CO2跨临界双级压缩带低压膨胀机制冷循环性能分析

　　1 前言

　　CO₂作为一种安全可靠的自然工质越来越受到国内外制冷界的重视^[1~3]。作为制冷剂,CO₂在许多方面具有独特的优势,但由于其临界温度(31.1°C)低于典型夏季工况的环境温度(35°C),循环系统通常在跨临界条件下运行,系统的运行压力较常规制冷剂高出很多,系统的效率很低。因此,提高系统的循环效率,是推广和应用CO₂制冷的关键^[4]。

　　文献^[5]采用热力学方法对CO₂跨临界双级压缩制冷循环进行了分析,结果表明,在相同工作条件下,双级压缩制冷循环的COP明显高于单级系统。采用膨胀机取代节流阀是提高CO₂跨临界循环系统性能系数的另外一个有效途径。对CO₂跨临界循环来说,由于其膨胀比小(2~4),而膨胀功大(占压缩功的25%~30%),采用膨胀机后,其循环效率提高的幅度远高于R12、R134a等常规工质^[6]。国内外许多专家学者对不同型式的CO₂膨胀机进行了理论和实验研究^[7~9]。

　　本文利用热力学原理,分别建立了CO₂跨临界双级压缩带节流阀与带低压膨胀机制冷循环的数学模型,并在设计工况下对两种循环型式进行对比分析,对影响CO₂跨临界双级压缩带膨胀机制冷循环系统COP的因素进行了分析,旨在为实际系统的优化设计提供参考。

　　2 循环模型

　　2.1 两种循环系统

　　图1为CO₂跨临界双级压缩带节流阀制冷循环的流程图和p-h图。

　　对于双级压缩带节流阀型式,来自蒸发器的低压蒸汽首先被低压压缩机吸入,压缩至中间压力pm后与中间冷却器中产生的饱和蒸汽在管路中混合后进入高压压缩机,经高压压缩机压缩后进入气体冷却器,由气体冷却器出来的气体分为两路:一路流经中间冷却器内盘管,在管内被管外CO₂蒸汽和液体的蒸发而得到冷却,再经节流阀B节流到蒸发压力,在蒸发器中蒸发制取冷量;另一路经节流阀A节流到中间压力pm,进入中间冷却器后蒸发,冷却盘管内的高压蒸汽,蒸发后的CO₂蒸汽与低压压缩机的排气在管道中混合后进入高压压缩机,从而完成一个循环过程。

　　图2为CO₂跨临界双级压缩带低压膨胀机循环的流程图和p-h图。从图中可以看出, CO₂跨临界双级压缩带低压膨胀机循环与CO₂跨临界双级压缩带节流阀循环的不同之处是:双级压缩带节流阀循环中的节流阀B由一个与低压压缩机连接的低压膨胀机代替,用于回收部分能量。

　　2.2 模型建立

　　对于双级压缩带节流阀制冷循环,循环参数可由如下公式计算: