跨临界二氧化碳循环分析

　　1.前言

　　二氧化碳作为制冷剂使用的历史可追溯到19世纪末，1850年美国的亚历山大唐宁提出了在他的蒸汽压缩系统中使用二氧化碳作为制冷剂。在1869年左右，第一个二氧化碳系统由纳洛撒迪厄斯建立。在1886年以后二氧化碳系统被广泛使用。从20世纪40年代，二氧化碳作为制冷剂逐渐被所谓的“安全制冷剂”氟利昂所取代。在1974年，两名美国科学家发表了他们著名的臭氧消耗假设，他们声称，含氯氟烃会破坏臭氧层，广泛使用的这些的氟利昂可能会导致人类的环境问题。出于这个原因，近年来越来越多的人重新关注使用天然物质，如二氧化碳、氨、烃类，作为制冷剂。

　　利用二氧化碳作为制冷剂，可在许多应用中提供一个完全安全的，经济的和成本低且有效的“自然”解决方案。CO2作为低温制冷循环工质有很多优势,如设备和管路尺寸较小、换热效率高和没有腐蚀等,蒸发温度可达到-40 ~-50℃的低温,与其它低压制冷剂相比,即使处在低温,CO2的粘度也非常小,传热性能良好。因为它可以从工业回收的废气中提取，二氧化碳ODP值为零，作为环保型替代工质,用于低温制冷循环系统有着很好的发展前景。

　　由于二氧化碳的临界温度(31.1℃)通常是低于空调和热泵系统中的排热温度的典型值，使用二氧化碳作为制冷剂的制冷系统必须经过跨临界循环，即在散热过程中发生在临界压力以上，而吸热过程在亚临界条件下。因此，跨临界循环的最显著的特点是，冷凝过程在气体冷却器的冷却中，取代常规亚临界循环。在超临界区域的散热压力是独立的，且研究表明，存在一个最佳的散热(冷却)压力即有一个最大的COP。对于跨临界二氧化碳系统进行适当的优化和控制，就能得到最佳高压压力的相关参数。

　　2.分析

　　一个简单的跨临界二氧化碳的系统，如图2所示，包括一台压缩机，气体冷却器，一个节流阀和一个蒸发器。相应的P-h图如图1所示。循环性能系数定义为：

　　等熵效率η主要受散热压力pc、蒸发压力pe影响。对于小比值pe/pc，η可以近似表示为:

其中，K和C是经验常数。结合对应温度和压力下的焓值可得循环性能系数为：

　　从上式可以看出，循环性能系数COP取决于散热压力pc、蒸发压力pe、过热温度及两个经验参数C和K。研究表明，对于给定值的出口温度tc，存在一个最佳的散热压力，使得COP为最大值。也就是，在最佳的散热压力下，COP对散热压力pc的偏导数等于零。既：

　　3.参数研究

　　使用下面的表达式进行等熵效率参数研究