跨临界CO2制冷系统采用透平膨胀机的可行性分析

　　1 引 言

　　现代社会中广泛使用的制冷空调和热泵系统，由于本身耗能和传统制冷剂(CFCs) 对环境的破坏，开展系统的节能和制冷剂的替代研究已成为工程热物理学科的前沿课题。自然工质CO₂以其环境友好性、安全性和良好的热物理性质，被认为是最具潜力的替代工质^[1]，并且得到了普遍的关注。CO₂制冷循环目前面临的最大挑战是循环效率较低，而CO₂制冷循环跨临界运行导致的巨大节流损失是其效率低的主要原因。通常可通过两级压缩，回冷技术以及用其它膨胀设备代替节流阀等措施来提高CO₂循环的制冷效率。其中，采用膨胀机替代节流阀并回收膨胀功是提高CO₂制冷效率最根本、最有潜力的措施。因此，高效膨胀机的研制对提高CO₂制冷系统的效率有重要意义。

　　2 跨临界CO2制冷系统膨胀机的研究现状

　　对CO₂跨临界循环来说，由于其循环压力高，虽然膨胀比小(2-4) ，但是膨胀功大( 占压缩功的25% —30% ) ，采用膨胀机替代节流阀后其循环效率提高的幅度远高于常规工质。然而，国际上对于跨临界CO₂循环的研究工作主要集中在热力学分析和CO₂压缩机上，有关CO₂膨胀机的研究相比之下比较匮乏。

　　目前，国内外对跨临界CO₂制冷系统用膨胀机的研究主要集中在理论分析和实验室阶段，些关键的问题还急待解决^[2]。在容积式膨胀机方面，自1994年德国Dresden大学的Quack和Kraus^[3]研制自由活塞式膨胀机替代节流阀以来，国内外一些研究机构分别开展了各类容积式膨胀机的研究。美国的Purdue 大学的J.S. Baek 对活塞式膨胀机在跨临界CO₂循环的应用进行了实验和理论研究[4]。日本的几个公司如 Denso、Panasonic、Hitachi 和 Mitsubishi都对CO₂涡旋式膨胀机进行了研究，Panasonic 所研制的涡旋膨胀机效率已近70%; 另外，美国 Maryland大学的Huff 在2003年将涡旋式压缩机改造成膨胀机并进行了实验测试^[5]。伦敦 CITY 大学进行了CO₂双螺杆压缩-膨胀机的理论研究^[6]。日本的Dakin 通过改变进气方式使CO₂螺杆式膨胀机的效率提高到43% —55%^[2]。英国MIEE DRIVER 科技公司提出了铰接叶片式CO₂压缩-膨胀机^[7]。在中国国内，天津大学的马一太教授研制出了CO₂滚动转子式膨胀机，并对活塞式膨胀机中CO₂膨胀过程的亚稳态特性进行了分析^[8-9]; 西安交通大学的邢子文、彭学院教授分别开发出了CO2自由活塞和滑片式膨胀机^[10-12]。从以上文献可以看出，CO₂膨胀机的类型已涵盖了活塞式、涡旋式、螺杆式、转子式等，然而对于工作过程最接近绝热等熵膨胀过程的透平膨胀机，国内外的研究工作基本空白。