跨临界CO2水冷式制冷系统热力学分析

    1 前言

    在19世纪末至20世纪30年代,CO₂因其特有的安全性及良好的性能,曾经在制冷系统尤其是船用制冷方面得到广泛的应用。由于当时技术水平比较差,以及采用的是常规的亚临界循环,CO₂较低的临界温度(31.1℃)和较高的临界压力(7.37 MPa),使得CO₂系统的效率较低,以致被CFCs取代。现在由于CFCs之类的人工合成制冷剂所造成的严重环境问题,人们又将目光投向自然工质CO₂。采用跨临界的循环方式,CO₂比其他制冷剂具有明显的优势[1]。目前国内外已有许多机构对跨临界CO₂制冷系统展开研究。本文对跨临界CO₂水冷式制冷系统进行了热力学分析和计算,旨在为实际系统的设计和调节提供依据。

    2 CO₂跨临界制冷循环

    设计系统通常采用图1和图2所示的CO₂跨临界制冷循环形式,按使COP最大的优化循环参数设计制冷循环。如系统流程图1所示,CO₂蒸气先经压缩机从f点被压缩到a点,接着经气体冷却器到b点,再经由回热器过冷到c点,然后经膨胀阀节流膨胀到d点进入蒸发器蒸发,最后流入低压储液器进行气液分离,出口饱和蒸气导入回热器加热到过热f点,重新进入压缩机压缩。储液器起气液分离(蒸发器出口不过热)、补充制冷剂等作用。相应的热力循环压焓图如图2所示。

    由于高压侧压力大于CO₂临界压力,故制冷系统中不采用冷凝器,而是用气体冷却器。气体冷却器采用水冷却,蒸发器设计为水-水冷却器(也可以是空气冷却器)。由于是水冷式,运行中应保证水以及工质的清洁程度满足要求,以防换热设备结垢、压缩机损坏和节流阀管道堵塞等问题的产生。采用节流阀对蒸发压力进行调节;利用冷媒水出口温度或空调器回风温度控制压缩机启、停,进行能量调节;系统中设置了压缩机排气压力保护、排气温度保护以及油温保护等装置,确保系统的安全运行。

    3 系统热力计算分析

    CO₂制冷系统在跨临界运行情况下,高压侧无相变过程,放热过程有较大的温度滑移,使得CO₂跨临界循环与常规的制冷循环存在一些差别,其性能主要受高压侧压力、气体冷却器出口温度、蒸发温度和吸气过热度等参数的影响。为更好地了解这些性能参数影响与变化情况,对跨临界CO₂水-水制冷系统进行了变工况模拟与热力学分析。热力计算中涉及到下列公式。

    压缩机实际出口焓

    上式中,has为等熵排气焓;ηs为指示效率[2]。

    系统单位质量制冷量

qe= he- hd= he- hc(3)

    单位容积制冷量