CO2跨临界双级压缩P喷射制冷循环热力学分析

    0 引 言

    作为CFCs和HCFCs制冷剂的有力替代者,自然工质CO₂越来越受到国内外制冷界的重视[1~5]。CO₂作 为制冷剂,具有良好的流动和传热特性、ODP为0、GWP为1、安全无毒、单位容积制冷量大和系统结构紧凑等诸多优点。但由于其临界温度(31.1℃)低 于典型夏季工况的环境温度(35℃),系统通常在跨临界条件下运行,运行压力较常规制冷剂高很多,而且系统的效率较低。因此,推广和应用CO₂跨临界制冷循环的关键是提高系统的循环效率。

    采用双级压缩[6~9]可减小压缩机耗功,有效提高CO₂跨临界循环的性能系数(COP)。利用喷射器代替节流阀不但可减小节流损失、回收压力能、提高压缩机吸气压力、减小压缩机耗功,还具有结构简单、成本低、无运动部件和不易损坏等优点。理论分析表明,CO₂跨临界喷射制冷循环的COP比回热循环高18.6%,比常规循环高22.0%[10]。实验研究结果表明,CO₂跨临界喷射制冷循环系统的制冷量和COP比常规循环分别提高了8%和7%,喷射器能够减小约14.5%的节流损失[11],文献[12,13]对几种不同形式的CO₂跨临界喷射循环进行了优化分析。

    本文建立了CO₂跨临界双级压缩P喷射制冷循环模型,分析了系统稳定运行时高压压力、气体冷却器出口温度、蒸发温度和高、低压压缩机吸气过热度对双级压缩P喷射制冷循环性能系数的影响,并与CO₂跨临界单级压缩P喷射制冷循环和CO₂跨临界双级压缩制冷循环进行了比较,旨在为CO₂跨临界制冷循环系统的优化设计提供参考。

    1 CO₂跨临界双级压缩P喷射制冷循环

    图1和图2为CO₂跨临界双级压缩P喷射制冷循环的流程图和p-h图。

    喷射器出口的气液两相混合物在气液分离器内分为两路:饱和蒸气经过一段管路过热后进入低压压缩机,压缩至中间压力p₂进入中间冷却器,经过中间冷却器冷却的蒸气被吸入高压压缩机,压缩后的高压蒸气进入气体冷却器,气体冷却器出口的CO₂气体经过喷射器主喷嘴后成为低压高速流体,作为工作流引射来自蒸发器的低压饱和蒸汽,两者在混合室内混合成状态6,然后经过扩压室增压减速后流出喷射器;饱和液体经过节流阀节流作用后进入蒸发器,在蒸发器中蒸发产生制冷效应,蒸发后的低压蒸气被引射到喷射器。

    2 热力学分析

    为简化分析,作如下假设:①忽略喷射器进出口的动能;②喷射器内的混合过程为等压过程;③喷射器内制冷剂为一维稳定流动;④制冷剂与外界无热交换;⑤压缩 过程为绝热非等熵过程;⑥制冷剂在蒸发器、气体冷却器和管路中的压降为零;⑦蒸发器出口蒸气、气液分离器出口蒸气和液体均为饱和态。