蒸气压缩式制冷循环的碳中和路径研究

蒸气压缩式制冷循环的碳中和路径研究

莫艺扬

广东美的暖通设备有限公司

　　摘要：现如今全球气候变化的日益加剧和对环境可持续性的关注不断增强，制冷技术的碳中和成为了一个热门的研究领域。蒸气压缩式制冷循环作为目前最常用的制冷循环，其碳中和路径的研究具有重要的实际意义。本文将从蒸气压缩式制冷循环的基本原理入手，探讨其碳中和路径，包括提高制冷机组效率、替代传统制冷剂以及碳捕获和碳储存技术等方面的研究进展。通过对这些方面的深入分析，可以为实现蒸气压缩式制冷循环的碳中和提供有益的启示和指导。

　　关键词：蒸气压缩式制冷循环；碳中和；制冷剂

　　引言：全球气候变化对人类社会和生态环境造成了严重威胁，温室气体的排放是主要原因之一。蒸气压缩式制冷循环作为广泛应用的制冷技术，其对环境的影响不容忽视。目前，制冷行业的碳排放量占全球总排放量的一部分，因此减少蒸气压缩式制冷循环的碳排放，实现碳中和是一项重要的任务。

　　一、蒸气压缩式制冷循环的基本原理

　　(一)蒸气压缩式制冷循环简介

　　蒸气压缩式制冷循环是利用制冷剂在蒸发和冷凝过程中吸收和释放热量来实现制冷的循环过程。其基本组成包括压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器等。在循环中，制冷剂在蒸发器中吸收热量并蒸发成气态，然后通过压缩机被压缩成高温高压气体，再通过冷凝器释放热量并冷凝成液体，最后通过膨胀阀降压回到低温低压状态，完成一个循环[1]。

　　(二)蒸气压缩式制冷循环的工作原理

　　蒸气压缩式制冷循环的工作原理可以简单概括为以下几个步骤：

　　蒸发：制冷剂在蒸发器中吸收热量，从而蒸发成气态，制冷剂从低温低压状态变为低温高压状态。

　　压缩：蒸发后的制冷剂以气态进入压缩机，被压缩成高温高压气体，制冷剂的温度和压力都会升高。

　　冷凝：高温高压的制冷剂通过冷凝器，与外界环境接触并释放热量，制冷剂从气态变为液态。

　　膨胀：冷凝后的制冷剂通过膨胀阀降压，从高温高压状态变为低温低压状态，制冷剂的温度和压力都会下降。

　　通过这个循环，制冷剂不断地吸收和释放热量，实现了制冷的目的。

　　二、蒸气压缩式制冷循环的碳中和路径

　　(一)提高制冷机组效率

　　(1)使用高效压缩机

　　提高制冷机组效率是降低碳排放的关键。制冷机组的效率取决于多个因素，其中一个重要的因素是使用的压缩机。传统的制冷压缩机存在一定的能量损失，因此使用高效压缩机可以显著提高制冷机组的效率。高效压缩机可以通过改进压缩机的内部构造和增加压缩机的运行速度来实现，采用变频控制技术可以根据实际需求调整压缩机的运行速度，进一步提高制冷机组的效率。

　　(2)优化制冷剂性质

　　传统的制冷剂如氟利昂在大气中具有较高的全球变暖潜势，因此需要寻找替代品以减少碳排放，氢氟烃(HFCs)和氢氟烯烃(HFOs)是目前较常用的替代制冷剂。HFCs在一定程度上减少了全球变暖潜势，但仍然具有一定的碳排放。而HFOs是一种低全球变暖潜势的替代品，可以显著降低碳排放。因此，在设计蒸汽压缩式制冷循环时，选择合适的制冷剂是降低碳排放的重要策略之一[2]。

　　(二)替代传统制冷剂

　　(1)自然工质替代

　　自然工质是指在制冷循环中使用天然存在的物质作为制冷剂，例如氨(NH3)、二氧化碳(CO2)和烃类。这些自然工质具有多种优点，包括良好的热力学性能、较低的环境影响和较低的全球变暖潜势。

　　氨是最早被广泛应用于制冷循环中的自然工质之一，它具有良好的制冷性能和高热传导性能，被广泛应用于工业制冷领域。然而，氨具有毒性和腐蚀性，对操作人员和设备的安全性提出了挑战。因此，在一些特定的应用中，氨的使用受到限制[3]。

　　二氧化碳是另一种常用的自然工质，被广泛应用于商业和家用制冷设备中。它具有较低的全球变暖潜势和零臭氧耗尽潜势，对环境的影响较小，二氧化碳的制冷性能也较好，尤其适用于低温制冷。然而，相比于传统制冷剂，二氧化碳的压缩比较高，对制冷系统的设计和性能提出了一定的挑战。

　　烃类是一类由碳和氢组成的化合物，可用作自然工质的替代品，烷烃是一种常见的烃类自然工质，例如丙烷和异丁烷等，它们具有较低的全球变暖潜势和零臭氧耗尽潜势，对环境的影响较小，烷烃还具有良好的制冷性能和能效，适用于多种应用场景。

　　(2)新型制冷剂研发

　　一种新型制冷剂是磁性制冷剂，磁性制冷剂是指在磁场作用下发生磁熵变化的物质，通过改变磁场的强度和方向来实现制冷效果。相比于传统的压缩式制冷循环，磁性制冷剂具有以下优点：无需机械压缩和膨胀，避免了制冷剂流动和压缩功耗;制冷剂为固体，不易泄漏和污染环境;能够实现可逆制冷过程，提高能量利用率。目前，磁性制冷剂在实验室中已经取得了一些进展，但其在实际应用中还存在一些技术难题，如磁场的稳定性和制冷剂的选择等。

　　另一种新型制冷剂是混合制冷剂，混合制冷剂是指由两种或多种不同的物质按一定比例混合而成的制冷剂。混合制冷剂能够充分利用各种物质的优点，提高制冷循环的性能。例如，通过混合一种具有较高冷却能力的制冷剂和一种具有较低温度下饱和蒸汽压的制冷剂，实现更高的制冷效果和能量转换效率，混合制冷剂还调整不同物质的比例，以适应不同的工作条件和需求

[4]。

　　(三)碳捕获和碳储存技术

　　(1)碳捕获技术概述

　　碳捕获技术是指将二氧化碳从工业排放源中分离出来并进行集中处理的过程，它是减少温室气体排放的重要手段之一，目前，碳捕获技术主要包括物理吸收、化学吸收和膜分离等方法。

　　物理吸收是通过将二氧化碳溶解在适当的溶剂中，利用溶剂和二氧化碳之间的物理吸附作用将二氧化碳分离出来，常用的物理吸收剂包括胺类化合物、氨类化合物等，物理吸收技术具有操作简单、设备成熟等优点，但其能耗较高。

　　化学吸收是通过将二氧化碳与特定的化学反应物发生反应，形成易于分离的化合物，从而实现分离和捕获的过程。常用的化学吸收剂包括氧化钾、氨水等。化学吸收技术具有高效、选择性好等优点，但其操作复杂，反应物的回收和再利用也面临一定的挑战。

　　膜分离是利用膜的渗透性，将二氧化碳与其他气体分离开来的过程。常用的膜材料包括聚合物膜、陶瓷膜等。膜分离技术具有结构简单、能耗低等优点，但其分离效率较低，对气体流量和温度的变化较为敏感。

　　(2)碳储存技术概述

　　碳储存技术是指将捕获到的二氧化碳安全地储存起来，以防止其进入大气层并产生温室效应。目前主要的碳储存技术包括地下封存、海洋封存和矿物封存等。

　　地下封存是将二氧化碳注入地下储层中，如油田、气田和盐水层等。这些地下储层具有较高的容纳能力和较好的密封性，能够安全地储存大量的二氧化碳。然而，地下封存技术存在一些潜在的风险，如地震活动和地下水污染等。

　　海洋封存是将二氧化碳注入海洋中，如深海和冷水环境等。海洋具有较大的容纳能力和较好的稀释效应，能够安全地储存大量的二氧化碳。然而，海洋封存技术也存在一些潜在的风险，如海洋酸化和生态环境破坏等[5]。

　　矿物封存是将二氧化碳与矿物反应形成稳定的碳酸盐矿物，如镁矿物和钙矿物等。这些碳酸盐矿物具有较高的稳定性和容纳能力，能够长期地固定二氧化碳。然而，矿物封存技术还需要进一步的研究和开发。

　　此外，还有一些新型的碳储存技术正在不断发展，如人工合成岩石和生物封存等。这些新技术具有更高的稳定性和容纳能力，但还需要进一步的研究和验证。

结语：蒸气压缩式制冷循环的碳中和路径涵盖了提高制冷机组效率、替代传统制冷剂和使用碳捕获和碳储存技术等多个方面。通过采取这些路径，可以减少制冷系统对环境的影响，实现碳中和。然而，需要注意的是，不同路径之间存在着权衡和取舍。因此，在实际应用中，需要综合考虑各种因素，并选择最合适的路径来实现蒸气压缩式制冷循环的碳中和。

参考文献：

[1]刘肖,刘晔,鱼剑琳.太阳能辅助喷射-蒸气压缩混合制冷循环的性能分析[J].中南大学学报(自然科学版),2021,52(06):1837-1845.

[2]封旭,刘秋杰,张振迎.R32蒸气压缩/喷射制冷循环性能研究[J].低温与超导,2018,46(11):56-60.

[3]李若兰,王凡,霍正齐,刘星.蒸发式冷凝器用于蒸气压缩制冷循环的节能分析[J].制冷与空调,2018,18(03):19-22+9.

[4]郑克敏.跨临界CO_2蒸气压缩/喷射制冷循环性能分析与比较[D].广西大学,2016.

[5]陈盼盼,孙文哲,宋忠源,张少波,刘荔.蒸气压缩式制冷循环制冷剂的热力优值评价[J].制冷与空调,2016,16(03):35-39.