CO2跨临界循环与传统制冷循环的热力学分析

    0 前 言

    由于制冷空调行业广泛采用的氟利昂类人工合成制冷剂(如CFCs,HCFC以及HFC等)对大气环境都有不同程度的影响,使得制冷空调行业面临严重的挑战,寻求高效环保的制冷工质成为国际社会关注的问题。近年来,CO₂作为一种安全、可靠、环保的自然工质,重新引起人们的兴趣。许多国家在这方面相继开展了研究,但是在将CO₂与传统工质进行比较时,研究结论很不一致。其中的一个主要原因就是缺少统一的比较基准。这是由于CO₂跨临界循环的放热过程在超临界区,工质在气体冷却器中进行无相变定压变温放热,用传统分析方法(即以相同蒸发温度和冷凝温度为基准)根本无法对其进行分析,而用其它不同的分析方法必然得出不同的结论。

    例如针对CO₂跨临界循环COP值低的缺点,各国的研究者们提出了一些改进办法,与传统工质比较得到了一些初步结果,如表1所示。

    从表1可见,对比研究的结果很不一致。但CO₂跨临界循环的客观规律应是唯一的,不同的研究结果可能是在研究中采用了不同的理论模型或实验样机。考虑到不同研究方法随机误差的影响,为使结论更为准确,CO₂跨临界循环和常规工质循环必须在当量条件下才可以比较它们的优劣[9],这样可以使所得结论更加公正,具有说服力。

    此外,在实际制冷循环中,有各式各样的变温过程,如液体过冷、蒸气过热以及非共沸混合工质的定压变温相变过程等。用传统分析方法对这些过程进行分析时,通 常存在一定的偏差。因此以热力学第二定律和卡诺定理为基础,提出了一种新的热力学比较方法-当量温度法。用这种方法为基准对各种制冷循环进行分析和比较, 结论更加公正、合理。

    1 传统制冷循环分析方法

    为了应用热力学理论对蒸气压缩制冷实际过程进行分析,先对其理想循环进行分析,以作为研究实际循环的基础。传统蒸气压缩制冷理想循环如图1中 1-2-3-4-5-1所示,基本假设:①压缩过程为等熵压缩;②在冷凝器和蒸发器中不存在换热温差,且制冷剂的冷凝温度、蒸发温度都是定值;③制冷系统 运行过程忽略流动阻力损失和散热损失;④制冷剂在节流过程中与外界没有热交换。

    在这些假设条件下,传统分析方法即以相同的蒸发温度和冷凝温度为基准,对不同工质的性能进行热力学分析和比较。下面以R12、R22、R134a、 R290、R407C、R410A 6种工质为例,用传统分析方法比较它们在相同的冷凝温度和蒸发温度条件下的性能(对于非共沸混合工质,以相同压力下所对应的泡点温度和露点温度的平均值为 计算基准),如图2。计算工况设蒸发温度为0℃,冷凝温度为35~60℃,从图2中可以看出,制冷系数从大到小的顺序为:R12、R22、R134a、 R290、R407C、R410A。