跨临界CO2带膨胀机和带喷射器逆循环的性能比较

　　1 前言

　　目前环害工质的替代已经成为制冷空调领域实现可持续性发展战略的重要任务之一。CO2作为自然工质，其性质稳定、容易获得，易于被自然界吸收，不会造成环境污染，是环害工质的永久替代物。对于 CO2替代环害工质的相关配套技术，尤其是 CO2工质循环的研究受到国内外学术界和工程界的特别重视。CO2工质在制冷和热泵工况，由于其临界温度低，临界压力高，宜采用跨临界循环。但该循环节流过程损失非常大，文献[1]通过当量温度对比分析，尽管采用回热循环并调节最佳压缩比求得最大 COP，它比常规循环的制冷系数低约 25%。因此，如何减少节流损失，成为提高跨临界 CO2循环性能的关键。目前，提出的解决方案之一为替代膨胀阀方案: 主要有膨胀机和喷射器这两种形式，为此国内外很多研究机构对跨临界 CO2膨胀机和喷射器均进行了广泛深入的研究。

　　在国外，早在 1994 年文献[2]开始对 CO2跨临界循环膨胀机进行研究，他们开发的三级膨胀压缩机样机，其实验结果表明: 膨胀机部分等熵效率为 65% ～ 70%，压缩部分超过 90%，与节流阀循环相比，系统的 COP 提高了 40%; 文献[3]研究设计了滑片式膨胀机，2 000r/min 时效率达到60% 。在国内，文献[4]研究表明，其开发的活塞膨胀机，在测试条件下，其绝热效率可高于 30%，并可提高系统 COP 在 10% 以上。西安交通大学和上海交通大学也对 CO2膨胀机进行了相关研究。

　　然而，国内外也有很多研究针对喷射器的，如文献[5—6]对带喷射器 CO2跨临界循环进行验研究，结果表明该循环的制冷量和系统 COP 较常规 CO跨临界循环提高了 10% 左右。文献[7]研究了喷射器的几何尺寸对压力回收的影响，实验研究结果表明，喷射器效率为 46%，系统效率相应地提高23% ～24%。文献[8]对 CO2跨临界循环蒸气压缩/喷射制冷循环比较进行了理论研究，在所研究工况下其结果表明，喷射循环的COP 最大值比回热循环高 18. 6% ，比常规循环高22. 0% 。国内其他研究机构如西安交通大学，上海交通大学，天津大学等也对带喷射器 CO2跨临界制冷系统进行了相关理论和实验研究。

　　对以上文献分析表明，跨临界 CO2循环带膨胀机和带喷射器两种方式对于回收循环中的节流损失可以说具有异曲同工的效果。目前对于两种循环分别于常规 CO2跨临界制冷循环的对比研究较多，但是对于这两种循环性能的对比研究还未见有公开发表的文献。因此本文从循工作原理，CO2超临界流体降压过程及循环性能三方面对两种循环进行对比研究。

　　2 两种循环的热力学分析

　　2. 1 CO2跨临界循环带膨胀机系统的热力循环分析