NH3/CO2复叠系统性能分析

    1 引 言

    面对全球环境恶化，利用自然工质替代 HCFCs 制冷剂已成为一种共识。采用空气为工质的制冷循环效率太低; 应用水为工质时受到最低蒸发温度的限制;NH₃易燃易爆，尤其是其毒性，用于食品工业易对人体造成伤害。CO₂具有对环境友好( ODP =0，GWP =1) ，无毒、不燃等优点，在工商业低温领域应用中受到重视。为解决 CO₂临界温度较低，单级级循环性能差，Kitzmiller［1］提出 NH₃/ CO₂复叠式循环方案，高压级用NH₃冷却低压级 CO₂。相比 NH₃复叠系统，Pettersen等［2］研究表明，NH₃/ CO₂复叠系统其低温级压缩机体积减小90%，查世彤等［3］通过热力分析发现，NH₃/ CO₂复 叠系统在低温制冷条件下具有明显优势; Getu 等［4］通过对系统进行分析，运用多元线性回归的方法得出部分运行参数的数学表达式; Lee 等［5］对冷凝蒸发器中的最佳冷凝温度进行研究，并对其进行优化设计。众多理论和实验研究为提高系统性能奠定了基础，但是缺少对系统能质() 的研究分析。

    本文基于 NH₃/ CO₂复叠系统理论循环，研究低温级蒸发温度、冷凝温度、冷凝换热温差对循环性能的影响，为提高系统效率和性能系数( COP) ，完善系统结构设计提供理论依据。

    2 NH₃/ CO₂复叠系统

    NH₃/ CO₂复叠系统由低温循环和高温循环两部分组成，其系统原理图和压焓图如图 1( a) 和图 1( b)所示。低温循环过程为 1 － 2 － 3 － 4，CO₂由压缩机压缩后，排入冷凝蒸发器，与高温工质 NH₃进行热量交换，冷凝成 CO₂液体，经节流降压后进入 CO₂蒸发器，与环境进行换热，完成冷却降温; 高温循环过程为5 － 6 － 7 － 8，NH₃在压缩机中被压缩后排入冷凝器冷凝，冷凝后的液态氨经节流后进入冷凝蒸发器中，对来自低温的 CO₂工质进行冷却，吸热蒸发后被压缩机吸入，实现高温系统的循环。

    3 分析方法

    理论循环中，系统性能系数表示为:

    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它能量形式的那部分能量，表达式为:

e = ( h － h_o) － T_o( s － s_o)       ( 2)

    通过计算可以得出制冷循环各个环节中的损失和系统的效率，分析系统的能量利用完善程度。各自循环过程中的计算表达式如表 1 所示。