二氧化碳低温制冷循环应用分析

　　当前环境问题已成为一个重要的全球问题，其中臭氧层破坏和温室效应问题直接关系到人类的健康和生存，引起人们的高度重视。在制冷装置中广泛使用的CFCs、HCFCs工质是引起臭氧层破坏的主要原因，而且其作为温室气体，已列入逐步被淘汰之列。从长远来看天然制冷工质替代人工制冷工质已成为必然。在已有的自然制冷工质中，CO₂由于其不易燃、无毒等、传热性能好等特性质倍受人们关注^{[1- 4]}。同时CO₂的蒸发温度可达到-50~-30 ℃的低温，并且在此低温下，CO₂的粘度也非常小。所以CO2作为制冷工质应用在低温制冷系统上有很好的发展前景。

　　为了考查制冷系统的用能水平，寻求提高能量利用率的途径，要对系统进行能量分析。能量分析有三种，一是能量分析法，是在热力学第一定律的基础上建立起来的能量数量分析法。通过分析揭示能量在数量上的转换情况，从而确定系统的能量利用率。二是火用分析方法。火用分析法能够揭示能量转换过程中“质”的关系，从而更好地引导人们对系统进行改进，弥补了能量分析法的不足。三是第二定律分析法。第二定律分析法可以确定系统实际情况的效率同系统在理想情况下效率的差距。

　　本文主要对两种不同的CO₂双级压缩制冷循环进行火用分析得到各部件所造成的有效能量所占的比例，从而为优化CO2制冷系统提供参照。

　　1 制冷循环

　　同传统的制冷工质相比，CO₂最大的特点就是临界温度低。CO₂蒸气压缩式制冷系统运行时，接近甚至部分超过其临界压力7.38MPa。这个导致了制冷系统放热过程通常是在超临界的情况下完成的，而吸热过程是在亚临界下完成的。本文主要分析两种不同带有中间冷却器CO2双级压缩制冷循环。采用带有中间冷却器双级压缩循环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^[5]：

　　(1) 一次节流完全中间冷却的双级压缩c_ii(combined subcooling and desuperheating in aintercooler)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s_ii(subcooling 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^[5]：

　　(1) 系统循环处于稳定状态;

　　(2) 压缩机的绝热效率

　　P₂代表压缩机排气压力，P₁代表压缩机吸气压力;