不同跨临界二氧化碳制冷循环的性能比较

    汽车空调制冷剂的排放对环境的影响非常大,其制冷剂替代迫在眉睫.为了彻底解决现有的和可能存在的环境问题,人们将注意力逐渐集中到了自然制冷剂上,如CO₂.1993年,Lorentzen提出采用CO₂跨临界循环来制冷,并生产样机用于轿车空调进行实验,以后各国的研究大多是基于这种循环[1].

    但是Lorentzen提出的循环性能并不理想,同时考虑到超CO₂制冷装置中制冷剂的压力是现有系统的7～8倍,该压差导致膨胀阀损失很大,采用回收膨胀功、二级压缩和吸气回热等方式将会对制冷系统的性能有所改善.McEnaney等[2]建立热力学模型研究了带和不带膨胀机的跨临界CO₂制冷循环的性能,结果也证明了这一点.但是他们仅计算给定了循环中几个点的制冷剂状态,实际上是热力循环分析,不涉及系统的实际结构,并不是真正意义上的仿真计算,只是一种最大系统性能提高程度的可能性分析.Heyl等[3]对更多的跨临界CO₂制冷循环进行了类似的理论循环热力学分析,马一太等[4]也对二级压缩制冷循环进行了一定的热力学分析计算.为了更好地考察上述各种方式提高跨临界CO₂制冷循环性能的能力,本文通过建立稳态仿真模型,分析计算了6种跨临界CO₂制冷循环的性能.

    1　各种跨临界CO2制冷循环

    图1(a)是目前已被采用的基本CO₂跨临界循环流程图(循环a),将可能采用的其他循环方式(见图1(b)与1(f))与该基本循环进行对照,这些循环分别为带膨胀机的单级压缩制冷循环(循环b),带吸气热交换器(回热器)的单级压缩制冷循环(循环c),带吸气热交换器和膨胀机的单级压缩制冷循环(循环d),二级压缩一级节流中间冷却制冷循环(循环e)和带增压膨胀机的二级压缩中间冷却循环(循环f).在所有6种循环中蒸发器出口均有一个低压储液器,避免压缩机液击,但在图中并未画出,程序中也没有它的模型,只是简单地认为蒸发器出口制冷剂为饱和蒸汽.

    单级压缩制冷循环中用到的各个部件的结构参数[5]见表1,以下计算以此参数为依据,而二级压缩制冷循环与单级压缩不同之处在于压缩机理论容积排量不同,但是二级压缩机汽缸容积总和与单级相同.压缩机都是往复式活塞压缩机,单级循环中汽缸容积为20.7 mL,在循环e中,低压级压缩机汽缸容积为15 mL,高压级压缩机的汽缸容积为5.7 mL,两压缩机的容积效率和等熵效率均为0.8;在循环f中,低压级压缩机的汽缸容积为14.2 mL,高压级压缩机的汽缸容积为6.5 mL.节流阀为手动调节阀,吸气热交换器长度为1.5 m,外径为17 mm.

    2　稳态仿真模型