改进二氧化碳制冷循环性能的理论分析

    1 前言

    目前,制冷空调中的能源与环境问题已成为世界性的研究课题。大量使用的氯氟烃工质对于臭氧层有很大的破坏作用,而且多数氯氟烃工质是温室气体。为此世界各国开展了寻求CFCs和HCFCs替代物的广泛研究,已经提出的包括R134a在内的若干HFCs及其混合物并没有达到长期替代的要求,大多有较高的温室效应指数(GWP)。

    从九十年代开始,欧洲人首先倡议使用自然制冷工质[1、2],包括氨(R717)、二氧化碳(R744)、丙烷(R290)等碳氢化合物。其中二氧化碳是优良的自然工质,曾经获得过广泛的应用,但由于自身的缺点,主要包括:系统压力高,循环的性能系数低,曾经被淘汰制冷行业。随着技术的进步,新材料的开发以及压力容器制造技术的发展,高压力已不再成为限制条件,应用二氧化碳制冷的主要矛盾在于提高其循环的性能系数。本文将对如何改进循环性能进行讨论。

    二氧化碳与其它工质相比有着特殊的优势:

    (1)GWP很小,是R134a和R22的千分之一,臭氧破坏指数(ODP)为0。

    (2)来源广泛,价格低廉。

    (3)压力比小,单位容积制冷量高达22600kJ/m3。

    (4)无毒,不可燃;对常见材料没有腐蚀性。

    表1是CO2与其它几种工质的常见热力性质

    二氧化碳制冷循环的基本形式为亚临界循环和跨临界循环两种,分别如图1和图2所示。CO²循环的主要缺点是性能系数较低。表2是几种工质的理论循环在蒸发温度te=-15℃、冷凝温度tk=30℃时的理论循环的性能系数,其中跨临界循环的对应条件:节流前温度tko=30℃,排气压力Pk=7.6MPa,蒸发温度同上。可以看到二氧化碳理论循环的性能系数比其它工质得多,因此要使二氧化碳制冷能够付诸实践,必须将其循环的性能系数提高到与其它工质接近的水平。

    在实际循环中,为了改善循环性能及压缩机的工作情况,常采用节流前过冷和压缩机进口过热的手段。为了探讨过冷过热对二氧化碳制冷循环性能的影响,本文对几种循环进行了模拟计算。

    2.1 亚临界循环的性能变化

    对于图1中所示的增加过冷度的循环过程1-2-3´-4´-1,本文计算了表2所列的几种工质的单位质量制冷量和性能系数COP的变化情况。循环条件为:蒸发温度te=-15℃,冷凝温度tk=30℃。

    单位制冷量为:

q0=h1-h4´  (kJ/kg)      (1)

    单位质量功耗为:

w₀=h₂-h₁  (kJ/kg)         (2)

    性能系数为:COP=q₀/w₀       (3)

    图3(a)是增加节流前的过冷度时几种工质单位质量制冷量的变化情况对比。由图3(a)可以看出,二氧化碳亚临界循环的制冷量增加非常快,其增加速度达到其它工质2~3倍以上,远远超过了其它几种工质。图3(b)是在这种情况下对应的COP变化曲线。计算结果显示了CO2理论循环的性能系数随过冷度的增加远远超过了其它几种工质。图中在过冷度达到2℃时CO₂循环的COP为3.13,过冷度为10℃时COP为3.9,已经达到了较高水平。