【科技前沿】一種蒸汽壓縮制冷的新制冷劑和系統(tǒng)配置
壓縮式制冷系統(tǒng)原理
蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)利用所有流體的兩個基本特性：（1）沸騰溫度隨壓力而變化，（2）相變（液體沸騰成蒸氣并冷凝成液體）伴隨著吸收或放熱。一個常見的示例是，隨著壓力鍋中壓力的升高，水的沸騰溫度會升高到100°C以上。同樣，制冷劑的沸騰溫度隨壓力而變化，并且通過在制冷循環(huán)中的不同點控制制冷劑的壓力，可以在吸收熱量的同時在低壓和低溫下沸騰。通過將生成的制冷劑氣體壓縮到更高的壓力，它凝結(jié)回液體，并在更高的溫度下釋放熱量（如圖1所示）。根據(jù)所需的效果，基本循環(huán)可用于加熱對象（熱泵加熱）或冷卻對象（空調(diào)和制冷）。
如圖1A所示，蒸氣壓縮式制冷系統(tǒng)通過在較低的壓力下使蒸發(fā)器（4→1）中的工作流體（制冷劑）沸騰，并從低溫源（例如冷藏空間）中吸收熱量來運(yùn)行。產(chǎn)生的蒸氣被壓縮至較高壓力（1→2）。然后將其冷凝回液體（2→3），冷凝的熱量則排到溫度較高的散熱器（大多數(shù)制冷和空調(diào)系統(tǒng)的環(huán)境空氣）中。然后，制冷劑被還原回初始壓力下的狀態(tài)以完成循環(huán)（3→4）。圖1B為熱力學(xué)圖上的循環(huán)。冷凝和蒸發(fā)過程（理想情況下）在恒定壓力下，因此在恒定溫度下（對于純流體），理想的壓縮過程是恒定的熵。
制冷劑在此過程中不被消耗，而是無限循環(huán)。只有當(dāng)制冷劑通過泄漏或使用和處置技術(shù)不佳而泄漏到大氣中時，制冷劑的ODP或GWP才會真正影響環(huán)境。因此，由制冷劑向大氣的排放導(dǎo)致的直接全球升溫，不同于驅(qū)動循環(huán)所需的能量所產(chǎn)生的間接全球升溫效應(yīng)，例如燃燒化石燃料的發(fā)電廠排放的二氧化碳。間接影響與直接影響的比率隨制冷劑、應(yīng)用和能量供應(yīng)而變化。采取適當(dāng)?shù)木S修做法以最大程度地減少泄漏，在大多數(shù)情況下，間接影響很明顯。
蒸汽壓縮系統(tǒng)用于各種設(shè)備，從小型冰箱到大型中央系統(tǒng)，這些系統(tǒng)可提供數(shù)兆瓦的冷卻能力。壓縮機(jī)分為三大類：
（1）往復(fù)式壓縮機(jī)（類似于典型的汽車發(fā)動機(jī)）和其他類型的線性壓縮機(jī)；
（2）旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)，包括螺桿式、渦旋式、滾動活塞式、滑閥式和其他單葉片或多葉片類型，其壓力上升是由于連續(xù)不斷地減小機(jī)器內(nèi)腔的容積而引起的；
（3）運(yùn)動壓縮機(jī)，包括徑向和軸向渦輪（類似于噴氣發(fā)動機(jī)），它們將動能傳遞給氣流，然后，動能轉(zhuǎn)化為壓力上升。通常，壓縮機(jī)技術(shù)的基礎(chǔ)已經(jīng)很成熟，但是創(chuàng)新的系統(tǒng)設(shè)計可以使不同類型的壓縮機(jī)（以及相應(yīng)類型的制冷劑）用于多種新應(yīng)用。
新制冷劑
世界上大多數(shù)制冷系統(tǒng)都使用碳氟化合物制冷劑。面對所需的更改，新制冷劑向具有類似熱物理性質(zhì)的流體的過渡使重新設(shè)計和重新組裝的成本降至最低，從而有助于快速響應(yīng)對CFC和HCFC的限制。在十年之內(nèi)，氫氟碳化合物被確立為首選替代品。
氫氟烯烴（HFO）被確定為最有前途的替代品。“烯烴”是指一類在碳原子之間具有雙鍵的有機(jī)化學(xué)物質(zhì)。雙鍵對大氣中天然存在的羥基自由基具有高度反應(yīng)性，導(dǎo)致HFO的大氣壽命為數(shù)天至數(shù)周，而HFC的大氣壽命為數(shù)年至數(shù)十年。HFO是HFC的子集，但是它們的環(huán)境特征差異很大。自1930年代以來，HFO在化學(xué)工業(yè)中已廣為人知，并且已對可能的制冷劑進(jìn)行了早期研究?；诒姸鄬＠蠖鄶?shù)研究圍繞它們作為含氟聚合物進(jìn)行。
HFO的大氣分解產(chǎn)物正受到越來越多的關(guān)注。分子中具有–CF3基團(tuán)的任何化合物都有可能在大氣中反應(yīng)形成三氟乙酸或TFA（CF3CO2H）。TFA易溶于水，對水生生物有毒，不易降解。1千克HFO-1234yf的分解產(chǎn)生1千克三氟乙酸。相比之下，HFC-134a的TFA產(chǎn)率為23％，HFO-1234ze（E）的TFA產(chǎn)率為10％。TFA的天然來源與海洋中的天然本底水平同時存在。由于HFO的大氣壽命非常短，因此需要關(guān)注TFA的局部沉積，并且不會流向海洋的盆地積聚。
新系統(tǒng)配置
在許多情況下，替代制冷劑的成功應(yīng)用需要采用替代系統(tǒng)配置，尤其是對于CO2，其物理特性與被替換的碳氟化合物的物理特性大不相同。不斷地執(zhí)行增量步驟以提高效率，并且在基本蒸氣壓縮循環(huán)上存在許多變化。重點僅限于允許大幅減少制冷劑充注量或在給定應(yīng)用中使用新型制冷劑的創(chuàng)新系統(tǒng)配置。
許多減荷設(shè)計將微通道熱交換器用于冷凝器和蒸發(fā)器。這些設(shè)計中的制冷劑流動通道的尺寸小于1毫米。在這種小的通道中的熱傳遞增加，并且通道通常具有內(nèi)部散熱片或其他結(jié)構(gòu)以進(jìn)一步增強(qiáng)熱傳遞。許多平行通道合并到單個擠出中以減少壓降。這與更傳統(tǒng)的設(shè)計形成對比，在傳統(tǒng)設(shè)計中，制冷劑在直徑約為10毫米的普通圓管中流動。除了減少制冷劑充注量的好處外，微通道換熱器還代表增加制冷設(shè)備效率的一種手段。
在間接系統(tǒng)中使用次級回路能實現(xiàn)減少浪費，長期以來，大型中央系統(tǒng)空調(diào)冷卻器就可以做到這一點，該冷卻器冷卻泵送至遠(yuǎn)程空氣處理機(jī)（水對空氣熱交換器）的水流，從而為整個建筑物提供冷卻。這種布置既使制冷劑最小化又將制冷劑容納到機(jī)房中。通過避免較長的制冷劑填充管道運(yùn)行時間，還可大大減少制冷劑的泄漏。
具有較高臨界溫度的制冷劑（在較低壓力下運(yùn)行的制冷劑）本質(zhì)上具有更高的能源效率，因為它們避免了在接近臨界點運(yùn)行時遇到的一些熱力學(xué)效率低下的問題。但是在大多數(shù)類型的系統(tǒng)中，由于冷凝器、蒸發(fā)器和管道中的壓降，低壓制冷劑的效率下降。由于不同的壓縮機(jī)技術(shù)和最小化壓降的熱交換器設(shè)計，冷卻器系統(tǒng)通常使用低壓制冷劑并以高效率運(yùn)行。較高的臨界溫度與較大的分子有關(guān)，并且隨著分子大小的增加，存在更多的制冷劑可能性，這僅僅是因為可能存在更多的排列和組合原子的安排。存在許多安全等級為“A1”的低壓低GWP流體，包括HFO-1336mzz（Z），HFO-1336mzz（E），HCFO-1233zd（E）和HCFO-1224yd（Z）（13）。例如，Cogswell和Verma描述了一種小型商業(yè)空調(diào)系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用離心壓縮機(jī)和低壓制冷劑。
水是低壓制冷劑的極端例子，但是使用它需要一種截然不同的設(shè)計。很多研究團(tuán)隊都研究了這樣的系統(tǒng)，并且一家公司正在生產(chǎn)用于過程冷卻（例如數(shù)據(jù)中心）的35kW系統(tǒng)。這項技術(shù)是否在經(jīng)濟(jì)上有應(yīng)用的可行性是一個懸而未決的問題。
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