应用于展示柜的CO2蒸气压缩式制冷系统循环的分析

　　CO₂作为最早的制冷剂之一，在19世纪末到20世纪30年代得到了普遍的应用，到1930年，80%的船舶采用CO₂制冷机。但由于当时采用的CO₂亚临界循环制冷效率低，特别是当环境温度稍高时，CO₂的制冷能力急剧下降，功耗增大，经济性受到严重影响。同时，以R12为代表的CFCs制冷剂的出现，以其无毒、不可燃、不爆炸、无刺激性、适中的压力和较高的制冷效率，很快取代了CO₂在安全制冷剂方面的地位，CO₂逐渐退出制冷领域。近年来，制冷剂对臭氧层的破坏和全球温室效应等环保问题日益突出，随着CO₂跨临界制冷循环的提出，CO₂作为理想的制冷剂重新得到重视。国内外，特别是欧洲各国均开展了大量有关CO₂制冷的研究和开发，并在一些领域开始应用CO₂。目前，CO₂制冷主要应用在以下3个方面：汽车空调;各种热泵;复叠式制冷系统^[1]。当前，展示柜中的制冷系统大多采用传统制冷剂，用CO₂制冷系统代替传统制冷系统应用于展示柜的研究已经在很多国家展开，国内也有一些大的制冷企业正在研发。

　　1　跨临界CO2蒸气压缩式制冷理论循环

　　CO₂跨临界循环的概念是由Lorentzen教授首先提出，其流程图如图1所示。该循环由压缩机、气体冷却器、回热器、节流阀、蒸发器与贮液器组成封闭回路。低温、低压的CO₂气体在压缩机内被压缩至超临界，随后进入气体冷却器被冷却介质所冷却，离开气体冷02却器后的高压气体在回热器中被进一步冷却，然后通过节流装置降压，经节流后的气体温度下降，部分气体液化，湿蒸气进入蒸发器中汽化。蒸发器出口必须配置贮液器，以防止压缩机液击和便于压缩机回油(专用回油管路如图1中虚线所示)，也保证了在调节膨胀阀时蒸发器不会被蒸干，同时增大了系统内部容积，避免在高环境温度下怠速时系统内的压力过高。贮液器出来的低压饱和蒸气进入回热器的低压侧通道，吸收高压侧通道中超临界流体的热量后，成为过热蒸气进入压缩机升压，如此周而复始完成循环^[2]。

　　跨临界CO₂制冷循环的特点为：1)冷却器出口温度tk大于CO₂临界温度tc，出口压力pk大于CO₂临界压力pc，高压侧温度和压力相互独立，使CO₂跨临界制冷系统多了一个自由度或可控参数;2)采用回热;3)点e处于两相区或饱和蒸气线上。从热力循环原理上讲，CO₂跨临界循环与蒸气压缩循环相比有2点不足之处：一是CO₂在气冷器中的冷却过程中没有普通制冷剂两相换热的等温过程，与高温热源的平均换热温差较大，导致较大的不可逆换热损失;二是CO₂的节流过程是从过热气态节流到两相态。在T-S图上，节流过程的等焓线向熵增大的方向偏离较大，导致节流过程中的损失大于普通制冷剂^[3]。