N2O跨临界二级蒸气压缩制冷循环及回热特性

　　CO₂跨临界循环在制冷、热泵的各个应用领域迅速发展,但其系统能效低、排气压力很高的缺点依旧突出。N₂O的物理性质和CO₂相似,二者的相对分子质量、临界温度、临界压力接近;N₂O的三相点温度为- 90.8°C,远低于CO₂的-56.6°C,可以应用于更低温的领域;N₂O的温室效应潜能值(GWP)为240,高于CO₂,但N₂O毒性低于CO₂,属于较为环保的制冷剂。目前关于N₂O用于制冷循环的研究很少,国内至今还没有文献公开发表。Kruse等^[1]在外复叠制冷循环R23 /R134a中用N₂O代替R23,通过理论研究表明性能没有降低。Souvik等^[2]对N₂O/CO₂外复叠制冷/热泵循环进行了理论研究。以上针对N₂O的研究均应用于复叠制冷领域,将N₂O应用于跨临界循环中的研究几乎没有, Sarkar等^[3]仅理论研究了跨临界N₂O单级压缩循环中的情况。本文建立了二级压缩跨临界循环的理论模型,通过理论计算比较了CO₂和N₂O的性能,重点涉及了变工况下系统能效C_cop和最优高压侧排气压力的比较,并分析了回热效率对二者的影响。

　　1 计算模型的建立

　　本文给出的跨临界二级压缩制冷循环的T-S图如图1所示。制冷剂由蒸发器出口(状态点0)经过回热器到第1级压缩机进口(状态点1),压缩到状 态点2,在第1级气体冷却器中冷却到状态点3,经过二级压缩到状态点4,再经过第2级气体冷却器冷却到状态点5,回热后由状态点6节流至7点,最后蒸发到 状态点0完成整个循环。

　　1.1 模型假设

　　进行该N₂O跨临界二级压缩循环分析前,先进行如下假设:①蒸发器出口制冷剂是饱和气体;②忽略制冷剂在管路及换热器中 的流动阻力损失;③气体冷却器的冷却过程为定压过程,压缩过程为绝热多方过程;④2个气体冷却器的出口温度相同;⑤各过程处于热力学平衡状态,其物性参数 及速度在同一个截面上为定值,看作一维过程。

　　1.2 计算方法

　　单位质量制冷量:

　　第1级压缩机耗功:

　　第2级压缩机耗功:

　　系统效率:

　　其中最优高压侧排气压力定义为当系统C_cop值最优时的高压侧排气压力,最优高压侧排气压力popt由如下方法得到:每隔10kPa步长取一个高压侧排气压力,系统达到最佳C_cop值时对应的便是最优高压侧排气压力。

　　N₂O和CO₂循环最优中间压力取值:

　　η₁,η₂分别为压缩机的绝热效率,对于压缩机绝热效率的计算,参考下面公式^[5]: