CO2-NH3压缩/喷射复叠循环理论研究

    符  号

    y—NH3与CO2质量流量比

    µ—引射系数

    η—效率

    W,Q—功、热量,kJ/kg

    p—压力,MPa

    h—焓,kJ/kg

    T—温度,℃

    下  标

    opt—最佳值

    c,p—压缩机、液泵

    b—基本循环

    ae—过冷器

    g—发生器

    1,2,3,4,5,6,a1,a6,a5,a7,a0,a4)))各状态点

    1 引言

    到2000年,世界每年由于汽车空调和单元式空调器导致的氯氟烃排放量为10万吨,其相应的全球变暖势与1.5亿吨CO₂的排放量相当[1]。CO₂是一种安全、可靠、环保的自然工质,具有与空调热泵系统相适应的热力性质。但是由于CO₂的临界温度(31.1℃)低于典型夏季工况的环境温度(35℃),用于制冷空调时,宜采用跨临界循环方式。

    CO₂跨临界基本循环节流损失比传统工质制冷循环大,导致效率较低。降低其节流损失主要有两种方法:

    (1)采用膨胀机回收部分膨胀功[2],当膨胀机的效率较高时效果很好,但技术难度却相对较大;

    (2)降低气体冷却器出口温度,简单易行,但受放热环境温度影响,只能在一定限度内提高系统效率。

    喷射器具有结构简单、成本低、无运动部件、对两相流工况适应性好的特点。文献[3,4]对传统工质的压缩/喷射式循环进行研究,认为该循环具有节能效果。文献[5,6]通过对喷射器建立模型模拟,分析了运行参数对喷射器临界截面比和最优引射系数的影响。本文探讨的是利用喷射器来降低气体冷却器出口温度进而降低节流损失的CO₂-NH₃压缩/喷射复叠循环。利用压缩机出口高温CO₂流体放热驱动喷射器工作,引射流体则吸收膨胀阀前CO₂的放热量达到减少节流损失的目的。

    2 系统流程

    利用NH3喷射式制冷循环作为辅助循环,CO₂跨临界循环作为基本循环,通过发生器和过冷器连接,由CO₂跨临界循环高温段的放热驱动喷射器。CO₂-NH₃压缩/喷射复叠系统流程如图1所示。

    图2所示为该系统CO2循环的T-S图。

    由于CO₂的放热过程不是在两相区冷凝,而是在接近或超过临界点区域的气体冷却器中放热,其放热过程为一变温过程,有较大的温度滑移。压缩机出口温度和气体冷却器的出口温度相差较大,有利于实现能量的梯级利用。因此,将CO₂跨临界循环的放热过程分为三段:过冷器放热段(A段)的放热作为喷射循环的蒸发吸热量,可以冷却膨胀阀前的CO₂工质;冷却器放热段(B段);喷射制冷循环的发生器(C段)。在低温地板供热系统中,供应温度范围一般在30~40℃,为了在整个地板空间达到较为均匀的供热温度,进出温差一般为5℃左右[7],跨临界放热过程的冷却器放热段和喷射循环的冷凝放热温度基本相当,大致为45~55℃,可作为低温空间供热的热源。