CO2跨临界双级压缩带膨胀机制冷循环研究

    1 前言

    CO2作为一种安全可靠的天然制冷工质,近几年已引起广泛注意。针对CO2与其制冷循环的性能,因内外学者已做了大量研究[1-5]。作为制冷剂,CO2的优点是其所具有的环境优势(ODP=0,GWP=1),但由于其临界温度较低,因此能效低,且系统压力较现有制冷剂高很多。所以,完善系统循环方式,优化系统设备,提高系统的循环效率,是推广和应用CO2制冷的关键。

    CO2的临界温度(30.85℃)低于典型夏季工况的环境温度(35℃),用于空调制冷,宜采用跨临界循环方式[2-3],目前,所给出的循环方式主要有单级压缩回热循环、双级压缩回热循环和单级压缩带膨胀机循环等[3]。分析表明,单级压缩回热循环的COP值仅为常规工质(R22、R134a)制冷循环的70%~80%左右。即使采用双级压缩回热循环,其COP依然较R22、R134a低。较低的循环效率,所引起的电耗增加,一方面使运行费用上升,一方面会抵消所具有的环境优势。一种可能的思路是利用膨胀机代替节流阀,以回收工质从高压到低压过程的膨胀功。CO2的较低膨胀比(2~4)和较高的膨胀功回收比,使带膨胀机循环更具有可行性。相关文献的分析表明,单级压缩带膨胀机CO2制冷循环,其CO2可超过相同工作条件下R22或R134a的简单循环的COP[4-5]。

    和其他工质一样,采用膨胀机也面临着许多技术上的难题,一是膨胀机的结构和优化设计应适应CO2跨临界两相流动的要求,一是要解决膨胀机和压缩机的连接以及膨胀功的回收方式问题。本文提出的双级压缩带膨胀机跨临界CO2制冷循环方式,就是试图解决提高系统效率和系统在技术上更具可行性的问题。为使理论分析尽可能接近实际工作过程,本文在热力循环分析中,考虑了压缩和膨胀过程中绝热效率的影响。

    从对环境长期的影响来看,采用早已存在且早已证明对环境无害的天然工质作为制冷剂,是解决制冷工质对环境影响的根本措施,CO2的再次引于,是制冷空调行业发展中许多有意义的领域之一。提高CO2的制冷循环效率,使其不但在环境安全,而且在经济和可靠性等方面与传统工质相比,更具竞争力,是CO2制冷循环研究应首先解决的问题。

    2 循环模型

    2.1循环流程

    本文给出的双级压缩带膨胀机跨临界CO2制冷循环流程见图1,循环流程的T)S图见图2。蒸发器出口的CO2为饱和蒸气状态,经第一级压缩机由1点压缩至2点,然后,经第一气体冷却器,等压冷却至3点,再经第二级压缩机压缩至4点,在第二气体冷却器,等压冷却至5点,经过膨胀机做功,乏气进入两相区湿蒸汽状态6点,最后,在蒸发器内吸热至饱和蒸汽状态1点。第二级压缩机与膨胀机和电动机同轴相联结,在本文的分析中,按理想情况第二级压缩机完全由膨胀机所做之功驱动。