超臨界二氧化碳制冷循環(huán)的溫熵分析

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(jī)（comer）、檢測(cè)器（avpalat）、內(nèi)換熱器（interprocedural）和膨脹閥（expolosvalve）。圖1所示的是一個(gè)典型的單級(jí)壓縮跨臨界CO2制冷循環(huán)。超臨界壓力下的CO2(狀態(tài)2)進(jìn)入空氣冷卻換熱器中,與周圍空氣(狀態(tài)7、狀態(tài)8)進(jìn)行換熱。在相應(yīng)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(chǎn)生了一個(gè)較大的溫度滑移,并且不產(chǎn)生液體。離開空冷器后,高壓CO2(狀態(tài)3)經(jīng)來自蒸發(fā)器低壓段的CO2(狀態(tài)6)進(jìn)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(shí)(狀態(tài)6)進(jìn)入內(nèi)換熱器,過熱(狀態(tài)1)后入壓縮機(jī),從而完成一個(gè)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(gè)壓力通常都會(huì)大于100MPa,有時(shí)甚至要求在150MPa。對(duì)于這么高的壓力,系統(tǒng)很多部件都要經(jīng)受考驗(yàn),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(gè)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(gè)優(yōu)勢(shì)所在。超臨界的體積熱容比傳統(tǒng)工質(zhì)大很多(5～8倍),故對(duì)于給定的熱容量(capacity,類似于空調(diào)工程術(shù)語中的熱負(fù)荷)來說,需要的CO2工質(zhì)便成倍減少。這樣CO2制冷系統(tǒng)所需的工質(zhì)量就有可能比其他工質(zhì)的少很多,例如相比CFC-12,CO2工質(zhì)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(yīng)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(shì),例如在汽車空調(diào)領(lǐng)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(jí)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(gè)熱源和熱匯的換熱過程。2增加以調(diào)溫?zé)嵩礊榛A(chǔ)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(dǎo)致與理想循環(huán)——卡諾循環(huán)相差很遠(yuǎn),COP降低明顯。但實(shí)際上如果控制好換熱器過程,是可以達(dá)到變溫?zé)嵩吹穆鍋銎澭h(huán);②節(jié)流過程損失較大;③傳統(tǒng)的一些改進(jìn)循環(huán)效率的辦法,例如回?zé)岷头旨?jí)壓縮也適用;④壓力在空氣冷卻器側(cè)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(yīng)的壓縮機(jī)。2.1兩級(jí)壓縮試驗(yàn)CO2壓縮機(jī)吸排氣壓差很大,克服流動(dòng)阻力需要的壓差相對(duì)很小,與常用系統(tǒng)相比,吸排氣閥損失對(duì)指示效率的影響也就很小。CO2壓縮機(jī)壓比小、汽缸內(nèi)余隙容積的再膨脹行程較短,閥打開較早,所以壓縮機(jī)容積效率較大。泄漏損失對(duì)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(shè)計(jì)成大沖程缸徑比。這種壓縮機(jī)的缺點(diǎn)是難于設(shè)計(jì)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(shí),超臨界CO2過熱和節(jié)流的損失很大。一個(gè)方法就是采用分級(jí)壓縮;另一個(gè)方法是收集膨脹時(shí)的膨脹功。此外,單級(jí)壓縮時(shí)終末溫度常達(dá)到200℃,不利于機(jī)器工作,而采用分級(jí)壓縮時(shí)的溫度可以降低30～50℃。采用兩級(jí)壓縮會(huì)使系統(tǒng)體積變大,故設(shè)計(jì)時(shí)需要具體問題具體分析。圖3所示為采用高低兩級(jí)壓縮機(jī)增壓,并且在冷卻過程中采用引出小股流體進(jìn)行回?zé)岬淖龇ā?.2側(cè)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(dāng)蒸發(fā)溫度、空氣冷卻器出口溫度保持恒定不變時(shí),隨著高壓側(cè)壓力的變化,循環(huán)系統(tǒng)的COP必然存在著最大值點(diǎn)。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(jī)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(dá)到一定壓力下開始變得平緩。壓縮機(jī)軸功隨著壓力的增高大體上呈線性增長。因?yàn)橄到y(tǒng)效率(COP)是熱容量和輸入軸功的一個(gè)比值,因此在某一負(fù)荷壓力下會(huì)達(dá)到一個(gè)最優(yōu)值(optimumpressure)。如圖中曲線所示,COP在最優(yōu)值附近還是相當(dāng)平坦的,這個(gè)平坦的程度依賴于工作的邊界條件,包括壓縮機(jī)絕熱效率曲線以及內(nèi)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(gè)重要組件,它的設(shè)計(jì)對(duì)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(zhì)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(cè),工質(zhì)的通道開了很多微槽(microchannel),槽上設(shè)有微肋片(multilouverfin)。通道的排列是蜿蜒的,管道和空氣側(cè)的換熱是有序的。這種排列方式的優(yōu)點(diǎn)是CO2和空氣之間的換熱非常類似于逆流,這對(duì)CO2的非恒溫?fù)Q熱是非常重要的;CO2工質(zhì)的出口溫度非常接近于空氣的入口溫度,對(duì)于合理降低出口工質(zhì)的焓非常關(guān)鍵。而在叉流換熱器中,工質(zhì)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(shí)際入口溫度。近逆流換熱器中焓值的降低可使CO2工質(zhì)在進(jìn)蒸發(fā)器時(shí)的閃發(fā)變小,因此加強(qiáng)了冷卻效果。2.4蒸發(fā)器流體概述CO2具有的高熱導(dǎo)率、低動(dòng)力黏度、高定壓比熱特性對(duì)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(qiáng)蒸發(fā)器內(nèi)局部沸騰區(qū)域內(nèi)的蒸發(fā)傳熱。蒸發(fā)器制作時(shí)就應(yīng)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(dòng)力學(xué)第二定律CO2制冷還是一個(gè)有待成熟的技術(shù),對(duì)CO2循環(huán)的效率沒有一個(gè)十分精確和統(tǒng)一的說法。FartajAmir等參照ASHRAE手冊(cè)中的參數(shù),給出了跨臨界CO2制冷循環(huán)的熱力學(xué)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(jī)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?jí)嚎s功的25%～30%)的特點(diǎn),用膨脹機(jī)代替節(jié)流閥,無論從經(jīng)濟(jì)角度還是技術(shù)角度來說,都是切實(shí)可行的,這也是提高跨臨界CO2制冷循環(huán)的關(guān)鍵所在。3跨臨界co制冷歐盟的一些國家正對(duì)空調(diào)制冷的替代工質(zhì)開展大量的研究,并且通過立法稅收等政策鼓勵(lì)使用綠色環(huán)保工質(zhì)。在意大利,已經(jīng)建成了全部使用CO2工質(zhì)的中央空調(diào)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(diào)的科研隊(duì)伍之一。Neksa等人對(duì)意大利使用CO2制冷的超市進(jìn)行了全年運(yùn)行分析,指出在目前的技術(shù)條件下,用CO2制冷要比使用R404A全年成本多10%。但是,從文獻(xiàn)中給出的月平均數(shù)據(jù)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(shè)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(zhì),CO2的購買成本會(huì)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(zhì)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(zhì)的溫升過程相匹配,此點(diǎn)使它在熱泵循環(huán)方面具有其他工質(zhì)亞臨界循環(huán)等溫冷凝過程無法比擬的優(yōu)勢(shì)。Neksa等人對(duì)熱泵做了大量研究,提出一個(gè)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(diào)、烘干器等(圖6)。天津大學(xué)于2000年建立起我國第一個(gè)跨臨界熱泵實(shí)驗(yàn)臺(tái)。目前,世界上研究最多的是跨臨界CO2制冷在汽車空調(diào)上的應(yīng)用。前國際制冷協(xié)會(huì)主席Lorentzen大力倡導(dǎo)CO2汽車空調(diào),認(rèn)為不應(yīng)該局限于Evans-Perkings循環(huán)合成制冷劑,而應(yīng)積極開發(fā)利用新循環(huán)、新系統(tǒng)和新工質(zhì)。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(xiàng)目,聯(lián)合歐洲著名高校、汽車空調(diào)制造商等研制二氧化碳汽車空調(diào)系統(tǒng)。J.Petterson等人曾對(duì)空調(diào)系統(tǒng)作了深入的理論研究。美國伊利諾斯大學(xué)空調(diào)與制冷中心(ACRC)通過實(shí)驗(yàn)得到了高于現(xiàn)有工質(zhì)COP的