中间完全冷却CO2跨临界双级压缩节流循环

　　引 言

　　作为CFCs和HCFCs制冷剂的有力替代者,自然工质CO₂越来越受到国内外制冷界的重视^[1-6]。CO₂作为制冷剂有很多优点:良好的流动和传热特性、ODP=0、GWP=1、安全无毒、单位容积制冷量大和系统结构紧凑等。但由于其临界温度(31.1°C)低于典型夏季工况的环境温度(35°C),系统通常在跨临界条件下运行,运行压力较常规制冷剂高出很多,而且系统的效率较低。因此,推广和应用CO₂跨临界制冷循环的关键是提高系统的循环效率。

　　采用双级压缩^[7-8]、利用膨胀机代替节流阀^[9-10]和采用回热循环[11]都可以有效地提高CO₂跨临界循环的性能系数。对于双级压缩循环,存在一个最优高压压力对应的循环最佳性能,并且中间冷却器的冷却效果对循环性能有较大影响^[12-13],而且中间完全冷却形式的性能要优于中间不完全冷却形式^[14]。

　　对于中间完全冷却形式的CO₂跨临界双级压缩制冷循环,有一次节流和两次节流两种节流方式。本文通过建立热力学模型,对采用不同节流方式的中间完全冷却CO₂跨临界双级压缩制冷循环进行了分析,旨在为CO2跨临界双级压缩系统的优化设计提供参考。

　　1 CO2跨临界双级压缩制冷循环

　　图1为中间完全冷却CO₂跨临界一次节流双级压缩(single-throttling, double-compression,STDC)制冷循环的流程图和p-h图。气体冷却器出口的高压CO₂蒸气分为两路:一路经节流阀A节流到中间压力pm,进入中间冷却器;另一路流经中间冷却器内盘管,被管外CO₂的蒸气和液体冷却,再经节流阀B节流到蒸发压力。

　　图2为中间完全冷却CO₂跨临界两次节流双级压缩(double-throttling, double-compression,DTDC)制冷循环的流程图和p-h图。与图1STDC循环不同的是气体冷却器出来的高压CO₂蒸气全部经过节流阀A节流后进入中间冷却器,由中间冷却器出来的饱和CO₂蒸气进入高压压缩机被压缩,饱和CO₂液体则经过节流阀B进入蒸发器,产生制冷效应。

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　　2 热力学分析

　　为了简化分析,假设:①中间冷却器出口的CO₂液体和蒸发器出口的CO₂蒸气均为饱和态;②压缩过程为绝热非等熵过程;③制冷剂在蒸发器和气体冷却器中的压降为零;④制冷剂与外界无热交换。

　　对于STDC循环有以下质量和能量平衡方程

　　对于DTDC循环有以下质量和能量平衡方程

　　STDC循环和DTDC循环的系统性能系数均可由式(10)表示

　　其中