CO2跨临界循环膨胀特性及机理

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    近年来,制冷和热泵系统应用越来越广泛,由此而产生的臭氧层破坏和温室效应问题已引起人们特别的重视,国际上已经达成了多项削减和禁止CO₂、CFCs和其它温室气体的协议。在寻求新的替代工质的研究中,二氧化碳作为一种安全可靠的天然制冷工质,逐渐显示出其优势[1]。目前对CO₂跨临界循环的热力学分析、系统仿真以及CO₂跨临界循环热泵、汽车空调的实验研究等方面都有了很大的发展,实验样机和初期产品都已经问世,欧洲计划在2003年生产的汽车一半装备二氧化碳汽车空调系统。

    二氧化碳跨临界制冷热泵循环的一个关键技术是用膨胀机代替节流阀。CO₂跨临界循环采用膨胀机比常规工质更具有可行性,CO₂的膨胀比为2～4,是常规工质的1/10,其膨胀功所占的比例也较大,理论制冷系数提高82%[2],因此回收更具实际意义。考虑到CO₂跨临界循环在膨胀机的入口是超临界流体,在膨胀过程中转变为亚临界的气液两相流体,并输出膨胀功。这一过程与高压气体或过热高压蒸气膨胀做功有本质的区别,主要是从单项流体变为两相流体,高压液体出现汽化核心,产生气泡并长大。该过程类似于液体降压后的闪蒸过程。本文从气液相变的平衡判据和稳定性判据出发,分析了CO2超临界流体膨胀过程中的稳定平衡态和亚稳定平衡态的特性,并阐述了系统中各相之间的热力参数关系以及气泡的成核机理,该研究对于解析CO2跨临界循环中膨胀过程的机理和相应膨胀机的研制具有重要的理论指导意义。

    1　CO₂跨临界制冷循环系统简介

    带膨胀机的二氧化碳跨临界制冷系统流程图和循环的热力学温—熵图分别见图1和图2。

    图2中3 - 4为等焓节流过程,3 - 5为等熵膨胀过程。从气体冷却器出来的CO2超临界流体,降压转变为饱和液体,再逐渐气化进入两相区。选用蒸发温度为5℃,压缩机出口温度为76.5℃(此时的当量冷凝温度为55℃)的二氧化碳热泵循环典型工况作为研究膨胀过程的基准,理论循环各点的热力学状态参数如表1所示。

    2　二氧化碳膨胀过程的特点

    CO₂系统的膨胀过程与通常的高压气体的膨胀作功是不同的。高压气体的膨胀是自发过程,主要靠气体的体积膨胀输出轴功。而在CO₂的膨胀过程中出现气液相变,但体积变化不大,主要靠压力势能和气液相变提供输出功。这一过程也是自发过程,并伴有压力波的传递。由于气化核心的产生和气泡的生长有一时间上的滞后,膨胀过程中将出现“过热液体”的亚稳定现象。当有一定的过热度后,才有产生足够多的气化核心的推动力,并可能产生爆炸式闪蒸。实际过程中应尽量避免这种情况,以减少气化滞后时间,使CO2液体在膨胀机内瞬时气化,避免过热液体在膨胀机内部沸腾迟,导致在膨胀机出口或蒸发器中出现气化,这将造成膨胀机效率下降甚至无轴功输出。