CO2低温制冷循环热力学分析

    近来,对CO₂的研究大都集中在跨临界循环的空调系统、热泵和热水器上,还没有对CO₂用于低温环境制冷系统进行研究,笔者针对CO₂的性能特点[1-2],对自然工质CO₂单、双级压缩低温制冷系统进行热力学分析。CO₂作为低温制冷循环工质有很多优势,如设备和管路尺寸较小、换热效率高和没有腐蚀等,蒸发温度可达到- 40 ~-50e[3]的低温,与其它低压制冷剂相比,即使处在低温,CO₂的粘度也非常小,传热性能良好。CO₂作为环保型替代工质,用于低温制冷循环系统有着很好的发展前景。

    1 制冷循环

    如图1所示,CO₂双级压缩低温制冷循环是两级节流、中间完全冷却的低温制冷循环。由冷凝器来的液体制冷剂经一级节 流到中间压力,节流后产生的气液混合物分成两部分:一部分液体继续节流到蒸发压力,并进入蒸发器制冷;另一部分气体与低压压缩机的排气混合后进入高压压缩 机。图2中1-2-3-4-5-6-7-1为CO₂双级压缩低温制冷循环。由于CO₂的临界温度较低为31.1e,绝热指数较高为1.3,所以低压压缩机的排气在中间冷却器中完全冷却成饱和蒸汽,这样可以减少高压级的排气温度。图2中1-4-5-8-1为CO₂单级低温制冷循环。压缩机排出的高温气体进入冷凝器冷凝到5点,经节流直接降压到蒸发压力,进入蒸发器蒸发回到压缩机。

    2 热力计算与分析

    2.1 计算参数

    本文所研究的CO2低温制冷循环的计算参数如表1。

    2.2 热力计算

    2.2.1 CO₂双级压缩低温制冷循环的热力计算[4]

    在制冷量为Q0时流经低压级的质量流量为:

    低压压缩级的功率消耗为:

    对于绝热的中间冷却器建立焓平衡方程式得到流经高压压缩机的质量流量:

    高压压缩机的功率消耗为:

    CO₂双级压缩低温制冷循环的性能系数为:

    2.2.2 CO₂单级压缩低温制冷循环的热力计算

    在制冷量为Q0时流经压缩机的质量流量为:

    压缩机的功率消耗为:

    CO₂单级压缩低温制冷循环的性能系数为:

    2.3 计算结果分析

    由图3可以看出,CO₂单级压缩低温制冷循环的性能系数低于CO₂双级压缩低温制冷循环,为双级压缩制冷循环的70%。从图4中看到,CO₂双级压缩低温制冷循环的单位质量制冷量大,在提供相同的制冷量下,CO₂双级压缩低温制冷循环的质量流量小,所需的压缩机理论容积小,外型尺寸小。由图5可以看出,单级压缩制冷循环的压差远大于双级压缩制冷循环的高、低压级压差,压差大容易造成泄漏,容积效率降低,性能下降。由图6可以看出,CO₂单级压缩制冷循环的压比高于CO₂双级压缩制冷循环高、低压压缩机的压比。由图7可以看出,在一定的蒸发温度和冷凝温度下,CO₂双级压缩制冷循环的性能系数随中间温度的变化而发生相应的变化,并存在一个最大,这个最大COP所对应的中间温度即为最佳中间温度。