CO2跨临界循环与传统制冷循环的性能比较

80 第80 第47卷第1期 流体机械 2019年1月doi：10.3969/j.issn.1005-0329.2019.01.015CO2跨临界循环与传统制冷循环的性能比较杨俊兰，沈士杰，高思雨，李久东(天津城建大学能源与安全工程学院，天津300384)摘要:为了对比CO2与常规工质在单级压缩制冷循环中的性能，运用当量温度法理论对两者进行了分析。分别比较了当量蒸发温度为0℃或当量冷凝温度为40℃时，CO2与常规工质在单级压缩制冷循环中的COP和制冷量、制热量随当量冷凝温度和当量蒸发温度的变化情况；计算了不同吸气过热度下回热循环与基本循环的制冷系数的比值。结果显示，基本的单级CO2跨临界循环的性能和制冷量、制热量低于常规制冷循环;在添加回热器后，CO2跨临界循环系统的性能得到了很大的提高。关键词:CO2跨临界循环;当量温度法;COP；回热循环中图分类号：TH137；TB615 文献标志码：APerformanceComparisonBetweenCO2TranscriticalCycleandConventionalRefrigerationCycleYangJunlan，ShenShijie，GaoSiyu，LiJiudong(SchoolofEnergyandSafetyEngineering，TianjinChengjianUniversity，Tianjin300384，China)Abstract：InordertocomparetheperformanceofCO2andconventionalrefrigerantsinsingle-stagecompressionrefrigerationcycle，thetheoryofequivalenttemperaturemethodwasusedtoanalyzetheperformanceofthetwomedia.Whentheequivalentevaporationtemperaturewas0℃andequivalentcondensingtemperaturewas40℃，respectively，theCOP，coolingcapacityandheatingcapacityvaryingwithequivalentcondensingtemperatureandequivalentevaporatingtemperatureofCO2transcriticalsingle-stagecompressionrefrigerationcyclewerecomparedwiththoseoftheconventionalrefrigerationcycles.TheratioofrefrigerationcoefficientfortheInternalHeatExchangercycletothatofthebasiccycleunderdifferentsuctionsuperheatconditionswascalculated.Theresultsshowthattheperformance，refrigerationcapacityandheatingcapacityofthebasicsingle-stageCO2transcriticalcyclewerelowerthanthoseoftheconventionalrefrigerationcycle.TheperformanceoftheCO2transcriticalcyclesystemwasgreatlyimprovedaftertheadditionoftheInternalHeatExchanger.Keywords：CO2transcriticalcycle；equivalenttemperaturemethod；COP；InternalHeatExchangercycle0引言由于制冷空调行业广泛采用的CFCs,HCFCs等传统制冷剂对地球臭氧层具有严重的破坏作用，逐渐停止了其使用。随后人工合成的不含氯的物质HFCs(R134a,R32,R407C,R410A)得至U了一定的发展，虽然它们对臭氧层没有破坏能力，但是温室效应指数仍然较高这，类制冷剂也不能作为长期的替代工质。前国际制冷学会主席GLorentzen提出，从对环境长期安全保护的角度来看，重新启用自然工质，用自然工质替代合成工质是一种非常安全、必然的选择，如水、氨、二氧化碳、空气和碳氢化合物等这些曾经被使用过的自然工质［1］。近年来，CO2以其无毒不燃、安全可靠、环境友好且具有良好的热物理性质，发展应用迅速［2屋目前，国内、外对CO2应用的研究主要集中在汽车空调、热泵热水器和低温制冷等领域并，取得了很多成果［3-7］。跨临界循环是目前最常见的CO2制冷循环方式。杨栋等⑻在低温冷库制冷领收稿日期：2018-03-23修稿日期：2018-08-14基金项目：天津市自然科学基金项目(17JCZDJC31400)；天津市科技特派员项目(16JCTPJC52800)杨俊兰，等：CO杨俊兰，等：CO2跨临界循环与传统制冷循环的性能比较 81域给定工况下将CO2与常规制冷剂进行了比较。秦海杰等［9］在制冷空调产品及热泵热水机国家标准的名义工况下比较了CO2跨临界循环与常规制冷循环的理论效率。本文采用当量温度法在理论方面对CO2跨临界循环与传统制冷循环进行性能比较，在当量的条件下得到的结果更加准确、合理。1CO2跨临界循环与传统制冷循环的特点跨临界循环是目前最常见的CO2制冷循环方式，循环的放热过程在CO2的临界点之上，吸热过程在临界点以下，所以称为跨临界循环。CO2跨临界循环的高压侧放热过程中1。2的温度滑移很大，这一特点正好满足热泵中对梯级放热的要求，因此CO2跨临界循环热泵得到了很大的关注。CO2跨临界单级压缩制冷循环如图1所示。气体冷却器4 1蒸发器（a）原理示意（b）T-s曲线图1CO2跨临界单级压缩制冷循环常规制冷剂在放热过程中发生相变，相变过程是在等压变温条件下完成的，图2给出了常规制冷剂单级压缩制冷循环的T-s图。R410A、R407C等这一类的非共沸混合工质，发生等压变温的相变过程，蒸发器中的吸热过程也是变温过程，这一点与CO2和常规制冷剂的定温吸热不同，制冷循环的T-s图如图3所示。图2常规制冷剂单级压缩制冷循环的T-s曲线图3非共沸工质单级压缩制冷循环的T-s曲线由于CO2跨临界循环的气体冷却器中］。2进行无相变定压变温放热发，生在超临界区，常规制冷剂和非共沸混合工质发生等压变温的相变。因此在对CO2与常规制冷剂和非共沸混合工质的特性进行比较时，若以相同蒸发温度和冷凝温度为基准，将无法进行分析，而采用不同的分析方法，由于缺少统一的比较基准，会得到许多不一致的结论。2当量温度法概述针对以上CO2跨临界循环和常规工质循环无法比较的情况，姜云涛等［10］提出了一种新的比较方法——当量温度法。它是以热力学第二定律和卡诺定理为基础的，用这种方法进行各种循环的比较，可以得到更加准确、合理的结论。定义当量温度ET为把变温换热过程变换成等效的定温换热过程所对应的温度［11-12］，包括当量蒸发温度EET和当量冷凝温度ECT。定压定比热过程，当量温度ET计算公式：ET=f2CdT/f2cpdT=(T-T)/ln(T/T)ipiT 2 1 2 1(1)82 FLUIDMACHINERY Vol.47，No.1，201982 FLUIDMACHINERY Vol.47，No.1，2019（2（2）式中ET——当量温度，K；C——定压比热，kJ/（kg・K）；T-温度，K；1 ，2——下标，换热过程的始、末状态。有相变及有过冷或过热分段组合过程时，当量冷凝温度ECT由下式计算:ECT=ET九ii其中式中ECTT—iq—iq—kiqk一当量冷凝温度，K;-各换热段的当量温度，K;各换热段换热量，kJ/kg;-总换热量，kJ/kg。在两相区：J2TdsECT=i-=TFk1（3）图4不同工质COP随当量冷凝温度的变化当量冷凝温度为40℃时,5种工质的单级压缩制冷循环的COP随当量蒸发温度的变化情况如图5所示。从图可知,当量冷凝温度不变时,所有工质循环的COP均随当量蒸发温度的增大而逐渐升高。几种常规工质的COP都高于CO2的COP，5种工质的COP从大到小的顺序为：R22,R134a,R290，NH3，co2o其中”也的COP比C°2约高15%〜29%，其它几种工质的COP比CO2约高29%~46%。式中T——冷凝温度，K。当量蒸发温度EET的计算方法同当量冷凝温度。3循环的分析比较（4）（（4）（5）式中q—m，iqm,CO2通过EES编程，用当量温度法对R22、R134a、NH3、R290、CO2做制冷剂的单级压缩制冷循环进行分析比较。计算条件和基本假设如下：（1）压缩过程为等熵过程；（2）忽略系统的流动阻力损失和散热损失，忽略节流过程与外界的热交换；（3）忽略冷凝器和蒸发器中的换热温差；（4）当量蒸发温度为-10~10℃，当量冷凝温度为35~60℃，过热度取值为0~25℃。当量温度对性能参数COP的影响图4给出了5种工质R22，R134a，NH3，R290，CO2的单级压缩制冷循环在当量蒸发温度为0℃时，COP随当量冷凝温度的变化情况。从图中可以看出，当量蒸发温度为0℃时，所有工质循环的COP均随当量冷凝温度的增大而逐渐降低。几种常规工质的COP都高于CO2的COP,5种工质的COP从大到小的顺序为：NHR223,R22,R134aR29QC°2。其中，区290的COP比CO2约高11%〜15%其它几种工质的COP比CO2大约高17%~22%。

EET/℃图5不同工质COP随当量