CO2跨临界双级压缩制冷循环的热力学分析

　　引 言

　　由于臭氧层破坏和温室效应的不利影响,用自然工质替代合成工质越来越受到国内外制冷界的重视^[1-5]。在几种常用的自然工质中,除水和空气以外, CO₂是与环境最为友善的制冷工质之一。CO₂使用安全,无毒;物理化学稳定性好;单位容积制冷量大,有利于减少装置体积;在超临界条件下,它的流动传热性能好;此外, CO₂容易获取,价格低廉,不需要回收,因此, CO₂作为CFCs与HCFCs类物质的长期替代物具有非常光明的前途。目前看来, CO₂在汽车空调、热泵热水器、热泵烘干机、复叠式制冷系统等领域中的应用比较乐观。特别是在CO₂汽车空调和CO2热泵热水器方面,应用前景非常光明。

　　由于CO₂的临界温度只有31°C,低于典型的夏季工况温度(35°C),宜采用跨临界循环方式,即其冷却放热过程一般工作在临界温度以上。低的临界温度给CO₂跨临界制冷循环带来两个问题:系统的运行压力高;循环效率低。针对CO₂与其他制冷工质的性质比较以及改善和提高CO₂跨临界制冷循环的性能系数(COP),国内外专家学者已经做了大量的研究工作^[6-14]。本文利用热力学原理,建立CO₂跨临界双级压缩制冷循环的热力学模型,对双级压缩制冷循环中间完全冷却和不完全冷却两种型式进行分析对比,旨在为实际系统的设计提供参考。

　　1 CO2跨临界双级压缩制冷循环的热力学模型

　　CO₂跨临界制冷循环COP的影响因素主要有:①压缩机与压缩过程不可逆损失;②气体冷却器、蒸发器和中间冷却器换热损失;③制冷工质CO₂流经节流元件时产生的节流损失;④管道压力损失;⑤其他,如混入制冷系统中的水分和不凝性气体。作为制冷工质它有很多优点, ODP=0, GDP=1。

　　采用CO₂跨临界双级压缩制冷循环有利于降低压缩机排气温度并提高系统COP^[15]。图1为CO₂跨临界双级压缩中间完全冷却和不完全冷却理论制冷循环的p-H图。

　　对于中间完全冷却,理论循环的各部分能量交换按以下公式计算

　　其中,qev为单位制冷量;wlpc、whpc分别为低压压缩机和高压压缩机消耗的单位理论功;qgc为气体冷却器放出的热量;qlpchl、qhpchl分别为低压压缩机和高压压缩机的热损失(为计算方便,在此忽略不计);hi为各状态点的焓值(i代表图1中的各状态点)。

　　对于中间不完全冷却,理论循环各部分能量交换的计算公式则为

　　系统能量平衡方程

　　其中

　　定义

　　式中Q0为制冷量,qml、qmh分别为低压压缩机和高压压缩机的制冷剂流量。则对于中间完全冷却循环