CO2跨临界双级压缩循环性能研究及理论分析

　　在CO₂跨临界单级循环^[1]中，由于压缩机排气温度较高、压差较大和节流损失严重等特点^[2]，在一定程度上制约了系统性能的提高，往往使系统效率很低.CO2双级循环可以解决2个单级压缩时的不足：一是单级压缩排气温度过高，本质上是“当量冷凝温度”过高;另外还克服单级压缩压比不大、压差很大而泄漏引起容积效率低下的问题，从而提高系统的COP.与单级循环相比，采用双级压缩、中间冷却的循环方式，是降低压缩机功耗、提高系统效率的一种有效方式^[3].

　　针对以上分析，笔者分别对2个气体冷却器双级循环(TSCV+TG)、2个气体冷却器带膨胀机双级循环(TSCE+TG)、2个气体冷却器带回热器双级循环(TSCV+TG+IHX)、2个气体冷却器带回热器和膨胀机双级循环(TSCE+TG+IHX)、带中间冷却器双级循环(TSCV+IC)和带中间冷却器和膨胀机双级循环(TSCE+IC)6种CO₂跨临界双级压缩循环模式进行了性能分析^[4-6].

　　1 6种CO2跨临界双级循环系统热力学分析

　　1)CO₂跨临界双级循环TSCV+TG

　　2)CO₂跨临界双级循环TSCE+TG

　　3)CO₂跨临界双级循环TSCV+TG+IHX

　　4)CO₂跨临界双级循环TSCE+TG+IHX

　　5)CO₂跨临界双级循环TSCV+IC

　　式中：qm₁为低压压缩机质量流量;qm₂ 为高、低压压缩机质量流量之差;h_i为焓值，i代表循环中各点.

　　6)CO₂跨临界双级循环TSCE+IC

　　计算条件和假设如下：

　　(1)系统在稳态条件下运行;

　　(2)忽略换热器及其他管道的压降和热损失;

　　(3)压缩机的效率取为75%;

　　(4)膨胀机的效率设为50%;

　　(5)蒸发温度的范围取为-5~5℃;

　　(6)过热度为10℃;

　　(7)低压级气体冷却器出口温度40℃，高压级气体冷却器出口温度32~42℃;

　　2 性能特性分析

　　2.1 排气压力、排气温度、压比和效率对性能的影响

　　给定计算条件：蒸发温度t_e=0℃，气体冷却器出口温度t_c=35℃，过热度t_sh=10℃.

　　图1给出了6种循环COP随压缩机高压的变化情况.由图1可知，每个循环均具有一个最优高压排气压力^[7].其中，循环TSCV+TG最优高压9MPa，为所有循环中最大值;循环TSCE+IC最优高压8.5MPa，为所有循环中最小值.所有循环中，循环TSCE+TG和TSCE+IC性能最优，循环TSCV+TG性能最差;同一循环模式，带膨胀机循环性能要明显优于节流阀循环，随着膨胀机效率提高，膨胀机循环系统性能优势更明显.