CO2跨临界膨胀机循环最佳高压压力计算

    1 前言

    CO₂跨临界循环与常规制冷循环的最大区别是,该循环的放热过程处于超临界区,而常规制冷循环的放热过程在亚临界 区。在超临界区,压力和温度是两个独立的变量,它们同时决定着流体的焓值。随着高压压力的升高,等温线变得陡峭起来,这种变化趋势可从图1中超临界区S型 等温线的分布明显看出。这表明制冷量随高压压力增加上升的幅度有所减小,而压缩功的增加几乎按原比例上升。因此,随着高压压力的变化,COP必然存在最大 值,此时所对应的高压压力称为最佳高压压力。Kauf研究了用作图法和模拟方法计算最佳高压压力,以得到最大COP[1]。Liao等人通过对不同的影响 参数进行研究[2],给出了CO₂跨临界节流阀循环最佳高压压力的计算关联式。Robinson等人对CO₂节流阀循环和膨胀机循环的最佳高压压力进行了计算[3]。总之,提高CO₂跨临界循环性能的最终目标是用膨胀机代替节流阀,所以为了计算方便,有必要对CO₂膨胀机循环的最佳高压压力进行研究,进而发展计算关联式,这对CO₂跨临界膨胀机循环的设计和控制是非常有必要的。

    2 CO₂节流阀与膨胀机循环最佳高压压力比较

    CO₂跨临界节流阀循环以及膨胀机循环都存在最佳高压压力,且对应着最大COP。Liao等人对CO₂跨临界节流阀循环的研究表明[3],最佳高压压力主要受气体冷却器出口温度、蒸发温度以及压缩机性能等因素的影响。通过建立CO₂跨临界节流阀循环热力学模型,并进行模拟计算,得出了最佳高压压力计算关系式,如方程1所示。在特定条件下,方程2给出了简化后的计算关系式。

    式中 popt—最佳高压压力,×10^-1MPa

    te—蒸发温度,℃

    tc—气体冷却器出口温度,℃

    K,C—分别为压缩机等熵效率公式中的系数,0≤K/C≤0. 2

    然而对于CO₂膨胀机循环,计算表明它的最佳高压压力与节流阀循环是不同的[4]。并且对于理想膨胀机循环(压缩机效率100%,膨胀机效率为100% ),在给定蒸发温度下,随着气体冷却器出口温度的增大,CO₂膨 胀机循环将会不存在最佳高压压力,这可从图2的变化趋势明显看出。当气体冷却器出口温度为35e时,COP随高压压力先下降,而后又增大,并在某一压力下 达到最大值,存在最佳高压压力。但是当气体冷却器出口温度为40℃和45℃时,该循环的COP随高压压力的增加一直呈下降趋势,不存在最佳高压压力。实际 上,这种理想循环是不可能实现的。

    为了比较CO₂节流阀循环和膨胀机循环的最佳高压压力,分别计算了它们在不同工况下的变化趋势。图3给出了当气体冷 却器出口温度tc=40℃时,两个循环的最佳高压压力随蒸发温度的变化。从图中可以看出最佳高压压力随蒸发温度的增加而降低,并且节流阀循环的最佳高压压 力高于膨胀机循环。当蒸发温度较低时,两循环的最佳高压压力相差较大,随着蒸发温度的增加,两循环的最佳高压压力不断趋近。