CO2跨临界循环和氟利昂制冷剂循环性能分析

　　1 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[1]。与氟利昂制冷剂相比，自然工质 CO2以其良好特性，成为目前空调、热泵研究的热点[2]。但 CO2跨临界循环压比小、压差大以及节流损失严重等特点，使得系统性能较低，这也是CO2跨临界循环产品开发的难题[3 ～ 5]。

　　本文以制冷剂 R134a、R290 和 CO2为对象，分别研究了单级节流阀循环、单级回热器循环、单级膨胀机循环和双级循环的性能，为研究制冷剂的替代以及开发高效、节能的空调和热泵产品提供资料[6 ～9]。

　　2 循环系统组成及热力学分析

　　2.1 系统组成

　　( 1) 单级节流阀循环

　　单级节流阀循环由压缩机、气体冷却器( 或冷凝器) 、节流阀和蒸发器等部件组成。图 1 给出了单级节流阀循环原理及 T-s 图。

　　( 2) 单级带回热器循环

　　循环中采用回热器，可以进一步降低气体冷却器出口温度，从而获得更多的冷、热量。另外，可以提高压缩机吸气工质干度，避免液击事故，保证压缩机正常运行。在空气源热泵中，回热器的应用要比水源热泵更为广泛。图 2 给出了单级带回热器循环原理及 T-s 图。

　　( 3) 单级带膨胀机循环

　　制冷剂节流过程是不可逆损过程，故而伴随能量损失，在 CO2跨临界循环中这种现象更为明显。考虑应用膨胀机代替节流阀来提高系统效率。

　　图 3 给出了单级带膨胀机循环原理和 T-s图。膨胀机和压缩机设计为同轴，使压缩机充分利用膨胀机回收的功[10]。图 3 的 T-S 图中，1 -2s - 3 - 4s - l 为理想膨胀机循环，1 - 2 - 3 - 4 - l为实际膨胀机循环，l -2 -3 - 4h - l 为实际节流阀循环。图中 3 -4s 代表膨胀机等熵膨胀过程; 3- 4 代表实际膨胀机膨胀过程，3 - 4h 代表膨胀机等焓膨胀过程。

　　( 4) 双级压缩循环

　　双级压缩可以减少压缩机耗功，使得由原来单级压缩的压比分配到高、低压级压缩机上，使得压缩机能够在最优压比附近工作，对减少系统泄漏有益。图 4 给出了双级压缩循环原理和 T - s图。

　　2.2 热力学分析

　　( 1) 单级节流阀循环

　　( 2) 单级带回热器循环

　　( 3) CO2单级带膨胀机循环

　　( 4) 双级压缩制冷循环

　　计算条件和假设:

　　( 1) 系统在稳态条件下运行;

　　( 2) 忽略换热器及其它管道压降和热损失;

　　( 3) 压缩机的效率为 65% ～85%;