CO2非共沸混合工质制冷系统的理论分析

　　1 引 言

　　CO₂作为自然工质,它的性能非常优良(环保(ODP=0,GWP=1)、安全、无毒、不可燃、易获取、热物理性质极佳)。从20世纪90年代起,一些欧洲国家和日本相继展开了CO₂跨临界循环的研究,并取得了显著成效。但相比传统的氟利昂类工质,CO₂跨临界循环系统的高压压力较大,一般达到10MPa甚至更高,约是传统制冷系统冷凝压力的5倍。为了降低CO₂系统的压力,可以采用以下3种方法。一是采用复叠式制冷系统,Kim提出采用一台压缩机的自复叠制冷系统,用非共沸制冷剂R744/134a和R744/290,最大运行压力低于3MPa,但COP有待进一步提高^[1]。中国浙江大学、天津大学、西安交通大学等单位也对复叠式制冷系统做了较深入的研究,主要探讨了采用天然工质CO2和R600a及R290的二元和三元混合工质制取230K以下低温,用R744/R290代替低温工质R13的自行复叠制冷循环性能^[2-3]。第2种方法是采用压缩)吸收式制冷循环,可以使循环的压力降低到与现有系统相当的水平,目前该循环的研究重点之一是寻找理想的工质对^[4]。第3是采用混合工质,Koyama等人^[5]采用二元工质CO2/DME和纯CO₂进行了试验对比,结果表明CO₂/DME二元工质可获得与纯CO₂几乎相同的最大COP,同时压力大大降低,制热模式下减少了2MPa,制冷模式下减少了1.9MPaKim等人对CO₂/R290(质量配比分别为100/0, 85/15, 75/25, 60/40)在空调工况下的制冷性能进行了实验研究,发现随着混合工质中CO₂质量配比的降低,压缩机的排气压力得到有效降低^[6]。

　　对CO₂混合工质的研究尚处于起步阶段,从文献来看,目前国内外的研究主要集中在复叠式低温制冷系统,而对CO₂混合工质应用于普通热泵及空调(制冷)系统的研究较少。本文对3组非共沸混合工质R744/R22、R744/R1270和R744/R600a的普通制冷系统进行循环总体性能状况分析研究。根据5蒙特利尔协定书6哥本哈根修正案,中国将于2040年1月1日禁止HCFCs物质的生产与销售。虽然中国国内淘汰HCFCs物质的呼声很高,但根据中国目前的经济发展情况,HCFCs工质大规模替代的时机尚不成熟,当前国内的经济水平还不能提前实施该规定。基于此原因,本文选择HCFCs类工质R22作为单工质与CO₂混合。烷烃类工质是自然界天然存在的物质,对环境无害。其中R50和R170由于临界温度低,不能在本文设定的工况下使用。临界温度较高的R1270和R600a,化学特性稳定,易于获取,完全符合对制冷剂的长期替代要求。而且,易燃易爆的R1270和R600a与不可燃的CO2混合后,还能使其爆燃性大大降低。

　　2 热力学模型