二氧化碳低温制冷特性与跨临界应用

　　1 引言

　　制冷技术在人类的生产生活中充当着不可或缺的重要角色，但是根据国际制冷学会调查显示:用于制冷所消耗的电力约占全世界总发电量的15% 左右^[1]。所以如何提高制冷中的能源利用率，减小温室气体对环境的影响是当今行业发展的首要问题。由于CO₂良好的热力学和流动特性，现今其已成为非常有前途的环保节能制冷剂之一。它无毒、无味、不可燃具有极低的GWP^[2-4]，可作为电厂、空分、酿酒等行业的副产品并且价格低廉，不会对全球变暖造成直接和间接的影响。

　　在现有的冷冻冷藏和制冷运用中，CO₂已经是主流的低温制冷剂之一，优点在于不仅对食品无公害，而且灵活适用于多种场合如: 常见的HC's/HFC's-CO₂复叠系统; 工业中广泛运用的二次制冷系统; 与近些年兴起的跨临界CO₂增压系统等。这些系统的温度范围一般在25℃ 到-50℃^[5]， 满足了在食品、医药、娱乐、化工、冷库、液化天然气、超市制冷等大部分行业的需求。在低温应用范围内，传统制冷剂由于较高的压力比会导致极高的压缩机排气 温度和较低的容积效率，从而影响系统COP，而CO2系统中的多级复叠和跨临界增压系统可以很好的弥补传统制冷剂的不足。

　　本文阐述了CO₂的低温热力学性质与传统工质的对比，分析了跨临界系统的应用案例，构建了跨临界CO₂制冷系统的模型，，以便分析最优压力对系统运行状态的影响，并通过实验研究对比跨临界CO₂制冷循环不同工况下系统各个参数的分布趋势，寻求提高系统效率的途径，为其进一步的研究提供了参考。

　　2 CO₂低温热力学性质

　　CO₂在低温条件下，有着不同与传统工质的良好热物理性质。如图1和2所示，在一定的饱和温度和压力下，几种常用制冷剂的表面张力、液体与蒸汽密度之比的曲线图，可以看出，CO₂是最小的。在0℃时，CO₂的表面张力仅分别是传统制冷剂 R717，R134a，R22 和R410a的17%，39.3% ，38.6%和46.3%; 而随着温度的降低，当达到-40℃时，CO₂相对于传统制冷剂所占的比例仅上升为: 34.1%，69.1%，67.4%和74.8%。而且相对较低的表面张力有利于气泡的形成，从而可以在较低的质量流量下，形成更强烈的核态沸腾^[6]。如图2可得，在-40℃时，CO₂的 液体与蒸汽密度之比仅为R717，R134a，R22和R410a的3.9% ，8.4% ，14.8%和22.7% 。较低的液体与蒸汽密度比有利于两相区制冷剂流动速率的控制，并且在管内恒定流量的沸腾过程中降低了两相区的雷诺数。而且在直接膨胀的制冷系统中，较低的 密度比可以改善在蒸发器内两相区的制冷剂分布，同时CO₂的粘度较低，系统各部件的压力降小于传统制冷剂。