提高CO2跨临界循环效率的方法

    引言

    随着人们环保意识的逐渐增强,在制冷和空调工业中,自然制冷剂越来越受到人们的关注。在这些自然制冷剂中,CO₂是一种很有前途的制冷剂,它没有毒性,不可燃,价格低廉,对大气臭氧层没有破坏,而且全球变暖潜势值几乎为0。

    CO₂的基本跨临界循环(图1)的循环效率比原有的CFCs和HCFCs蒸气压缩式制冷系统低,提高CO₂跨临界循环的效率,是用CO₂跨临界循环替代CFCs和HCFCs制冷循环的一个关键问题。近年来有不少研究者对提高CO₂跨临界制冷循环效率的方法进行了研究。Robinson[1]等人的研究表明,在CO₂基本跨临界循环系统中加入回热器,用蒸发器出口的冷蒸气冷却气体冷却器出口的制冷剂,制冷系统的COP可以提高大约7%。Friedrich Kauf[2]发现CO₂跨临界制冷循环存在一个最佳高压压力,这个高压压力下的循环效率比其它压力下高。

    采用了上述这些措施之后,CO₂跨临界循环制冷系统的COP仍然比CFCs和HCFCs蒸气压缩式系统低很多。本文阐述了近年来国内外一些提高CO₂跨临界循环效率的方法,这些方法与上述措施相比,能够更好地提高系统的效率。

    1 提高CO₂跨临界循环效率的有效方法

    提高CO₂跨临界循环的效率有两个途径:①制冷量不变时,减小压缩机的耗功;②压缩机耗功不变时,增大制冷量。为了减小压缩机的耗功,可以采用高效压缩机来减小压缩过程中的不可逆损失;也可以采用两级压缩、中间冷却等技术来减小压缩机所需的理论压缩功。要增大制冷量,可以通过减小膨胀过程的不可逆损失来实现。与传统的蒸气压缩式制冷循环不同,CO₂跨临界制冷循环系统中节流过程的不可逆损失很大,Robinson[1]的仿真计算结果表明,节流过程的不可逆损失是CO₂跨临界循环各个环节的最大不可逆损失(在此仿真计算中,压缩机的效率较高)。

    1.1 减小膨胀过程的不可逆损失

    为了减小膨胀过程的不可逆损失,可以用涡流管或者膨胀机来代替基本跨临界循环中的膨胀阀。

    1.1.1 涡流管膨胀

    涡流管中存在着能量分离效应,又称为Ranque-Hilsch效应,如图2所示。高压中温气体从进口喷嘴进入涡流管,在紧邻入口的出口端,低压低温的流体从一个中心孔板中流出;而在另一出口端,紧靠壁面处流出的是低压高温气体。利用涡流管的Ranque-Hilsch效应,用涡流管代替膨胀阀,可以提高CO₂跨临界循环的效率。采用涡流管膨胀装置的CO₂跨临界循环系统如图3所示。

    如图3所示,从气体冷却器出来的制冷剂气体经过回热器之后,进入涡流管,由于Ranque-Hilsch效应,蒸发压力下的CO2饱和液体从涡流管的冷端7流出,过热的CO2蒸气从涡流管的热端8流出,然后进入辅助热交换器,向环境放热后与来自冷端7的CO2饱和液体混合,进入蒸发器吸收热量。