CO2跨临界循环中膨胀过程的亚稳态特性研究

    1 前言

    近年来,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]。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,通过两相流总体积的膨胀而输出机械功。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。

    2 CO₂跨临界制冷循环系统

    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、2所示。图2中过程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。

    3 气液相变过程中的亚稳态平衡分析

    图3为纯质二氧化碳的p-v图。图3中,1→2→5→6为等温过程,2→5过程为相变时的等压等温线。对处于状态点2的饱和液体来讲,当CO₂从超临界状态膨胀至该状态点时,一般导致液体立即汽化,过程将沿着2→5进行,这是理想的相变过程。实际上,如果液体非常洁净,该膨胀汽化过程可能沿过程2→3进行。这时,膨胀后液体仍然保持液态,不出现气相。这时液体的温度高于相同压力下平界面相平衡时的饱和液体温度Ts,称为过热液体。

    图4示意性地分别表示了气相化学势Lv及液相化学势µl在等温下随压力变化的曲线。两条曲线的交点2满足µv=µl的关系,为两相共存的平衡状态。此时压力正好等于相应温度T时的饱和压力ps。当系统处于图4中a、b两点所示的气相和液相所组成的系统时(a、b两点温度、压力均相同),由于没有到达平衡点2,因此该等温等压系统总会进行一个使自由焓减小的过程,即dGT,p<0,而使系统趋于平衡。