二氧化碳跨临界循环的比较分析

    1 前言

    挪威科学家Lorentzen倡议:在许多应用领域,采用二氧化碳作制冷剂,可提供一个完全安全、经济的替代制冷剂/自然0解决方案。近年来,有大量关于二氧化碳应用于汽车空调[1]、列车空调[2]、热泵[3]、家用空调[4]及使用二氧化碳作挥发性载冷剂用于超级市场[5]的研究报道。

    由于二氧化碳的临界温度较低,为31.1℃(临界压力为7318MPa),应用于汽车空调、列车空调等装置且环境温度较高时,或应用于热泵型热水器等系统时,系统的高压侧为超临界压力,整个循环在跨临界区运行。跨临界二氧化碳压缩式制冷(或热泵)循环系统高压侧的二氧化碳始终处于超临界状,其温度和压力是独立的参数,所进行的过程是超临界状态二氧化碳的冷却过程。

    2 二氧化碳的热物理特性

    二氧化碳的分子量为44101,比高分子化合物HCFCs的分子量小得多。相对于一定的蒸发温度T= T0,其蒸发(汽化)潜热r较大,蒸发压力相当高,如0℃时,P0=31485MPa,分别为NH3的8.12倍,为R22的7倍和R12的11.3倍。因此,它的单位容积制冷量qv相当大, 0℃时分别为NH3的5.18倍,为R22的51.2倍,为R12的8125倍。这样与传统制冷系统相比,二氧化碳制冷系统的容积流量可显著减小,从而使得压缩机的尺寸、阀门与管道的流通面积比一般制冷系统的小得多。

    二氧化碳无刺激气味,更无可燃性或爆炸性的潜在危险,其物理化学性能稳定,不存在对系统材料腐蚀或产生化学反应的问题,具有其它工质无法比拟的特有的安全特性。加之二氧化碳的粘度很低,如0℃时二氧化碳饱和液体的粘度只有NH3的31%,只有R12的49%;二氧化碳饱和蒸汽的运动粘度仅为NH₃的5.2%,为R12的23.8%。因此,可以通过提高二氧化碳流速(压力降不会太大)来增强传热性能,进一步减小部件和系统的尺寸和重量。

    3 各循环的理论分析

    如图1 (a)所示:过程1-2-3-4-1为基本理论循环。冷却器出口温度tc= t3,蒸发温度to= t₄。3-4为等焓节流过程, 1-2为等熵压缩过程。循环中制冷剂的放热过程在临界点以上,为非凝结相变的排热;制冷剂的吸热过程在临界点以下,为有相变的蒸发吸热过程,整个过程跨越临界点。有关研究表明二氧化碳跨临界循环存在一个使循环的性能系数最大的最佳排气压力[6]。

    除了让系统在最佳排气压力附近工作以获得大的性能系数外,还可以采用带有回热器的循环,如图1 (b)所示。此循环增加了单位制冷量,但不增加压缩机功耗,有助于提高系统的性能系数。带回热器的循环过程在图1 (b)中用1´-2´-3´-4´-1´表示,此时,冷却器出口温度tc= t3´,蒸发温度to= t4´。过热度tg= tr。假定回热器无热损失,则h1´- h1= h3- h3´。此时,对于1 kg制冷剂增加的制冷量qo= h3- h3´。