超临界流体及超(跨)临界循环的特性研究

　　1　超临界流体技术及其应用

　　超临界流体(supercritical fluid,简称为SF)是一种被压缩至临界压力pc和加热至临界温度Tc以上的流体。与低于临界态的气体和液体的性质不一样,它具有许多重要的特殊性质,如类似于液体的密度和类似于气体的黏度和自扩散系数,使其在萃取、干燥、清洗、脱附及空调制冷等领域中得到广泛开发及应用。下面简要介绍超临界流体在空调行业中的应用。

　　在制冷空调领域中超临界流体技术目前主要集中在对CO₂超(跨)临界制冷循环的研究与应用[1,2]上,因CO2是惟一同时具有优良的热力特性、安全特性和环境特性的自然工质,所以受到特别的重视。概括起来讲,CO₂制冷剂在该领域的应用主要有以下3个方面。

　　1.1　在汽车空调中的应用

　　空调系统在跨临界条件下运行,其工作压力虽高但压比却很低,压缩机的效率相对较高;超临界流体优良的传热和热力学特性使得换热器的效率也很高,加上CO₂在气体冷却器中大的温度变化,使得气体冷却器进口空气温度与出口制冷剂温度非常接近,这自然可减少高压侧不可逆传热引起的损失。为了减轻重量、缩小尺寸及增加安全性,换热器的优化设计也正在进行。另外,CO₂在热泵方面的特性,还可以克服现代汽车空调冬季不能向车厢提供足够热量的缺陷。

　　这一领域的研究由挪威SINTEF研究所的G.Lorentzen,J.Petterson等人率先发起,他们从理论和实验两方面进行了全面的研究,样机实验也得出较好的结果。德国Kassel大学的J.Kohler等人开展了CO₂工质汽车空调和热泵应用的研究。在综合考虑了重量、安全性、可靠性、紧密性、系统性能和制冷效率后,他们认为CO₂跨临界循环系统将是21世纪汽车空调中惟一可选的可靠系统。　　

　　美国伊利诺伊大学(UIUC)空调和制冷中心(ACRC)的C.W.Bullard等人,在美国各大制冷空调企业的支持下,建立了相应的汽车空调实验台,对系统中回热器的特性及布置特点等进行了研究,并与其它替代工质R134a,R410a等进行了比较,得到了较好的结果。他们还对CO₂工质在家用空调、超市冷柜等方面的应用进行了广泛的理论与实验研究。

　　此外,丹麦的J.Holst等人、美国Purdue大学的M.R.Douglas和Maryland的YunhoHwang等人、德国Dresden大学的H.Quack等人分别对CO₂跨临界循环系统的调节部件、系统中设置膨胀机的特性、系统在火车的空调制冷系统中应用可能性等进行了研究。这些研究结果都表明,CO₂跨临界循环用于车辆空调,不仅具有环境方面的优势,而且系统效率也有提高的潜力。