跨临界CO2制冷与热泵系统

    1 跨临界CO₂制冷和热泵循环的原理

    1.1 跨临界CO2制冷循环

    跨临界CO₂制冷循环的主要组件有空气冷却换热器(gas cooler)、压缩机(compressor)、蒸发器(evaporator)、内换热器(internal heat exchanger)和膨胀阀(expansion valve)。图1所示的是一个典型的单级压缩跨临界CO₂制冷循环。超临界压力下的CO2(状态2)进入空气冷却换热器中,与周围空气(状态7、状态8)进行换热。在相应的温熵图上可以看到,超临界CO₂在换热器中的放热过程(状态2到状态3)不是像传统制冷循环中的那样等温冷凝放热,而是产生了一个较大的温度滑移,并且不产生液体。离开空冷器后,高压CO₂(状态3)经来自蒸发器低压段的CO2(状态6)进一步冷却。CO₂(状态4)在膨胀阀中降压降温,变成所需的制冷状态(状态5)。在蒸发器中,CO₂吸收周围空气(状态9、状态10)的热量,在近饱和时(状态6)进入内换热器,过热(状态1)后入压缩机,从而完成一个循环。

    目前CO₂制冷系统面临的最大问题就是循环过程中需要非常高的压力,这个压力通常都会大于100 MPa,有时甚至要求在150 MPa。对于这么高的压力,系统很多部件都要经受考验,比如O型圈等各种密封圈,在这么大压力下的使用寿命就成了一个棘手的问题。

    但从另一方面高压又是跨临界CO₂循环的一个优势所在。超临界的体积热容比传统工质大很多(5~8倍),故对于给定的热容量(capacity,类似于空调工程术语中的热负荷)来说,需要的CO2工质便成倍减少。这样CO₂制冷系统所需的工质量就有可能比其他工质的少很多,例如相比CFC-12,CO2工质能量密度(energy density)的提升可使系统的管道直径是CFC-12的30%,虽然增压后管道的壁厚相应增加1倍,但由于管道流通面积的大幅减小还可使管道的重量减少30%~40%[1]。这样跨临界CO₂制冷系统就确立了自己的优势,例如在汽车空调领域中,系统体积和重量的大幅减小是非常重要的。

    1.2 跨临界CO₂热泵系统

    同制冷系统类似,跨临界CO₂单级压缩热泵循环过程如图2。其中温熵图中虚线所示的是简化的具有一个热源和热汇的换热过程。

    2 循环分析

    从上面的叙述可以看出跨临界CO₂制冷(热泵)循环:①非等温的冷却过程导致与理想循环卡诺循环相差很远,COP降低明显。但实际上如果控制好换热器过程,是可以达到变温热源的洛仑兹循环;② 节流过程损失较大;③传统的一些改进循环效率的办法,例如回热和分级压缩也适用;④压力在空气冷却器侧很高(通常在100 bar左右)因此换热器需要耐高压;⑤由于超临界CO₂的比体积热容很大,因此要求使用紧凑有效的换热器和相应的压缩机。