低温级以CO2为工质的复叠式制冷循环热力学分析

    对于通常的蒸汽压缩式制冷循环,即使采用双级压缩,由于受制冷剂本身物理性质的限制,也很难获得很低的温度.例如NH3,如果要获得较低的温度,其相应的蒸发压力很低,对应的比容很大,需要压缩机的排气量很大,一般压缩机难以适应这一要求.如果考虑容积效率,其COP与理论值相比会降低很多.在这种情况下应采用复叠式制冷系统.它由两种或两种以上的制冷剂和循环组成,通过蒸发冷凝器将独立的制冷循环耦合起来.这种系统既能满足在较低蒸发温度下蒸发时合适的蒸发温度,又可以满足在环境温度下冷凝时适中的冷凝压力.

    传统的复叠式制冷循环通常采用R22(高温级)和R12(低温级)做制冷剂,但由于CFCs及HCFCs类物质对臭氧层的破坏及严重的温室效应,已被列入禁用化学品之列,因此采用替代工质是必然趋势.这些替代物有HFCs、混合工质及自然工质.前两类仍属人工合成物,虽然对臭氧层的破坏很小或为零,但温室效应仍然非常强,并有可能对未来产生不可预知的潜在危险.因此,只有与环境完全相容的自然工质才是最终替代物.在欧洲,NH3-CO2复叠式系统已得到了实际应用.不过考虑技术经济等方面的限制,过渡替代物在一段时期内依然被广泛使用.

    1 几种工质的物性

    本文讨论几种常用的替代物(R134a、NH3、R290和CO₂)用于复叠式系统后,与采用传统工质的系统在性能上的异同.一些常用工质的特性见表1[1~4].

    R134a作为R12的替代物,已得到公认并被广泛使用.但作为一种人工合成物,可能会对环境产生人们无法预知的结果,因而只是过渡替代物.NH3是一种有悠久历史的制冷剂,早在19世纪就被广泛使用,只是后来人工合成制冷剂的出现使它的地位有所减弱,但在大型系统中一直有一席之地.如今,它再次受到重视.NH₃的缺点在于具有毒性和可燃性,与普通润滑油不相容,并有腐蚀性.R290具有优良的热物理性质,与R22相似.它的缺点是具有可燃性,但由于它能与润滑油完全互溶,这就大大降低了它的可燃性,因而在使用中所面临的安全问题并不是想象中的那么可怕.总之,它是有前途的替代物.CO₂具有与制冷循环和设备相适应的热物理性质.CO₂的蒸发潜热较大,单位容积制冷量相当高;运动粘度低,即使处于低温时期值也非常小;导热系数高,其液体密度和蒸汽密度比值小,节流后各回路间制冷剂的分配较均匀.CO₂优良的流动和传热性能,可显著减小压缩机和系统的尺寸,使整个系统非常紧凑.

    2 复叠式制冷循环热力学分析

    复叠式系统如图1示,理论循环的T-S图见图2和图3(CO₂-CO₂复叠),其中压缩机和膨胀机可认为是理想的.设复叠式系统的制冷量为QL,低温级制冷剂的质量流量为m1234,高温级制冷剂的流量为m5678,两级压缩机输入的净功为Wn,蒸发冷凝器隔热良好,低温级制冷剂放出的热量完全被高温级制冷剂吸收.系统的性能系数为