跨临界制冷循环的适用条件及在CO2制冷系统中的应用研究

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    CO₂因与环境友好被称为天然工质中的理想超过临界温度,必须采用跨临界制冷循环。随着CO₂跨临界制冷循环的研究由挪威SINTEF研究所的Lorentzen和Petterson[1～5]提出。近十年来对CO₂制冷装置的研究已成为全球范围的热点,与之相应的跨临界制冷循环研究也引起了人们越来越多的关注。Lorentzen和Petterson对CO₂跨临界制冷循环用于汽车空调和热泵等领域进行了广泛的理论研究,建立了专门的实验台。Lorentzen提出了一种有回热的跨临界制冷循环。他认为跨临界制冷循环的优点是高温区为气体,与环境的换热为显热交换,工质温度随换热量的改变而改变,可以获得近对数温度分布曲线,减少与环境的换热损失;当跨临界制冷循环用于热泵系统时,可以获得较高的温度。跨临界制冷循环的缺点是有较大的节流损失。Petterson认为逆流布置的气体冷却器可以使CO₂制冷剂的出口温差控制在1 K左右,而传统的制冷机有4 K[6]。德国的Quack等对火车空调用跨临界制冷循环作了分析[7]。美国Purdue大学、Maryland大学Douglashe和Hwang等人对有膨胀机的跨临界制冷循环系统作了理论分析[8,9]。德国Essen大学Schmidt分析了干燥系统应用CO₂跨临界制冷循环的可行性[10]。德国Kruse、荷兰Oostendrop以及日本Saikawa考虑了CO₂跨临界制冷循环在供热系统中的应用,得出了在热水供应时CO₂跨临界制冷循环系统性能高于传统工质朗肯循环的结论[11]。

    十余年来有大量关于CO₂跨临界制冷循环的文献,研究的重点都是制冷剂CO₂,对跨临界制冷循环本身的特点专门分析较少。本文试图对跨临界制冷循环的适用条件进行分析,然后将其应用于CO₂制冷剂,以求得到更有说服力的结论。

    1　跨临界制冷循环

    图1是几种跨临界制冷循环的示意图。跨临界制冷循环的主要特征是制冷剂高温区工作在超临界流体中,而低温区则在液相状态。

    如图1所示,1—2—3—4—1是理想的也是最简单的跨临界制冷循环。1′—1—2—2′—3′—4—4′—1′是理想的有回热的跨临界制冷循环。1″—1—2—2″—3″—4—4″—1″是考虑了各种损失的实际跨临界制冷循环(未计液相流动损失)。为了模型简化,作者只考虑以上三种情况;其他系统,如装膨胀机的系统等在此不加讨论。按照热力循环理论,循环中工质状态点2点和4点是循环的控制点,它们的温度由环境及应用对象所决定。确定了2点和4点的工质参数,理想的跨临界制冷循环的性能也就确定。对理想的有回热的跨临界制冷循环,还须设定4′点的状态,才能确定2′点性能。下面可以看到,由于跨临界制冷循环工作在一个非常特殊的区域,实现跨临界制冷循环存在若干必要条件。若工作过程中出现不满足这些必要条件的情况,会使跨临界制冷循环制冷系统失效。下面结合CO₂制冷系统,对这些必要条件进行分析。