超临界二氧化碳制冷循环的温熵分析

超临界二氧化碳制冷循环的温熵分析

1极限2c冷循环和冷热循环的原理1.1co制冷系统在co-key类比循环中，主要组件包括空气冷却器、压缩机（comer）、检测器（avpalat）、内换热器（interprocedural）和膨胀阀（expolosvalve）。图1所示的是一个典型的单级压缩跨临界CO2制冷循环。超临界压力下的CO2(状态2)进入空气冷却换热器中,与周围空气(状态7、状态8)进行换热。在相应的温熵图上可以看到,超临界CO2在换热器中的放热过程(状态2到状态3)不是像传统制冷循环中的那样等温冷凝放热,而是产生了一个较大的温度滑移,并且不产生液体。离开空冷器后,高压CO2(状态3)经来自蒸发器低压段的CO2(状态6)进一步冷却。CO2(状态4)在膨胀阀中降压降温,变成所需的制冷状态(状态5)。在蒸发器中,CO2吸收周围空气(状态9、状态10)的热量,在近饱和时(状态6)进入内换热器,过热(状态1)后入压缩机,从而完成一个循环。目前CO2制冷系统面临的最大问题就是循环过程中需要非常高的压力,这个压力通常都会大于100MPa,有时甚至要求在150MPa。对于这么高的压力,系统很多部件都要经受考验,比如O型圈等各种密封圈,在这么大压力下的使用寿命就成了一个棘手的问题。但从另一方面高压又是跨临界CO2循环的一个优势所在。超临界的体积热容比传统工质大很多(5～8倍),故对于给定的热容量(capacity,类似于空调工程术语中的热负荷)来说,需要的CO2工质便成倍减少。这样CO2制冷系统所需的工质量就有可能比其他工质的少很多,例如相比CFC-12,CO2工质能量密度(energydensity)的提升可使系统的管道直径是CFC-12的30%,虽然增压后管道的壁厚相应增加1倍,但由于管道流通面积的大幅减小还可使管道的重量减少30%～40%。这样跨临界CO2制冷系统就确立了自己的优势,例如在汽车空调领域中,系统体积和重量的大幅减小是非常重要的。1.2co-keyer同制冷系统类似,跨临界CO2单级压缩热泵循环过程如图2。其中温熵图中虚线所示的是简化的具有一个热源和热汇的换热过程。2增加以调温热源为基础的低热值换热器过程从上面的叙述可以看出跨临界CO2制冷(热泵)循环:①非等温的冷却过程导致与理想循环——卡诺循环相差很远,COP降低明显。但实际上如果控制好换热器过程,是可以达到变温热源的洛仑兹循环;②节流过程损失较大;③传统的一些改进循环效率的办法,例如回热和分级压缩也适用;④压力在空气冷却器侧很高(通常在100bar左右),因此换热器需要耐高压;⑤由于超临界CO2的比体积热容很大,因此要求使用紧凑有效的换热器和相应的压缩机。2.1两级压缩试验CO2压缩机吸排气压差很大,克服流动阻力需要的压差相对很小,与常用系统相比,吸排气阀损失对指示效率的影响也就很小。CO2压缩机压比小、汽缸内余隙容积的再膨胀行程较短,阀打开较早,所以压缩机容积效率较大。泄漏损失对指示效率影响最大,必须减小泄漏间隙的长度,用油润滑的活塞环密封,并设计成大冲程缸径比。这种压缩机的缺点是难于设计具有足够流通面积的阀,而且阀的能量损失较大。在临界温度附近及其临界温度以上时,超临界CO2过热和节流的损失很大。一个方法就是采用分级压缩;另一个方法是收集膨胀时的膨胀功。此外,单级压缩时终末温度常达到200℃,不利于机器工作,而采用分级压缩时的温度可以降低30～50℃。采用两级压缩会使系统体积变大,故设计时需要具体问题具体分析。图3所示为采用高低两级压缩机增压,并且在冷却过程中采用引出小股流体进行回热的做法。2.2侧压力随压力变化的特性在传统的亚临界循环中,冷凝器出口的焓值只是温度的函数,COP值只受到高低热源的限制。在跨临界循环中,COP受空气冷却器出口温度的影响很大。因此,当蒸发温度、空气冷却器出口温度保持恒定不变时,随着高压侧压力的变化,循环系统的COP必然存在着最大值点。图4所示为热泵循环(制冷循环与之类似)中的热容量(heatingcapacity)、COP和压缩机轴功(shaftpower)随着排气压力(dischargepressure)变化的曲线图。热容量在开始增长很快,然后在达到一定压力下开始变得平缓。压缩机轴功随着压力的增高大体上呈线性增长。因为系统效率(COP)是热容量和输入轴功的一个比值,因此在某一负荷压力下会达到一个最优值(optimumpressure)。如图中曲线所示,COP在最优值附近还是相当平坦的,这个平坦的程度依赖于工作的边界条件,包括压缩机绝热效率曲线以及内换热器工况等。2.3近回流换热器近肋片空气冷却器是跨临界CO2循环的一个重要组件,它的设计对循环的可靠性和效率影响很大。出于跨临界CO2循环的特性,其冷却过程不同于传统制冷工质的恒温冷凝过程,有很大的温度梯度(图1),因此需要与之温度梯度相匹配的空气冷却换热器。目前有“近逆流(near-counterflow)”换热器,此装置的热流密度要比叉流(crossflow)好得多(如图5)。在空冷器的空气侧,工质的通道开了很多微槽(microchannel),槽上设有微肋片(multilouverfin)。通道的排列是蜿蜒的,管道和空气侧的换热是有序的。这种排列方式的优点是CO2和空气之间的换热非常类似于逆流,这对CO2的非恒温换热是非常重要的;CO2工质的出口温度非常接近于空气的入口温度,对于合理降低出口工质的焓非常关键。而在叉流换热器中,工质的出口温度接近空气的混合平均出口温度(mixedmeanairoutlettemperature),而不是更低的实际入口温度。近逆流换热器中焓值的降低可使CO2工质在进蒸发器时的闪发变小,因此加强了冷却效果。2.4蒸发器流体概述CO2具有的高热导率、低动力黏度、高定压比热特性对传热有利,而低密度比使蒸发器流体分配更加容易。表面张力小可以增强蒸发器内局部沸腾区域内的蒸发传热。蒸发器制作时就应该充分利用这些特性,提高传热性能。2.5跨临界2d制冷循环的动力学第二定律CO2制冷还是一个有待成熟的技术,对CO2循环的效率没有一个十分精确和统一的说法。FartajAmir等参照ASHRAE手册中的参数,给出了跨临界CO2制冷循环的热力学第二定律分析,并同基于第一定律的分析作了比较。另外还指出,有效能(即)在循环中主要丧失在空气冷却器和压缩机上。马一太等指出,处于跨临界CO2循环具有膨胀比小(2～4倍)、膨胀功大(占压缩功的25%～30%)的特点,用膨胀机代替节流阀,无论从经济角度还是技术角度来说,都是切实可行的,这也是提高跨临界CO2制冷循环的关键所在。3跨临界co制冷欧盟的一些国家正对空调制冷的替代工质开展大量的研究,并且通过立法税收等政策鼓励使用绿色环保工质。在意大利,已经建成了全部使用CO2工质的中央空调加冷藏室的超市,成为率先研究并成功使用CO2制冷系统的楷模。挪威的SINTEF研究所是世界上最早投身于研究跨临界CO2暖通制冷空调的科研队伍之一。Neksa等人对意大利使用CO2制冷的超市进行了全年运行分析,指出在目前的技术条件下,用CO2制冷要比使用R404A全年成本多10%。但是,从文献中给出的月平均数据来看,在室外温度不高(低于15℃),冷源温度较低的情况下,用CO2制冷的成本要好于R404A。设想以后CO2循环的一些组件能提高效率,并且作为未来普遍的使用的工质,CO2的购买成本会大幅降低,CO2制冷循环的成本是非常有希望降到传统工质以下的。跨临界CO2循环中的空气冷却器具有较高的排气温度和较大的温度滑移,这正好与冷却介质的温升过程相匹配,此点使它在热泵循环方面具有其他工质亚临界循环等温冷凝过程无法比拟的优势。Neksa等人对热泵做了大量研究,提出一个较理想的CO2热泵综合利用系统,可以利用CO2热泵循环串联热水器、空调、烘干器等(图6)。天津大学于2000年建立起我国第一个跨临界热泵实验台。目前,世界上研究最多的是跨临界CO2制冷在汽车空调上的应用。前国际制冷协会主席Lorentzen大力倡导CO2汽车空调,认为不应该局限于Evans-Perkings循环合成制冷剂,而应积极开发利用新循环、新系统和新工质。1994年,BMW,DAIMLERENZ,VOLVO及德国大众,Danfoss,Valeo等公司发起了名为“RACE”的联合项目,联合欧洲著名高校、汽车空调制造商等研制二氧化碳汽车空调系统。J.Petterson等人曾对空调系统作了深入的理论研究。美国伊利诺斯大学空调与制冷中心(ACRC)通过实验得到了高于现有工质COP的