二氧化碳制冷循环方式分析

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1、二该化碳制冷循环方式分析 二氮化碳制冷循环方式分析 陈楠陆志 ?开利空调冷冻研发?理有限公司 上海 ! 肠 浦东新区申江路# # ,号 ! 阅 摘要本文针对二氧化碳制冷循环的热力学分析中发现的不可逆因素 , 结合企业实际运用 , 分别针对制冷和空调工 况提出了改善其制冷循环效率的系统配置方式 , 并针对每种循环方式进行了分析 。 关钮词 二氧化碳制冷循环 亚临界循环超临界循环 % , ! ! 倍 。 如果考虑到所用. :大多为化工副 产品 , 用它做制冷剂正好回收了原来要排 向大气 的废物的话 , ! 的温 室效应就应为零 。 再加上 及其混合物不但会增加温 室效应 , 而且可能 产生其它现在

2、未知的副作用 , . :在这一方面的优 势就更为明显 , , # 。 尤其是随着制冷空调设备数量的增加 , 对各 种制冷工质 的需要量逐年上升 , 在选择和确定现 有制冷空调设备 中所用的制冷工质的替代物时 , 完全有理 由把更多的精力投 向对人类自身生存环 境无破坏作用 的自然工质! 。 4 ! 无需回收或再生 , 操作与运行的费用也较 低 。 ! 与水混合时呈弱酸性, 可腐蚀碳钢等普通 金属 , 但不腐蚀不锈钢和铜类金属 。 当输送的. : 比较干燥?含水率小于 时 , 可采用普通 的碳素钢 。 高 的工作压力使得压缩机吸气比容较 小 , 使得容积制冷量较大 , 使得压缩尺寸减小 。 流动

3、和传热性能提高 , 减少了管道和热交换器 的 尺寸 , 从而使系统非常紧凑 。 . :不可燃, 即使在高温下也不分解产生有 害气体 , 因为! 是碳的最高氧化状态 , 具有非常 稳定的化学性质 。 当然 , 采用 . :为制冷剂也有 缺点 , 如它不 能维持生命 , 当它在空气中的浓度 低于 时 , 对人没有明显危害 。 但如果超过此浓 度 , 则可引起呼吸器官的损害 , 甚至窒息死亡 。 除此 以外 , 4 . :高的临界压 力和低的临界温度也给 它做制冷剂带来了许多难题 。 无论亚临界循环还 是跨临界循环 , . :制冷系统的运行压力都将高于 传统 的制冷空调系统 , 这必然会给系统及部件

4、的 设计带来许多新的要求 。 同时现阶段还存在4 . :制 冷系统的效率相对较低的问题 , 】 。 针对二氧化碳 制冷循环所面临的工作压力和效率问题 , 本文提 出了可行的几种循环方式 。 二氧化碳亚临界循环方式 确 定二氧化碳制 冷循环的循环 方式 , 是 设 计整个系统的第一步也是最为关键的一步 。 这其 中 , 首先要确定未来的使用环境中冷凝?冷却 温度的温区 。 根据制冷循环不 同的冷凝?冷却 工况 , 二氧化碳制冷循环可以分为亚临界和超 临 界制冷循环 。 亚临界的制冷循环 一 图如图 所示 。 从图中可以发现 , 二氧化碳亚临界循环与 常见的氟制冷循环 没有本质区别 。 其循环过程

5、如 老 ,七届全国,品冷,链大会论文集 价咖山 仁 朋 ! !年月 , 青岛 失 , 气体冷却器换热损失以及蒸发器换热损失 。 对超临界循环而言面临的两个问题其一是工 作压力高 , 从压缩机排气到节流阀前的器件要承 受高至 ! 2的工作压力 , 此部分高压部件的制造 成本极高 。 而节流阀后的部件要耐受压力取决与 蒸发压力和系统控制状态 。 其二是系统的效率 问题 , 从图 可以看出系统偏离卡诺循环的程度 , 可以看出仍然有很大的余地来减少系统的不可逆 性 , 从而提高系统效率 。 针对上述两点 , 下列种 循环方式从改善压缩机容积 、 等嫡效率 , 减少系 统节流损失和控制系统排气温度等方面

6、对 图 所示 的超临界循环系统加以改进 。 图中的 一 一#一一一所示。 此时压缩机的吸 、 排气 压力都低于临界压力 , 蒸发温度 、 冷凝温度也低 于临界温度 , 循环的吸 、 放热过程都在亚临界条 件下进行 , 换热过程主要依靠潜热来完成 。 循环 偏离卡诺循环的主要部分也是影响系统效率的因 素主要是压缩机的不可逆压缩过程和液体的节流 过程 。 对于实际的循环过程而言 , 控制住亚临界 循环的压缩比能够显著的改善系统循环的不可逆 性 , 提高系统. 。 所以对于对于整个制冷循环 系统而言 , 在高温和低温级分别配置合理的压 比 是提高系统性能的重要手段之一 。 双级压缩两次节流系统 根据

7、制冷原理理论 , 两级节流的优 点可以减 少节流过程的不可逆损失 。 高压级节流 到中间压 力 , 节流后产生的汽液混合物分为两部分 / 一部 分液体继续节流到蒸发压力 , 使其温度降低 , 并 进入蒸发器制冷 另一部分与低压级的排气混合 后进入压缩机的高压级 。 按照制冷剂进入高压级 前的状态 , 两级节流 、 中间冷 却的两级压缩循环 又可分为两种类型 / 两级节流 、 中间不完全冷却 和两级节流中间完全冷却 。 二氧化碳超临界循环 从图 中可 以看出 , 当环境温度为# 时 , 压缩机排气温度达 度 , 排气压力达! 2 ?点 , 等压冷却后出气体冷 却器超 临界流体?点 # 节流后 的

8、气液两相流体?点 的干度大 , 只 有少部分液体进入蒸发器膨胀制冷 。 就系统循环 效率而言 , 损 失可 以分为四部分 , 压缩与节流损 一 一 二妞化碳制冷循环方式分析 图#中 , 点 出气体冷却器的超临界的制冷剂 流体?点5 经过换热器的过冷?点 进入节流 阀降压到中间压力 ?点# 。 从上面的压焙图可以 看出 , 中间压力点#处于两相区 , 在中间闪发容器 中分离为气液两相 , 其中饱和气体 ?点 经 由 过冷换热器加热为过热气体?点 后与低压 级压缩机排气 ?点 !混合?点 # 被高压级压 缩机吸入 。 而饱和液体则通过回热器后?点 被 节流成低压气液混合物进入蒸发器 。 可 以看出

9、 , 与单级压缩一次节流循环 比较而言 , 单位质量制 冷量有所提高 ?6 # 一6 , 系统排气温度下降而 且压缩由一级改为两级后容积效率也有所提高 。 影响此系统效率的关键因素包括 / 中间压力的确 定 、 中间换热器出口点 的过热度值以及回热器 的换热温差 。 本循环己经被运用到欧洲多家超市 制冷系统中 , , 。 双级压缩一级节流系统 和闪发罐 , 从气体冷却器流出的流体并不进入闪 发罐 , 而是 由换热器来给超临界流体提供过冷 。 点 点出口的高压超临界级排气进入 气体冷却器 后 , 在点分为两路 , 一路?点 !经节流后到中 间压力 ?亚临界区 , 点 后进入过冷换热器 , 冷却另

10、一路从气体冷却器出来的超临界流体到 点 , 而本身被加热到点 ?可以为饱和点或者略有 过热 , 与来自 低压级压缩机的排气点混合后被 高压级压缩机吸入 。 而经过过冷换热器的流体再 次通过低压回热器被冷却到点后进入节流阀节流 到点 , 进入低温蒸发器 。 此时蒸发器中的压力为 对应低温的饱和压力 , 经过换热二氧化碳在回热 器中被加热到点后被低压压缩机吸入 。 低压级压 缩机的排气 ?点 要经过冷却器的冷却到点 。 从理论上而言 , 图#和图所示循环有相同的循环 效率 , 所不 同的是高压换热器的成本问题 , 目前 而言 , 设计制造耐压 ! 2的二氧化碳换热器的能 力还不成熟 , 相对而言中

11、压的闪发罐及高压控 制阀的制造则容易的多 , 所以虽然一级节流的系 统相对简单 , 但是目前投入使用的系统多 为两级 节流系统 。 # 双级节流辅助压缩系统 圈双级节流辅助压缩系统 与图#所示 的两级节流系统不同 , 图采用 的 是一级节流流体再过冷中间不完全冷却的两级压 缩循环 , 高压热交换器取代了图#中的高压节流阀 图系统流程是从气体冷却器 出来的超临界流 体通过高压阀节流到两相区 , 进入中间储液罐 进行汽液分离 。 汽液分离后的饱和气体被辅助压 缩机吸入压缩到超临界 。 而液体则通过节流阀 进 入蒸发器 。 液体二氧化碳蒸发后被主压缩机吸入 压缩到高压 。 与图# 、 不同的是 ,

12、图所示系统的 辅助压缩机吸气是中间压力的饱和气体 , 而且主 压缩机是直接将蒸发压力压缩 到高压 。 此种并联 老 , 七届全国,品冷,链大会论文集 2咖仁 跳 七朋5门 ! !年月 , 青岛 压缩配置的问题在于 , 主压缩机一级压缩二氧化 碳到超临界态 , 考虑到排气温度 , 蒸发压力不可 能太低 , 仅适合于空调工况下的运用 。 而且辅助 压缩机吸入的饱和汽不含油 , 所以系统 的油平衡 也是一个问题 。 所示系统类似 , 由于从蒸发压力到高压为一级压 缩 , 所以此系统更适合与运行在空调工况 。 单级节流单级压缩系统 # 结论 二氧化碳物性决定了其制冷循环系统需要 不同的系统配置 。 本

13、文根据国内外的研究及商业 运用经验分别提出了适合于低温工况和空调工况 的制冷系统配置 , 其中图# 、 系统所示的两级压 缩系统适合于低温工况 , 比如超市冷冻及冷库系 统 而图 、 所示系统则使用于空调系统 。 这些 系 统配 置已经成功的运用在商业制冷和空调系 统 。 今考文献 与图所示系统通过辅助压缩机来解决二氧化 碳超临界节流后的闪发气体问题 。 但是也带来了 诸如回油等方面的问题 。 图所示的系统中辅助压 缩系统的蒸发器为气体冷却器 出口的超临界流体 提供过冷 , 从而确保从点 节流到点#后的流体处 于饱和液态线上 。 这也是此辅助制冷系统制冷量 设计的依据 。 辅助制冷系统可以采用

14、其它高效中 温制冷剂 , 从而保证整个系统的高效运行 。 与图 5 郭贵林 、 黎立新 , 跨临界. :水冷式制冷系统热力 学分析 , 制冷与空调 , ! ! 年月 , 第卷 , 第#期 , 一 # 刘军朴 、 陈江平 、 陈芝久 , 跨临界二氧化碳制冷 系统节流压降形式研究 , 流通机械, ,8# ! , 7! , ! , 一# # 季建刚 、 黎立新 、 蒋维钢 , 跨临界循环二氧化碳制 冷系统研究进展 , 机电设备 , ! 年第期 , # 一 4! 制冷技术新发展, 丁国良 , 制冷空调与电力机 械 , 7 , , ! , 5 一 彭梦珑 、 胡烨 , 二氧化碳制冷剂的应用研究 , 长沙 铁道学院学报 , ! !年 月 , 卷期 , 一 5吴业正 , 韩宝琦 制冷原理 西安 / 西安交通大学出版 社 刀内 山& ? , 4 , , , , 【 &? , 1, , . / %5 (545 1 ? 的