N2O跨临界双级压缩带膨胀机制冷循环

　　参数表

　　Ccop:性能系数;

　　popt:最优高压侧排气压力;

　　pmid, opt:最优中间压力;

　　h:焓值;

　　te:蒸发温度;

　　tc:气体冷却器出口温度;

　　w:功率;

　　q:制冷量;

　　G:压缩机绝热效率;

　　E:膨胀机效率;

　　1、2、2s、3、4、4s、5、6、6s:各状态点。

　　1 引 言

　　CO₂制冷剂不破坏臭氧层、无毒、不燃和良好的热物性,成为很有潜力的HFC替代物,近些年已经引起广泛关注。但其临界温度低,循环通常在跨临界条件下运行,由于系统的运行压力比常规制冷剂高很多,加上压差较大,所以节流损失严重,因而系统的效率较低。为了改善和提高CO₂跨临界制冷循环的性能,国内外许多学者引入了膨胀机和两级压缩系统,对CO₂跨临界循环做了大量研究^[1-6]。早在1993年,Lorentzen建议用膨胀机回收功,这样可大大降低了压缩机耗功,系统的性能系数可以提高50%^[1]。Robinson和Groll等对带膨胀机和没带膨胀机的CO₂跨临界循环进行了对比,表明利用膨胀机代替节流阀可以提高CO₂跨临界制冷循环的能效比^[2]。王景刚、马一太等对CO2双级压缩带膨胀机制冷循环进行了研究,分析了系统的性能、热力完善度等,并与节流膨胀CO₂双级压缩跨临界循环和R22简单制冷循环做了对比^[3]。杨俊兰等研究了CO₂在跨临界膨胀机循环的最佳高压压力,对带膨胀机跨临界循环的最佳高压压力进行了计算和数据回归,并给出了计算关联式^[4]。谢英柏等对CO₂双级压缩跨临界进行了热力学分析,通过采用双级压缩提高跨临界循环的性能^[5]。Huff对3种不同形式的CO₂跨临界双级压缩循环进行了研究,结果标明,相比于单级循环,系统性能最多提高了38% -63%^[6]。尽管目前CO₂跨临界循环在制冷、热泵的各个应用领域迅速发展,但其系统能效低、排气压力偏高的问题依旧没有解决。

　　N₂O作为另一种天然制冷剂,它的性质和CO₂相似,见表1^[7]。二者的相对分子质量、临界温度、临界压力接近;N₂O的三相点温度-90.82°C,远低于CO2的-56.558°C,可以应用于更低温的领域;N₂O的GWP(温室效应潜能值)为240,高于CO₂,但N2O毒性低于CO₂,属于较为环保的制冷剂。目前国外将N₂O用于制冷循环中研究的很少,国内至今还没有文献公开发表。Kruse等^[7]在复叠制冷循环R23/R134a中用N₂O代替R23,通过理论研究表明性能并没有降低。DiNicola等^[8]在复叠制冷循环中用N₂O和CO₂混合作为低温级代替R23,高温级用R404A,进行了相应的理论研究。Bhattacharyya等^[9]将N₂O作为低温级, CO₂作为高温级,对N₂O/CO₂复叠制冷/热泵循环进行了理论研究。