超臨界二氧化碳制冷循環(huán)的溫熵分析

1極限2c冷循環(huán)和冷熱循環(huán)的原理1.1co制冷系統(tǒng)在co-key類比循環(huán)中，主要組件包括空氣冷卻器、壓縮機（comer）、檢測器（avpalat）、內換熱器（interprocedural）和膨脹閥（expolosvalve）。圖1所示的是一個典型的單級壓縮跨臨界CO2制冷循環(huán)。超臨界壓力下的CO2(狀態(tài)2)進入空氣冷卻換熱器中,與周圍空氣(狀態(tài)7、狀態(tài)8)進行換熱。在相應的溫熵圖上可以看到,超臨界CO2在換熱器中的放熱過程(狀態(tài)2到狀態(tài)3)不是像傳統(tǒng)制冷循環(huán)中的那樣等溫冷凝放熱,而是產生了一個較大的溫度滑移,并且不產生液體。離開空冷器后,高壓CO2(狀態(tài)3)經來自蒸發(fā)器低壓段的CO2(狀態(tài)6)進一步冷卻。CO2(狀態(tài)4)在膨脹閥中降壓降溫,變成所需的制冷狀態(tài)(狀態(tài)5)。在蒸發(fā)器中,CO2吸收周圍空氣(狀態(tài)9、狀態(tài)10)的熱量,在近飽和時(狀態(tài)6)進入內換熱器,過熱(狀態(tài)1)后入壓縮機,從而完成一個循環(huán)。目前CO2制冷系統(tǒng)面臨的最大問題就是循環(huán)過程中需要非常高的壓力,這個壓力通常都會大于100MPa,有時甚至要求在150MPa。對于這么高的壓力,系統(tǒng)很多部件都要經受考驗,比如O型圈等各種密封圈,在這么大壓力下的使用壽命就成了一個棘手的問題。但從另一方面高壓又是跨臨界CO2循環(huán)的一個優(yōu)勢所在。超臨界的體積熱容比傳統(tǒng)工質大很多(5～8倍),故對于給定的熱容量(capacity,類似于空調工程術語中的熱負荷)來說,需要的CO2工質便成倍減少。這樣CO2制冷系統(tǒng)所需的工質量就有可能比其他工質的少很多,例如相比CFC-12,CO2工質能量密度(energydensity)的提升可使系統(tǒng)的管道直徑是CFC-12的30%,雖然增壓后管道的壁厚相應增加1倍,但由于管道流通面積的大幅減小還可使管道的重量減少30%～40%。這樣跨臨界CO2制冷系統(tǒng)就確立了自己的優(yōu)勢,例如在汽車空調領域中,系統(tǒng)體積和重量的大幅減小是非常重要的。1.2co-keyer同制冷系統(tǒng)類似,跨臨界CO2單級壓縮熱泵循環(huán)過程如圖2。其中溫熵圖中虛線所示的是簡化的具有一個熱源和熱匯的換熱過程。2增加以調溫熱源為基礎的低熱值換熱器過程從上面的敘述可以看出跨臨界CO2制冷(熱泵)循環(huán):①非等溫的冷卻過程導致與理想循環(huán)——卡諾循環(huán)相差很遠,COP降低明顯。但實際上如果控制好換熱器過程,是可以達到變溫熱源的洛侖茲循環(huán);②節(jié)流過程損失較大;③傳統(tǒng)的一些改進循環(huán)效率的辦法,例如回熱和分級壓縮也適用;④壓力在空氣冷卻器側很高(通常在100bar左右),因此換熱器需要耐高壓;⑤由于超臨界CO2的比體積熱容很大,因此要求使用緊湊有效的換熱器和相應的壓縮機。2.1兩級壓縮試驗CO2壓縮機吸排氣壓差很大,克服流動阻力需要的壓差相對很小,與常用系統(tǒng)相比,吸排氣閥損失對指示效率的影響也就很小。CO2壓縮機壓比小、汽缸內余隙容積的再膨脹行程較短,閥打開較早,所以壓縮機容積效率較大。泄漏損失對指示效率影響最大,必須減小泄漏間隙的長度,用油潤滑的活塞環(huán)密封,并設計成大沖程缸徑比。這種壓縮機的缺點是難于設計具有足夠流通面積的閥,而且閥的能量損失較大。在臨界溫度附近及其臨界溫度以上時,超臨界CO2過熱和節(jié)流的損失很大。一個方法就是采用分級壓縮;另一個方法是收集膨脹時的膨脹功。此外,單級壓縮時終末溫度常達到200℃,不利于機器工作,而采用分級壓縮時的溫度可以降低30～50℃。采用兩級壓縮會使系統(tǒng)體積變大,故設計時需要具體問題具體分析。圖3所示為采用高低兩級壓縮機增壓,并且在冷卻過程中采用引出小股流體進行回熱的做法。2.2側壓力隨壓力變化的特性在傳統(tǒng)的亞臨界循環(huán)中,冷凝器出口的焓值只是溫度的函數(shù),COP值只受到高低熱源的限制。在跨臨界循環(huán)中,COP受空氣冷卻器出口溫度的影響很大。因此,當蒸發(fā)溫度、空氣冷卻器出口溫度保持恒定不變時,隨著高壓側壓力的變化,循環(huán)系統(tǒng)的COP必然存在著最大值點。圖4所示為熱泵循環(huán)(制冷循環(huán)與之類似)中的熱容量(heatingcapacity)、COP和壓縮機軸功(shaftpower)隨著排氣壓力(dischargepressure)變化的曲線圖。熱容量在開始增長很快,然后在達到一定壓力下開始變得平緩。壓縮機軸功隨著壓力的增高大體上呈線性增長。因為系統(tǒng)效率(COP)是熱容量和輸入軸功的一個比值,因此在某一負荷壓力下會達到一個最優(yōu)值(optimumpressure)。如圖中曲線所示,COP在最優(yōu)值附近還是相當平坦的,這個平坦的程度依賴于工作的邊界條件,包括壓縮機絕熱效率曲線以及內換熱器工況等。2.3近回流換熱器近肋片空氣冷卻器是跨臨界CO2循環(huán)的一個重要組件,它的設計對循環(huán)的可靠性和效率影響很大。出于跨臨界CO2循環(huán)的特性,其冷卻過程不同于傳統(tǒng)制冷工質的恒溫冷凝過程,有很大的溫度梯度(圖1),因此需要與之溫度梯度相匹配的空氣冷卻換熱器。目前有“近逆流(near-counterflow)”換熱器,此裝置的熱流密度要比叉流(crossflow)好得多(如圖5)。在空冷器的空氣側,工質的通道開了很多微槽(microchannel),槽上設有微肋片(multilouverfin)。通道的排列是蜿蜒的,管道和空氣側的換熱是有序的。這種排列方式的優(yōu)點是CO2和空氣之間的換熱非常類似于逆流,這對CO2的非恒溫換熱是非常重要的;CO2工質的出口溫度非常接近于空氣的入口溫度,對于合理降低出口工質的焓非常關鍵。而在叉流換熱器中,工質的出口溫度接近空氣的混合平均出口溫度(mixedmeanairoutlettemperature),而不是更低的實際入口溫度。近逆流換熱器中焓值的降低可使CO2工質在進蒸發(fā)器時的閃發(fā)變小,因此加強了冷卻效果。2.4蒸發(fā)器流體概述CO2具有的高熱導率、低動力黏度、高定壓比熱特性對傳熱有利,而低密度比使蒸發(fā)器流體分配更加容易。表面張力小可以增強蒸發(fā)器內局部沸騰區(qū)域內的蒸發(fā)傳熱。蒸發(fā)器制作時就應該充分利用這些特性,提高傳熱性能。2.5跨臨界2d制冷循環(huán)的動力學第二定律CO2制冷還是一個有待成熟的技術,對CO2循環(huán)的效率沒有一個十分精確和統(tǒng)一的說法。FartajAmir等參照ASHRAE手冊中的參數(shù),給出了跨臨界CO2制冷循環(huán)的熱力學第二定律分析,并同基于第一定律的分析作了比較。另外還指出,有效能(即)在循環(huán)中主要喪失在空氣冷卻器和壓縮機上。馬一太等指出,處于跨臨界CO2循環(huán)具有膨脹比小(2～4倍)、膨脹功大(占壓縮功的25%～30%)的特點,用膨脹機代替節(jié)流閥,無論從經濟角度還是技術角度來說,都是切實可行的,這也是提高跨臨界CO2制冷循環(huán)的關鍵所在。3跨臨界co制冷歐盟的一些國家正對空調制冷的替代工質開展大量的研究,并且通過立法稅收等政策鼓勵使用綠色環(huán)保工質。在意大利,已經建成了全部使用CO2工質的中央空調加冷藏室的超市,成為率先研究并成功使用CO2制冷系統(tǒng)的楷模。挪威的SINTEF研究所是世界上最早投身于研究跨臨界CO2暖通制冷空調的科研隊伍之一。Neksa等人對意大利使用CO2制冷的超市進行了全年運行分析,指出在目前的技術條件下,用CO2制冷要比使用R404A全年成本多10%。但是,從文獻中給出的月平均數(shù)據來看,在室外溫度不高(低于15℃),冷源溫度較低的情況下,用CO2制冷的成本要好于R404A。設想以后CO2循環(huán)的一些組件能提高效率,并且作為未來普遍的使用的工質,CO2的購買成本會大幅降低,CO2制冷循環(huán)的成本是非常有希望降到傳統(tǒng)工質以下的?？缗R界CO2循環(huán)中的空氣冷卻器具有較高的排氣溫度和較大的溫度滑移,這正好與冷卻介質的溫升過程相匹配,此點使它在熱泵循環(huán)方面具有其他工質亞臨界循環(huán)等溫冷凝過程無法比擬的優(yōu)勢。Neksa等人對熱泵做了大量研究,提出一個較理想的CO2熱泵綜合利用系統(tǒng),可以利用CO2熱泵循環(huán)串聯(lián)熱水器、空調、烘干器等(圖6)。天津大學于2000年建立起我國第一個跨臨界熱泵實驗臺。目前,世界上研究最多的是跨臨界CO2制冷在汽車空調上的應用。前國際制冷協(xié)會主席Lorentzen大力倡導CO2汽車空調,認為不應該局限于Evans-Perkings循環(huán)合成制冷劑,而應積極開發(fā)利用新循環(huán)、新系統(tǒng)和新工質。1994年,BMW,DAIMLERENZ,VOLVO及德國大眾,Danfoss,Valeo等公司發(fā)起了名為“RACE”的聯(lián)合項目,聯(lián)合歐洲著名高校、汽車空調制造商等研制二氧化碳汽車空調系統(tǒng)。J.Petterson等人曾對空調系統(tǒng)作了深入的理論研究。美國伊利諾斯大學空調與制冷中心(ACRC)通過實驗得到了高于現(xiàn)有工質COP的