开放式二氧化碳制冷性能

　　二氧化碳作为制冷剂曾经被广泛运用,现在由于氟利昂对大气层的破坏以及温室效应,二氧化碳制冷再次受到重视[1]。但是现在对于二氧化碳制冷的研究主要集中在跨临界循环和复叠式制冷[2-7],对二氧化碳开放式系统研究较少,严嘉等[8-9]研究了一种开放式二氧化碳制冷系统用于冷藏车的制冷。随着国内矿用可移动式救生舱的发展,小型密闭空间的无源制冷越来越受到人们关注。目前适用于救生舱的制冷方式主要有蓄冰制冷、蓄电制冷和高压气源制冷等,高压气源主要有氟利昂、二氧化碳和氨等。不同制冷方式的优缺点如表1所示。

　　综合表1各种制冷方式的优缺点,高压二氧化碳开放式制冷优点更为突出,为此本文在分析二氧化碳特性的基础上,搭建了开放式高压二氧化碳试验平台,对高压二氧化碳在3种储存条件下的制冷特性进行了实验研究,并考察了影响二氧化碳制冷性能的各种因素。

　　1　实验装置与原理

　　实验装置主要由设备舱、人员舱、开放式制冷系统及数据采集系统组成。设备舱用于存放高压二氧化碳储罐,在设备舱内设有加热器,控制舱内温度维持在某一恒定温度,以模拟二氧化碳的各种存储工况。人员舱安装一定数量的灯泡,用来模拟人员热负荷及舱体结构热负荷。开放式制冷系统用来对高压二氧化碳进行制冷特性研究,数据采集系统主要用来记录和收集实验结果。

　　1.1　制冷原理

　　二氧化碳制冷系统可分为闭式系统和开式系统两大类。闭式系统是指二氧化碳依次流经压缩机、冷凝器、节流机构及蒸发器这4大部件,再回到压缩机的循环系统;开式系统直接通过节流机构将二氧化碳节流成中压低温的液体,再进入蒸发器蒸发制冷,最终排放于环境的制冷系统。开式系统主要应用在无电力供应的制冷环境中。

　　1.2　制冷系统

　　制冷系统由高压二氧化碳储罐、减压阀、蒸发盘管、温度压力传感器及管道阀门配件组成。为了增强节流效果,减少节流前的闪发,在节流阀前增加预冷器。蒸发盘管通过辐射换热及对流换热的方式与舱内空气进行热量交换,为了充分利用二氧化碳的冷量同时减少流阻,在一级蒸发盘管之后并联两个等面积的二级蒸发盘管。高压储罐的净体积为40 L,标准充装质量为18 kg,6个罐体并联。系统布置及温度压力测点的位置如图1所示。温度传感器采用pt100,通过ADAM4015采集。压力变送器根据布置的位置不同,量程分别为5×105～100×105Pa不等,压力信号通过ADAM4017采集。

　　2　二氧化碳制冷性能分析

　　2.1　二氧化碳制冷系统分析