CO2跨临界两级压缩制冷循环热力学分析

    为了保护大气臭氧层和缓解全球日益变暖的气候环境,采用自然工质作为制冷剂是制冷界最终彻底解决该问题的方法.所谓的自然工质包括水、空气、氮气、氨气、丙烷、CO2等自然界自然存在的物质,其中采用CO2作为制冷剂来实现制冷的研究受到特别的关注[1,2],也取得了许多研究成果.2000年,SAE汽车空调制冷剂替代研究会议资料[4,5]显示:CO2系统在大多数工况下,COP、耗油率、制冷速度等指标和R-134a系统不相上下,某些工况甚至优于R-134a系统.除了在汽车空调领域的应用,CO2在超市陈列柜、家用空调、热泵、军用场合制冷等方面的应用研究也取得了很多进展.

    CO₂作为制冷剂有很多得天独厚的优点,首先,CO2在上个世纪初就曾经作为一种主要的制冷剂被广泛应用于船用制冷;其次,CO2是自然工质,无毒、不易燃、单位容积制冷量高.然而,由于CO2的临界温度只有31°C,其冷却放热过程一般工作在临界温度以上,也就是所谓的跨临界循环,跨临界CO2循环系统的高压侧压力在10 MPa左右,低压侧压力在3～4 MPa,通过节流元件的压差达7 MPa,节流损失比常规制冷循环大得多[3].因此,CO2跨临界循环研究的两个课题:一是适合于工作在高压环境下制冷部件的研究,主要是压缩机的研究;二是减少制冷循环不可逆损失,提高系统的性能.

    本文旨在利用热力学原理,建立CO2跨临界循环的热力学模型,对影响系统循环的主要参数进行分析,为系统设计提供参考.

    1　CO2跨临界循环热力学模型

    CO2跨临界循环过程的不可逆损失主要包括以下几个方面:①冷凝器(CO2制冷系统是气冷器)与蒸发器换热损失;②压缩机不可逆压缩损失;③制冷工质流经节流膨胀元件时所产生的节流损失;④系统管路流程损失.

    CO2循环压缩机出口压力很高,其压缩过程及排气也高于常规循环,压缩过程的不可逆损失增加,采用双级压缩有利于降低压缩机排气温度并提高系统效率.

    根据热力学第二定律,理想热力循环的效率和工质的性质无关,只取决于热源的温度,但实际的蒸汽压缩制冷循环由于工质的性质不同,循环的过程不可逆损失也不一样.如果以相同的蒸发温度和冷凝温度为基准,则不同的工质循环的效率是不同的,CO2跨临界循环的高压可达10 MPa,压缩终了的气体温度达120　°C,其压缩过程的不可逆损失高于常规制冷循环.图1是带有回热器的CO2跨临界循环系统原理图,图中1～6分别对应压缩机、气冷器、回热器、膨胀阀和蒸发器进出口状态点.图2为CO2单级、两级压缩循环工作过程lgp-h图,图中1～6和图1中的各状态点一一对应.

　　理论循环的各部分能量交换按以下公式计算: