超临界CO2制冷循环的应用与研究前景

    超临界CO₂是一种被压缩至临界压力和加热至临界温度以上的流体,超临界CO₂制冷循环实际上是一种气体循环。与常规的低于临界温度的气体与液体不一样,它具有许多重要的特性,如类似液体的密度和类似气体的黏度等。由于CFCs、HCFCs等有影响,超临界CO₂制冷技术在国外的研究已有近20年的时间,挪威、美国、德国等多家研究机构都开展这方面的工作,已开发出了CO₂汽车空调样机、高温热泵热水系统及超市低温制冷冷藏系统。我国对超临界CO₂制冷技术的研究工作起步较晚,在对超临界CO₂制冷循环的性能分析计算、CO₂压缩机及高效换热器的研究工作中取得一些研究成果,并开始着手于超临界CO₂制冷技术在船舶制冷系统应用研究。

    1 超临界CO2制冷循环

    1.1 超临界CO₂的特性

    在常温、常压下, CO₂是无色无味的气体。其三相点的压力为0.518MPa,温度为-5616℃,临界温度为31.1℃,临界压力为7138MPa, -7815℃是固体CO₂(干冰)的升华温度。CO₂的三相图见图1[1]。

    与传统的CFCs制冷工质相比, CO₂工质有其自身的优点:容易获取;不燃烧;无毒,使用安全;与润滑油相溶性能好,对制冷装置无腐蚀作用;比容较小,单位质量制冷量大;此外, CO₂还有高的导热率、低动力粘度、高定压比热以及低的表面张力,传热性能好。

    采用CO₂作为制冷剂也有其缺点,当空气中的CO₂的浓度低于2%时,对人体没有明显影响,当浓度超过此浓度,则可引起呼吸器官的损害,甚至窒息死亡。CO₂的凝固点为-56.6℃,临界温度31.1℃,这一温度范围限制了CO₂在常规制冷空调领域内的应用,因此CO2制冷系统的运行压力高于传统的制冷空调系统。

    1.2 超临界CO2制冷循环

    以CO₂作为制冷剂的系统如图2所示[2]。

    该系统主要由压缩机、气体冷却器、内部换热器、节流阀、蒸发器以及储液器组成。该循环系统的最大特点就是工质的吸、放热过程分别在亚临界区、超临界区进行。由于工质的放热过程无冷凝液体产生,其高压换热器不再成为冷凝器,而叫气体冷却器。

    超临界的CO₂制冷循环实际上是一种气相循环。CO₂相对于传统的制冷剂的绝热指数较高,使得压缩机的排气温度偏高,同时低压侧的压力P0也相对较高,使压缩机的压比Pk/P₀相应的比采用传统的制冷剂要低,从而可以提高压缩机的效率。由于系统压力较高,泄漏损失对压缩机效率的影响增大,因此CO₂压缩机一般采用蜗旋式压缩机,蜗旋式压缩机没有吸、排气阀,在高速运行时压力损失较小。