CO2跨临界循环双级滚动转子压缩机的设计与分析

    近年来，国际社会采取了很多应对全球变暖以及臭氧层破坏的措施．为了进一步保护臭氧层，2007 年9 月 17 日召开的《蒙特利尔议定书》第 19 次缔约方大会[1]同意加速淘汰氢氯氟烃(HCFCs)的生产与消费．在解决全球气候变暖方面，欧盟的 EC842/2006氟气体法规和 2006/40/EC 指令[2-4]，对 GWP 值大于150 的工质做出了明确的限制．为此，CO2因其环境友好性、理想的热力学性质、无毒、不燃和廉价等特性得到了广泛关注．

    CO2临界温度较低(30.98,℃)，循环通常是在跨临界条件下运行[5-6]．由于系统运行压力比常规制冷剂高很多，加之压差很大(约 6,MPa)，节流损失严重，系统性能相对较低．采用双级循环来降低排气温度(即降低当量冷凝温度)和减少压缩机耗功是提高系统性能的主要手段．CO2压缩机虽然压比不大(3 左右)，但是高压可达 10,MPa，低压为 3.5,MPa，压差非常大．因此传统的 CO2单级压缩机，泄漏非常严重，由于压差导致的不平衡力和摩擦也非常严重；同时，单级压缩机排气温度很高(120,℃左右)，高低温传热损失也比较严重．这些都导致了 CO2单级压缩机本身效率不高(60%～70%)．目前国外大公司开发的CO2双级压缩机表明，等熵效率可提高至 80%以上．国内的上海日立电器有限公司也开展了适用于热泵热水器的两级 CO2压缩机样机(定速和交流变频)的开发，但未有实质的成果发表．

    为此，天津大学热能研究所开展了 CO2跨临界双级循环的研究[7-8]．笔者设计了 CO2双级滚动转子压缩机，为实现 CO2跨临界循环双级滚动转子压缩机的自主开发做好理论基础．

    1 CO2跨临界双级循环

    图 1 所示为一种典型的 CO2跨临界双级循环原理及 t-s 图．该循环属于双级压缩中间完全冷却式．循环的流程如下：自蒸发器出来的饱和气态CO2,1，经过双级压缩机低压级压缩至中间压力状态2；然后进入中间冷却装置冷却至饱和液 3，再进入双级压缩机高压级压缩至排气压力的超临界状态 4；从压缩机排出的高压高温超临界 CO2经过气体冷却器冷却至 5．在中冷器中，从气体冷却器出来的流体一股经节流阀1' 节流降温后冷却另一股高压流体，被冷却后的流体进入节流阀2' 节流降温，再进入蒸发器吸收热量，同时将低压级排出的高温气体冷却至高压级进口状态．

    当量冷凝温度是在变温冷却系统中比较系统效率的常用参数，系统效率随当量冷凝温度的降低而升高，其定义如下：

    图1(b)中，CO2跨临界单级循环冷却过程为2*—5，其当量冷凝温度如线A所示；双级循环冷却过程为2—3和4—7，当量冷凝温度如线B所示，明显降低．据计算，当蒸发温度为0,℃、过热度为5,℃、气体冷却器出口温度为34,℃、高压排气压力为10,MPa时，双级压缩的COP为2.85，比单级压缩(2.398)高18%．