CO2跨临界循环热力学对比分析

    1 前言

    二氧化碳作为制冷工质虽具有独特的优势,但由于其临界温度较低,系统能效比不高,因此如何完善系统循环方式,优化系统设备,提高系统的循环效率,是推广CO₂跨临界循环的关键[1]。

    2 CO₂跨临界循环流程

    2.1 CO₂单级压缩跨临界循环

    由于CO₂的临界温度很低(304.21K),因此CO₂跨临界循环的放热过程不是在两相区冷凝,而是一个有较大温度滑移的变温过程,是在接近或超过临界点区域的气体冷却器中放热。由于CO₂跨临界基本循环在普通工况下,蒸发器入口干度可达50%,严重影响了系统单位工质的制冷量。制冷系统中增设回热器(IHX),节流阀前的高温流体和来自蒸发器的低温蒸汽进行内部热交换,结果是高温流体因向低温蒸汽放出热量而进一步过冷,低温蒸汽吸收高温液体的热量而有效过热。这样,不仅增加了单位制冷量,而且减小了低温蒸汽与环境之间的传热温差,降低了吸气管道中的有害过热。回热器的本质是在一定程度上回收了节流阀前高压工质的部分有用功,减小了节流损失。所以说采用内部热交换器可以降低节流阀入口处的焓,提高系统效率。图1是挪威Pettersen J等较早提出的用于汽车空调的CO₂跨临界循环系统温熵图[2]。由于CO₂跨临界循环膨胀比较小(为2~4),而膨胀功较大(占压缩功的20%~25%),所以可以应用膨胀机代替节流阀来提高系统效率。由图2可知,采用膨胀机的膨胀过程(3-4e)介于等焓膨胀(3-4h)和等熵膨胀(3-4s)之间,可以回收相当大的一部分膨胀功,并增加单位制冷量。

    2.2 CO₂双级压缩跨临界循环

    由于CO₂跨临界循环的高低压间的压差比较大,一般在6MPa左右,为防止压缩机实际压缩过程偏离等熵过程太远,排气温度过高,通常采用双级压缩以提高压缩机的工作效率。在一定的压缩机出口压力下,所需的蒸发温度越低,双级压缩的系统性能优势越明显。图3为CO₂双级压缩回热循环温熵图。图4所示为CO₂双级压缩带膨胀机循环温熵图。

    CO₂在蒸发器吸热后,经第一级压缩机压缩后进入第一级气体冷却器等压冷却;然后进入第二级压缩机压缩后,再进入第二级气体冷却器进行等压冷却。

    3 CO₂跨临界循环热力学分析

    3.1 实际CO₂跨临界循环中采用回热器或膨胀机的热力学分析

    压缩机效率实验拟合公式[3]:

    (1)单级压缩带回热器循环

    节流阀加回热器的有效能损失:

    系统有效能总损失: