CO2双级压缩循环效率分析

　　系统循环的循环系数，Lorentzen 在对CO₂循环的研究中提出双级压缩循环。Kim等人^[2]对CO2跨临界双级压缩循环形式进行详细的介绍;Huff 等人^[3]对CO₂双级压缩循环提出几种方案，并进行对比，以提高能效比; 为提高系统效率，Nickl等人^[4]采用压缩机和膨胀机一体设计，利用膨胀机驱动双级压缩系统的高压级压缩机，回收膨胀功; 顾兆林等^[5]对低蒸发温度下的CO₂双级压缩系统进行分析，研究其性能和效率。乔琳琳^[6]通过实验和模拟研究CO₂双级压缩系统的闪蒸式中冷器，并对其进行优化设计。众多研究旨在提高CO₂双级压缩系统的能效，而对于能量本身转换的完善程度缺少广泛的研究^[1]。文中基于热力学第二定律，借助平衡方程，对三种CO₂双级压缩制冷循环进行能量品质理论分析，研究中间压力对各过程损失和循环效率的影响，为全面提高CO₂双级压缩系统性能提供理论依据。

　　1 系统描述

　　CO₂双级压缩制冷循环中，制冷剂的压缩过程分为两个阶段。来自蒸发器的低压制冷剂蒸汽进入低压压缩机，压缩到中间压力，经中间冷却器冷却后进入高压压缩机，压缩到冷却压力后排入冷却器进一步冷却。根据中间冷却形式可以分为带闪蒸式中冷器和中间气体冷却器两种，根据中间冷却程度可以分为完全冷却和不完全冷却。

　　本文主要研究以下三种循环形式: (1)双级压缩带中间气体冷却器，(2)双级压缩一级节流中间完全冷却，(3)双级压缩一级节流中间不完全冷却。三种循环的原理图和压焓图如图1-3所示。

　　2 分析方法

　　是指系统由一任意状态可逆的变化到与给定环境相平衡状态时，理论上可以无限转化为任何其他能量形式的那部分能能量，表达式为:

　　通过计算可以得出制冷循环各个环节中的损失和系统的效率，分析系统的能量利用完善程度。上述三种类型系统，各自循环过程中的。计算表达式如表1所示。

　　3 结果分析

　　针对上述三种CO₂双级压缩循环，进行理论循环分析，研究三种系统各过程的损失、效率及中间压力的影响。计算中高低压级压缩机的绝热效率均取为75%。

　　3. 1 三种系统效率比较

　　三种系统均以表2所示的低温工况为基准，进行计算，各个过程的损失所占比率及系统循环的效率如表3所示。

　　I型系统效率最高，其损失最多的过程为节流过程，损率高达30. 7%，中间气体冷却过程损失最小。原因是中间冷却终了温度受环境温度限制，故其换热量较少所致。节流过程从超临界区到两相区，熵增大，所以其损失也相应增加。II型和III型系统效率相差不多，两者主要的损失发生在压缩过程，尤其是对于I型系统，由于中间完全冷却，其高压级压缩熵增更多。两者效率下降的主要原因是中间由节流后的CO₂作为冷却介质，中间冷却终了温度较低，换热量大，损失增加。同时，因为中间冷却器的损失增加，使得节流过程的损失所占比率降低。I型系统效率最高，但是其COP最低，在实际应用中，需综合考虑。相比之下，III型系统更适合在低温工况下应用。