基于跨临界CO2制冷循环火用分析

    0 前言

    面对日益突出的环境问题，制冷剂替代问题成为全球焦点。CO₂凭借 ODP = 0 和 GWP = 1 的绝对优势和良好的热物性得到研究者越来越多的关注［1］。Kauf［2］用作图法和模拟法计算出最佳高压压力，并得到对应工况下的最大 COP。Liao 等人［3］通过对不同的影响参数进行研究，给出计算最佳高压压力的关联式。Brown 等［4］和 Hwang［5］对跨临界CO₂循环系统的性能进行研究，发现由于较大的节流损失，CO₂跨临界制冷系统效率低下。

    制冷系数仅反映能量在“量”上转化程度，不能反映能量“质”的转化，不能完全反映系统的经济性能。本文基于热力学第二定律，借助火用对跨临界CO₂单级压缩制冷循环进行理论分析，研究制冷循环过程中火用效率和各过程 损失火用的影响，为综合分析系统经济性能、全面改善系统提供理论依据。

    1 分析方法

    热力学第二定律表明能量转换具有方向性，某些无限转换的能量称为火用。火用是指系统由一任意状态可逆的变化到与给定环境相平衡状态时，理论上可以无限转化为任何其他能量形式的那部分能量［6］，表达式为

e = ( h－ho)－To( s－so)        (1)

    通过计算可以得出制冷循环各过程中 损失和系统的 效率，分析火用系统能量转换完善程度。跨临界 CO₂单级制冷循环在压焓图上表示为图 1。

    各过程火用及火用 损失的计算方法［7 －8］和表达式如表 1 所示。

    2 结果分析

    2． 1 各过程火用损失

    蒸发温度是 －10℃，冷凝压力是 9. 0 MPa，冷却终了温度是 35℃，环境温度是 30℃，冷库库温是－ 5℃ 的条件下，计算制冷循环中各过程的火用损失，系统总的 损失高达 74.6%，循环火用效率仅为25. 4% 。各过程火用损失占总火用损失的比率如表 2所示。

    上述结果表明，跨临界 CO₂单级制冷循环过程中，节流过程的火用损失最大，占总火用损失的 38%，蒸发过程只占 5% 左右。在 R22，NH₃单级循环中，节流损失只占 15%［9 －10］左右，冷凝和压缩过程所占比重最大。原因是跨临界 CO₂单级制冷循环节流过程，工质从超临界状态节流至两相区，压降远大于R22 等系统，熵增较大，导致火用损增加。使用等熵效率较高的膨胀机取代节流阀可以明显提高系统 效率，但是会牺牲小型装置中的经济性。