CO2跨临界压缩式制冷循环理论分析

王燕江， 陶乐仁， 刘银燕， 王 超

(上海理工大学，上海 200093)

CO2跨临界压缩式制冷循环理论分析

王燕江， 陶乐仁*， 刘银燕， 王 超

(上海理工大学，上海 200093)

目前，制冷行业由于面临能源消耗和环保两大难题，探索节能和环保型替代制冷剂已成为该领域内的热门课题[1-2]。从19世纪80年代至20世纪初，CO2和氨是空调制冷领域最常用的制冷剂[3]。但受当时技术水平限制，CO2制冷系统制冷效率低，而且设备非常笨重，只在船用冷藏装置中推广应用。氟利昂制冷剂出现后，CO2被迅速取代。如今，在全球变暖和臭氧层破坏的背景下，由于CO2的ODP=0，GWP=1，是一种无污染纯的自然工质，并且具有良好的热力性能，被科学家称为21世纪最具有前景的制冷剂[4-5]。

跨临界制冷目前是二氧化碳压缩式制冷应用最常用的一种制冷形式[6]，与普通蒸汽压缩制冷循环相比，蒸发过程主要依靠CO2相变释放的潜热完成吸热过程，蒸发温度和蒸发压力比临界的温度和压力要低，处于亚临界区；而冷凝过程只依靠CO2气体释放的显热完成放热过程，冷凝温度和冷凝压力比临界的温度和压力要高，处于超临界区。

Calsonic Kansei公司对CO2汽车空调系统的相关研究表明：CO2应用于汽车空调系统时系统性能与R134a系统性能相当，并且CO2温度差高于R134a系统的[7]。J.Pettersen[8]和P.Neksa[9]对CO2热泵热水器系统的系统性能进行了理论分析和实验研究，结果表明：在超临界状态下，CO2热泵热水器的气体冷却器中放热过程有一个较大的温度滑移，有利于加热热水到较高的温度，并且有实验表明，相比天然气燃烧或者电能加热的热水器，采用CO2热泵热水器能节能约75%，并且水温可从8 ℃升到60 ℃。日本的M.Saikawa等[10]对CO2热泵进行过基础性研究，得出了CO2热泵的系统性能要高于传统工质热泵的结论。

本文通过对跨临界CO2单级压缩制冷循环系统进行理论分析，并对相关的实验台和产品提供一些指导性的结论。

1 CO2跨临界循环系统

常用的CO2跨临界循环系统主要包括如下几部分：压缩机、气体冷却器、回热器、节流阀和蒸发器。气体冷却器的作用和传统压缩制冷循环中的冷凝器是一样的，都是用来释放工质的热量，在其内部为超临界CO2放出热量，外部利用水或空气来吸收CO2释放的热量。只不过，在气体冷却器中，超临界CO2放热时不发生相变，而冷凝器中一般是通过工质相变来换热的。蒸发器流出的亚临界CO2进入回热器中进一步冷却来自气体冷却器的超临界二氧化碳气体，以降低节流阀前的温度，提高系统的循环效率。图1和图2分别为CO2跨临界循环系统的流程图和lgP-h图。f-a-b-c-d-e-f为一个完整的循环过程，CO2经压缩机压缩后变成高温高压气体，流入气体冷却器被冷却成高压低温气体，再经过节流装置变成低温低压CO2，然后在蒸发器中吸收热量变成饱和气体或过热气体进入压缩机。

图1 跨临界CO2循环系统流程图

图2 跨临界CO2循环的lgP-h图

为了便于计算，对CO2跨临界循环系统的热力学模型做了以下的假设：

(1)系统循环处于稳定状态；

(2)压缩机压缩过程为可逆绝热过程；

(3)管路与环境之间的换热忽略不计；

(4)节流过程没有焓损失；

(5)系统循环过程中蒸发器、气体冷却器、回热器和连接管没有压降损失。

2、计算公式

单位质量制冷量：

q0=he-hd=he-hc

(1)

式中，h代表各点的比焓，单位：kJ/kg。

回热器中无热量和冷流损失，所以：

hf-he=hb-hc

(2)

单位质量制冷量：

q0=hf-hb

(3)

单位质量耗功：

w0=ha-hf

(4)

系统性能系数：

COP=q0/w0

(5)

Δecom=T0*(sa-sf)

(6)

式中，T0为环境温度，单位：℃；s为各点的比熵，单位：kJ/(kg·℃)。

Δecd=ha-hb-T0*(sa-sb)

(7)

Δeval=T0*(sd-sc)

(8)

Δeeva=(he-hd)*T0/Te-T0*(se-sd)

(9)

式中，Te为蒸发温度，单位：℃。

Δe=Δecom+Δecd+Δeval+Δeeva

(10)

η=1-Δe/w0

(11)

3 计算结果及分析

3.1 热平衡分析

由图3(a)可知，随着冷凝压力Pk的升高，单位质量制冷量q0先快速升高后缓慢增加，而耗功则随着冷凝压力的上升呈现小幅的线性增加。这是由于蒸发温度Te和气体冷却器出口温度Tc不变时，冷却压力Pk升高，即排气温度升高，图2中压缩机排气点a在等熵线上向上移动，气体冷却器b点沿着等温线也上移，根据公式(3)和(4)得，单位质量制冷量和耗功增加。由图3(a)还可知，相同冷却压力Pk下，随着蒸发温度的上升，单位质量制冷量和耗功均有减小，但耗功减小幅度更大，由于COP=q0/ω0，因此系统的循环效率COP增大。故在实际运行中，应适当提高系统的蒸发温度，以提高系统COP。

由图3(b)可看出，相同工况下，蒸发温度越高，系统COP越大；定蒸发温度下，随着冷却压力的升高，系统COP先增大后减小，最后趋于平缓， 这是因为COP等于图3(a)中单位质量制冷量和耗功比值。

从图3(c)可看出，随着气体冷却器出口温度Tc的升高，COP迅速下降，这说明了Tc对系统的COP影响很大，所以在实际运行过程中，尽可能的降低气体冷却器的出口温度。

(a)不同蒸发温度时单位质量制冷量和耗功随冷却压力的变化

(b)不同蒸发温度时COP随冷却压力的变化

(c)不同气冷器出口温度时COP随冷却压力的变化图3 热平衡分析系统参数随冷却压力的变化

(a)冷却压力对各部件损失占总损失比率的影响

(b)冷却压力对系统效率的影响图4 效率随冷却压力的变化

(a)蒸发温度对各部件占总损失比率的影响

(b)蒸发温度对系统效率的影响图5 效率随蒸发温度的变化

(a)气体冷却器出口温度对各部件占总损失比率的影响

(b)气体冷却器出口温度对系统用效率的影响图6 效率随气体冷却器出口温度的变化

4 结 论

通过对CO2跨临界制冷循环系统进行理论计算分析，得出以下几点主要结论：

[1] 刘万福，马一太.地球生命系统与可持续发张[J].天津大学学报，2004,37(4)：336-340.

[2] 周海鸥.哥本哈根谈判催生低碳时代[J].资本市场，2010(01):72-75.

[3] G. Lorentzen.The Use of Natural Refrigerants: a Complete Solution to the CFC/HCFC Predicament.Int[J].J.Refrig,1995,18(3):190-197.

[4] Lorentzen G.Revival of Carbon Dioxide as a Refrigerant[J].Int.J.Refrig,1994,17(5):292-301.

[5] 马一太,王景刚,魏东.自然工质在制冷空调领域里的应用分析[J].制冷学报,2002(1)：1-5.

[6] 舒欢.水合物蓄冷式CO2跨临界制冷循环实验研究[D].上海：上海理工大学,2013.

[7] Preissner M.,Cutler B.,Singanamalla S.,et al.Comparison of Automotive Air-conditioning Systems Operating with CO2and R134a.IIF-IIR Commission[M].Purdue University,USA,2000.

[8] Neksa P.,Rekstad H.,A.CO2Heat Pump Water Heater Characteristics,System Design and Experimental Results[M].Int.J.Refrig.,1994: 172-179.

[9] Neksa P.CO2Heat Pump Systems[J].Int.J.Refrig.,2002: 421-427.

[10] 吕静.二氧化碳跨临界循环及换热特性的研究[D].天津：天津大学，2005.

Theory Analysis on the CO2Trans-critical Compression Refrigeration Cycle

WANG Yan-jiang,TAO Le-ren,LIU Yin-yan,WANG Chao

(University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093)

As an environment-friendly refrigerant,CO2has been paid a lot of attention again in the area of air-conditioning nowadays.In this paper,the CO2trans-critical refrigeration cycle was analyzed thermodynamically.It was found: there is an optimal discharge pressure at which COP reaches maximum；It is useful to enhance COP for cycles by increasing the evaporation temperature or decreasing the cooling pressure,though the exergy efficiency is reduced；In the practical working system,the outlet temperature of the gas cooler should be decreased as much as possible,or increase the evaporator temperature.

thermodynamics；CO2trans-critical cycle；exergy efficiency；theory analysis

2016-08-15

上海市动力工程多相流动与传热重点实验室项目(13DZ2260900)

1007-2934(2016)06-0004-05

TK 124

A

10.14139/j.cnki.cn22-1228.2016.006.002

*通讯联系人