子,其在國內冷凍冷藏市場也才剛剛邁步,但在熱泵熱水器領域,國內即將出臺二氧化碳熱泵熱水器的核心配件標準——GB/T26181-2010。參與標準制定的上海日立電器有限公司熱泵推進辦公室部長樂紅勝認為,雖然在國內采用二氧化碳制冷劑的熱泵熱水器還沒問世,核心部件壓縮機也處于研發階段,“但這一超前標準的制定,將會對產品的市場推廣起到良好的作用。”

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