跨临界二氧化碳制冷系统节流降压形式研究

    1 前言

    对于跨临界CO₂循环来说,由于理论COP较现在的R22和R134a低,改进节流装置,减少这部分的不可逆损失可以提高循环性能系数。如何减少这些能量损失成为进一步提高CO₂系统COP的关键。因此,本文将对几种采用不同膨胀方式的CO₂系统进行研究。

    2 3种膨胀方式的循环理论分析

    2.1 膨胀机膨胀方式的循环分析

    图1中,过程1→2→3→4→5h→6→1是采用膨胀阀的CO2循环,过程1→2→3→4→5t→6→1是采用膨胀机的CO2循环。跨临界循环的过热损失和节流损失都比较大,尽管采用回热循环并调节最佳压缩比可得到较大COP,但它比常规循环的制冷系数还要低约25%,其中最主要的原因是节流损失较大。采用膨胀机代替节流阀情况会有很大改善。这种系统接近理想卡诺循环,理论上无节流损失,如图2、3所示,5h代表的是膨胀阀的等焓膨胀过程,5s代表的是理想膨胀机的等熵膨胀过程,5t代表的是实际膨胀机的膨胀过程。理论循环的各部分能量交换按以下公式计算:

    单位制冷量:

qeva=h6-h5(1)

    压缩机输入功:

Win=h2-h1-qc,loss(2)

    气冷器带走热量:

qrej=h3-h2(3)

    回热器换热量:

qint=h3-h4=h1-h6(4)

    系统能量平衡方程:

qeva+Win=qrej+qc,loss(5)

    COP定义为:

    对于膨胀机膨胀过程,回收功:

Wout=h5-h4-qt,loss(7)

    而膨胀阀过程回收功:

Wout=0 (8)

    系统净输入功:

Wnet=Win-Wout(9)

    2.2 涡流管膨胀方式的循环分析

    利用涡流管的能量分离效应:高压气流通过进口喷嘴切向进入涡流管,形成一类似轴对称的涡流,冷气从进口喷嘴端的一个中央孔排出,而在管的另一端,热气流贴管壁排出。涡流管的能量分离效应机理到目前为止还不是很清楚,普遍认为是由于贴近管壁的气流速度和处于管中央的气体速度之间存在着速度差,引起二者之间发生机械能的交换。

    系统装置流程如图4,涡流管和辅助热交换器代替原有的等焓膨胀阀,从涡流管热端来的过热气体经过一辅助热交换器放出热量后和冷端的饱和液体混合进入蒸发器。假设涡流管内发生的过程是绝热过程,即涡流管和环境没有发生热交换,即:

    当涡流管热端的过热气体温度超过环境温度时,一部分热量可以通过辅助热交换器散发到大气中去,则:

    状态4的焓值低于状态6的焓值,和等焓节流过程相比,蒸发器进口的焓值低,涡流管膨胀装置的制冷量及循环COP都得到了提高。