二氧化碳低温制冷循环分析

　　在制冷系统中，CO₂作为自然工质倍受人们关注，由于其不易燃、无毒等特性，目前已对其在不同领域的应用进行了广泛的研究^{[1- 3]}。CO₂作为低温制冷循环工质有很多优势，如设备和管路尺寸小、换热效率高和没有腐蚀等，蒸发温度可达到-50~-30 ℃的低温，与其他制冷剂想比，即使在低温，CO₂粘度也非常小，传热性能好。CO₂作为环保型替代工质，用于低温制冷系统有着很好的发展前景。本文主要对两种不同的CO₂双级压缩制冷循环进行热力学分析。

　　1 制冷循环

　　CO2的凝固点为-51.6 ℃，可获得-50~-30 ℃的温度。在低温时，CO2的饱和压力比NH3和R12都高，不会产生低温下的负压情况，因此CO2工质特性适合较低温度制冷[4]。在此范围内，高温区超过CO2的临界温度，放热是在超临界区完成的。采用双级压缩同单级压缩相比较优点在于双级压缩可以在中间级从节流过程中抽取闪发蒸气，从而减少节流过程的不可逆损失，并且可以减少压缩机的压比，降低压缩机的排气过热。本文采用的双级压缩模型有:(1)一次节流完全中间冷却的双级压缩sii(subcooling in a intercoole)r循环，如图1(a)所示;(2) 一次节流不完全中间冷却的双级压缩cii(combined subcooling and desuperheating in a intercooler)循环，如图1(b)所示。

　　2 循环分析

　　为了便于分析，本文在以下条件下进行循环分析：

　　(1) 系统循环处于稳定状态;

　　(2) 压缩机的绝热效率为

　　P₂代表压缩机排气压力，P₁代表压缩机吸气压力;

　　(3) 气体冷却器的出口温度同环境温度相差5 ℃;

　　(4) 系统管路的压力损失忽略不计;

　　(5)CO₂在中间闪发器出口、中间冷却器出口、蒸发器出口均为饱和蒸气;

　　(6) 油等杂质对CO₂物性的改变不予考虑。

　　基于以上分析，利用EES软件编写程序进行模拟计算。

　　3 计算结果分析

　　在CO₂单级压缩循环中，在一定的蒸发温度和冷却温度下，存在一最优冷却压力，使得循环COP达到最大。然而在CO₂双级压缩循环中，循环COP不仅受到冷却压力的影响，还会受到中间压力的影响。因此在一般情况下，通过寻求最大的制冷系数来确定最优冷却压力和最优中间压力。

　　图4给出最优冷却压力随冷却器出口温度的变化曲线。从图中可以看出，最优冷却压力受蒸发温度的影响很小，而受冷却器出口温度的影响很大。

　　在冷却出口温度从40 ℃变化到55 ℃时，sii和cii的最优压力升分别高了30%和32%;在冷却器出口温度为40 ℃，蒸发温度从-30 ℃变化到-50 ℃时，sii和cii循环的最优冷却压力分别增加了2.15%和2.38%。