二氧化碳跨临界带膨胀机制冷循环及制热循环

    引言

    在日常生活中，存在许多需要同时供热和供冷的领域，如宾馆、餐厅等。为了满足这样的要求，可以对制冷循环进行热回收，依靠回收热来满足热负荷需求[1]。CO₂作为环保工质，有单位容积制冷量大，粘度低等良好特性，很符合制冷循环的要求。以 CO₂为工质的制冷循环，在满足制冷的基础上，对气体冷却器放出的热能进行热回收，具有潜在经济价值和环保价值，因此，有必要对 CO₂制冷循环既进行制冷分析，也要对其热回收进行制热分析。

    文中基于制冷的要求，研究了实际情况下 CO2 跨临界带膨胀机制冷循环中，一些工况因素对制冷循环的影响。同时，在制冷同时，对循环中的热回收量、COP 等做出特定分析，并根据结论，调整循环，在满足制冷的要求下，使循环尽量满足制热的需求。

    1 结构设计

    CO₂压缩机压力高，为减小压差变形和泄露，采用双级压缩，采用双级循环可以降低排气温度(当量冷凝温度)和减少压缩机耗功，从而提高系统性能[2，3]。

    CO₂临界温度低（31.1℃）， 临界压力高（7.37MPa），通常采用跨临界循环，CO₂跨临界循环系统中膨胀阀节流损失大，分析表明膨胀阀节流损失占系统总损失的 37.2%[4]，膨胀比小（约 2-4），膨胀功大，占总压缩功的 25%-30%，所以采用膨胀机代替膨胀阀来减小节流损失，Robinson 和Groll 对 CO₂跨临界循环带膨胀机与不带膨胀机装置进行了分析[5]，结果表明，等熵效率为 60％的膨胀机(不带中间换热器)系统与膨胀阀带尽可能大换热面积的中间换热器系统相比，可使 COP 提高 25％。

    为减小所产生能量转换和储存损失，膨胀机的机械功应被直接利用，压缩机和膨胀机最好设计成同轴联接的结构，这样还可以解决密封、噪声和震动等问题[6]。

    根据文献[7]的结论，采用将主压缩机和辅助压缩机串    联的串联模式，比将两者并联的并联模式效率要高。

    根据上面的设计，最终结构如图 1 所示：

    2 循环能效计算

    2.1 工作原理

    工质在循环过程的状态变化如 T-S 图 2 所示。等熵绝热情况下，CO₂饱和气体，经主压缩机压缩至高温高压状 态 2，经中间冷却器等压冷却至状态 3，在膨胀机驱动的辅助压缩机压缩下，转换为状态 4 的高温高压超临界流体，超临界流体在气体冷却器中等压冷却至临界点之上的状态 5 后，在膨胀机中经温熵图中临界点左侧进行跨临界膨胀，输出膨胀功，膨胀结束后流体转换为状态 6 的气液两相流流体，流体经蒸发器等压吸热，回复到状态 1，从而完成一次循环。