三种单级CO₂跨临界循环性能

　　0 引 言

　　随着合成工质的 ODP 和 GWP 问题日益突出，开展低环害的新型制冷工质替代工作具有积极意义。作为自然工质，CO₂以其良好特性[1]成为目前空调、热泵研究的热点。在 CO₂跨临界循环[2]中，压比小、压差大以及节流损失严重等特点，使得系统性能较低[3,4]。另外，CO₂跨临界循环部件成本较高，需要耐高压、高温、防治泄漏和减小摩擦等问题，这也是制约 CO₂跨临界循环推广应用的瓶颈。因此，如何提高系统性能，降低 CO₂跨临界循环运行成本，开发具有独立知识产权的 CO₂相关产品，具有重要意义。

　　针对以上分析，基于 CO₂跨临界循环系统组成特点，本文对三种单级循环进行了性能分析，以期为进一步优化 CO₂跨临界循环性能，筛选合理的循环模式，尽快推进 CO₂空调、热泵产品的市场应用进程，提供基础资料。

　　1 三种单级 CO₂跨临界循环系统组成及热力学分析

　　1.1 系统组成

　　（1）单级 CO₂跨临界 SCV 循环

　　单级 CO₂跨临界 SCV 循环由压缩机、气体冷却器、节流阀和蒸发器等部件组成。图 1、2 为 SCV 循环系统原理和 T-S 图。低压气态制冷剂经压缩机被压缩成高压气态制冷剂（过程 1-2），经气体冷却器进行定压放热（过程 2-3），然后经节流阀进行节流（过程 3-4），低压液态制冷剂在蒸发器内进行定压吸热（过程 4-1），最后回到压缩机，从而完成一个循环。

　　（2）单级 CO₂跨临界 SCV+IHX 循环

　　回热器在制冷循环中具有重要作用：进一步降低气体冷却器出口工质温度，因而可以获得更多热量；较大程度的减小节流损失，同时获得更多冷量；提高压缩机吸气工质干度，避免液击事故发生。另外，回热器还可以降低压缩机耗功，进而提高系统性能。

　　在 CO₂跨临界循环中，节流损失比较大，当量冷凝温度较高[5]，因此，在循环中设置回热器，既能满足性能要求，又可达到高效目的，这在 CO₂空气源热泵系统中尤为重要。

　　图 3、4 分别给出了带回热器的单级 CO₂跨临界 SCV+IHX 循环系统原理和 T-S 图。

　　（3）单级 CO₂跨临界 SCE 循环

　　由于 CO₂跨临界循环膨胀比较小(约为 2-4)，而膨胀功较大(占压缩功的 20%-25%)，所以可以应用膨胀机代替节流阀来提高系统效率[6]。图 5、6 分别给出了带膨胀机的单级 CO₂跨临界 SCE 循环系统原理和 T-S图。由图 6 可知，采用膨胀机的膨胀过程(3-4)介于等焓膨胀(3-4h)和等熵膨胀(3-4s)之间，可以回收相当大的一部分膨胀功，并增加单位制冷量。