跨臨界二氧化碳循環(huán)設(shè)備及性能分析

徐化冰

（渤海船舶職業(yè)學(xué)院，遼寧興城125105）

跨臨界二氧化碳循環(huán)設(shè)備及性能分析

徐化冰

（渤海船舶職業(yè)學(xué)院，遼寧興城125105）

CO2作為制冷劑具有良好的特性?；诖?，在掌握壓縮機內(nèi)部結(jié)構(gòu)及跨臨界CO2循環(huán)影響因素的基礎(chǔ)上，將跨臨界CO2循環(huán)與R134a循環(huán)進(jìn)行性能比較，得出在雙級壓縮中使用中間冷卻器可降低排氣溫度，同時作為膨脹裝置的毛細(xì)管能使工作穩(wěn)定，即采用滾動轉(zhuǎn)子式二級CO2壓縮機、中間冷卻器和毛細(xì)管節(jié)流，可獲得高效跨臨界CO2制冷循環(huán)。結(jié)果表明，跨臨界CO2循環(huán)具有比R134a循環(huán)更優(yōu)異的性能。

CO2跨臨界循環(huán)；制冷劑；毛細(xì)管；雙級壓縮

0 引言

利用二氧化碳作為制冷劑，可在許多應(yīng)用中提供一個完全安全的、經(jīng)濟(jì)的、成本低的且有效的“自然”解決方案。CO2作為低溫制冷循環(huán)工質(zhì)有很多優(yōu)勢，如設(shè)備和管路尺寸較小、換熱效率高和沒有腐蝕、蒸發(fā)溫度可達(dá)到-40～-50℃的低溫、低溫時CO2的粘度也非常小且傳熱性能良好。同時二氧化碳可以從工業(yè)回收的廢氣中提取，其ODP值為零，CO2作為環(huán)保型替代工質(zhì)，用于低溫制冷循環(huán)系統(tǒng)有著很好的發(fā)展前景。

實際上，二氧化碳已經(jīng)被用于CO2/丙烷 和CO2/NH3級聯(lián)循環(huán)。采用超臨界CO2直接膨脹循環(huán)的熱泵熱水器在日本已商用化。三洋是商業(yè)化CO2壓縮機及其應(yīng)用熱泵熱水器的廠家之一。但是，超臨界CO2循環(huán)被應(yīng)用于冰箱或冰柜的還不多。本文主要介紹滾動轉(zhuǎn)子式雙級CO2壓縮機超臨界制冷循環(huán)系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)，并對其散熱性能和功率消耗與常規(guī)R134a的循環(huán)進(jìn)行比較。

1 二氧化碳壓縮機

1.1 跨臨界CO2循環(huán)特點及應(yīng)對方案

和傳統(tǒng)使用氫氟烴制冷劑的制冷循環(huán)相比，跨臨界CO2制冷循環(huán)壓縮機進(jìn)出口有很高的壓力差，且整個跨臨界CO2制冷循環(huán)回路中都有較高的工作壓力。因此使用普通的制冷壓縮機是不可行的?？紤]到這些因素，CO2壓縮機采取了如下措施：

第一，采用滾動轉(zhuǎn)子式雙級CO2壓縮機結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

采用Minitab 17軟件對數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析,并對表2數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合,得到多酚提取率與磷酸氫二鉀、乙醇和超聲時間的二次多項回歸模型

第二，采用內(nèi)部中壓結(jié)構(gòu)和完全密封外殼設(shè)計。

圖1 滾動轉(zhuǎn)子式雙級壓縮機結(jié)構(gòu)

1.2 雙級滾動轉(zhuǎn)子式CO2壓縮機

為應(yīng)對壓縮機進(jìn)出口的高壓力差，跨臨界CO2制冷循環(huán)壓縮機采用了雙級壓縮和中間冷卻結(jié)構(gòu)。采用此結(jié)構(gòu)有以下優(yōu)點：第一，可以降低排氣溫度，改善潤滑條件。第二，可以提高輸氣系數(shù)。采用雙級壓縮，使單級壓縮比下降，余隙容積的影響減小，從而使輸氣系數(shù)提高。第三，可以節(jié)省壓縮耗功。理論分析表明，加入中間冷卻后，比原始溫度每降低3℃，下一級的壓縮耗功約減少1%。第四，可以減少每一級的作用力。此外，壓縮機的兩個轉(zhuǎn)子相差180°安裝，可使壓縮機的轉(zhuǎn)動慣量變小、轉(zhuǎn)矩平衡，從而降低壓縮機的振動和噪音，有利于壓縮機的啟動和平穩(wěn)運轉(zhuǎn)。

1.3 內(nèi)部中壓結(jié)構(gòu)和完全密封外殼設(shè)計

1級入口吸入低壓二氧化碳，壓縮后進(jìn)入中間體壓力外殼，使得外殼填充有中間壓力。由殼體將中間壓力的CO2送入2級壓縮入口，壓縮到最終壓力并直接排出到氣體冷卻器。

內(nèi)部中間壓力的設(shè)計使該殼壁的厚度比高內(nèi)壓的結(jié)構(gòu)薄35%，降低了重量，這幾乎與以往的R410a壓縮機相同。此外，內(nèi)部中間壓力的設(shè)計使壓縮機中的運行/停止壓力差比高內(nèi)壓的設(shè)計要小，提高了抗疲勞能力和可靠性。

2 CO2跨臨界循環(huán)

二氧化碳的臨界溫度（31.1℃）通常是低于空調(diào)和熱泵系統(tǒng)中的排熱溫度的典型值，使用二氧化碳作為制冷劑的制冷系統(tǒng)必須經(jīng)過跨臨界循環(huán)，即在散熱過程中發(fā)生在臨界壓力以上，而吸熱過程發(fā)生在亞臨界條件下。因此，跨臨界循環(huán)最顯著的特點是冷凝過程在氣體冷卻器的冷卻中取代了常規(guī)亞臨界循環(huán)。在超臨界區(qū)域的散熱壓力是獨立的，且存在一個最佳的散熱（冷卻）壓力即有一個最大的COP。對于跨臨界二氧化碳系統(tǒng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)貎?yōu)化和控制，就能得到最佳高壓壓力的相關(guān)參數(shù)。

同時發(fā)現(xiàn)如果中間冷卻器使用吸氣管道熱交換器或微通道換熱器等，可以改善跨臨界CO2循環(huán)的效率。

2.1 換熱器（氣體冷卻器和蒸發(fā)器）

以前的蒸發(fā)器大多采用散熱片式和圓形管式換熱器，因為它們非常實用。而二氧化碳具有較小的壓降，除了圓形管換熱器，微通道換熱器是最可行的選擇。微通道換熱器具有增強性能的潛力，并減少了尺寸和重量。

微通道換熱器是一種借助特殊微加工技術(shù)，以固體基質(zhì)制造的可用于進(jìn)行熱傳遞的三維結(jié)構(gòu)單元。當(dāng)前關(guān)于微通道換熱器的確切定義，比較通行、直觀的分類是由Mehendale.s.s提出的按其水力當(dāng)量直徑的尺寸來劃分。通常將水力當(dāng)量直徑小于1 mm的換熱器稱為微通道換熱器。上世紀(jì)80年代，美國學(xué)者提出了一種微通道換熱結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)由高導(dǎo)熱系數(shù)的材料構(gòu)成，其換熱過程是使底面上的熱量經(jīng)過通道壁傳至通道內(nèi)，其換熱性能得到超過傳統(tǒng)換熱手段所能達(dá)到的水平，成功地解決了大規(guī)模和超大規(guī)模所帶來的“熱障”問題。用于兩種流體熱交換的微通道換熱器于1985年由Swift研制出來。研究表明，其微通道換熱器的單位體積換熱量可高達(dá)幾十Mw/(m2·K)。美國太平洋西北國家研究所于上世紀(jì)90年代后期成功研制出燃燒/氣化一體化的微型裝置以及微型熱泵等?？査刽斞芯恐行囊苍诶媒?jīng)過成型工具超精細(xì)車削加工的器件，將其彼此連接形成錯流和逆流的微換熱器。

2.2 吸氣管道熱交換器

吸氣管道熱交換器可提高制冷循環(huán)的效率。加裝與不加裝吸氣管道熱交換器冷卻效果，可通過等式（1）和（2）分別與圖2進(jìn)行比較。

式中W—壓縮機輸出功；

hi—各狀態(tài)點的焓值，i對應(yīng)圖中的各狀態(tài)點。

顯然，加裝吸氣管道后循環(huán)效率有了明顯提高。

圖2 CO2跨臨界循環(huán)過程

但是，因為循環(huán)使用了吸氣管道熱交換器，使吸入氣體的溫度過高，該排出氣體的溫度可升到150℃左右。這樣就增加了工作的不可靠性。所以實際的跨臨界CO2循環(huán)中需要通過中間冷卻器來降低排氣溫度。

2.3 中間冷卻器

利用吸氣管道熱交換器和中間冷卻器的循環(huán)過程如圖3所示，循環(huán)變?yōu)?-9-10-2-7-8-5，圖中的最后排氣溫度2點為100℃左右，排氣溫度明顯降低。排氣溫度的降低還能夠防止滑油變質(zhì)和產(chǎn)生其他氧化有機化合物，以改善制冷循環(huán)的化學(xué)穩(wěn)定性。

壓縮的過程中使用/不使用中間冷卻器可以通過等式（3）和（4）與圖3進(jìn)行比較。

式中W—壓縮機輸出功；

hi—各狀態(tài)點的焓值，i對應(yīng)圖中的各狀態(tài)點。

上式右側(cè)的第一項和第二項代表第一階段和第二階段壓縮單元的壓縮工作。在跨臨界區(qū)域，由于等溫的跨臨界熱排斥，與中間冷卻器（h2-h10）第二階段壓縮工作變得比無中間冷卻器（h6-h9）小。所以從壓縮機工作效率來看，雙級壓縮中間冷卻的工作性能比單級壓縮更好。

圖3 雙級壓縮加中間冷卻器的CO2跨臨界循環(huán)過程

中間冷卻器的尺寸較大時，可以實現(xiàn)更高的效率。然而，過多的飽和蒸氣可能使液體返回到壓縮機的第二級，這可能導(dǎo)致磨損或閥門損壞。因此，中間冷卻器的容量和位置需要仔細(xì)考慮。

2.4 節(jié)流設(shè)備

作為膨脹裝置，毛細(xì)管被廣泛使用。毛細(xì)管焊接在冷凝器輸液管與蒸發(fā)器進(jìn)口之間，起到節(jié)流降壓的作用，毛細(xì)管可以防止冷凝器中常溫高壓液態(tài)制冷劑直接進(jìn)入蒸發(fā)器，降低蒸發(fā)器內(nèi)的壓力。在壓縮機停止運轉(zhuǎn)后，能通過毛細(xì)管使低壓部分與高壓部分的壓力保持平衡，從而使壓縮機易于啟動。由于毛細(xì)管的流通截面大小不能調(diào)節(jié)，故當(dāng)工作狀況發(fā)生變化時，不能自動調(diào)整。毛細(xì)管細(xì)而長，容易引起堵塞，故要求制冷系統(tǒng)內(nèi)清潔、無雜質(zhì)。另外也可使用電子膨脹閥，電子膨脹閥適用于要求嚴(yán)格的溫度控制過程。但是，無論采用哪種形式，在選用時必須考慮對CO2循環(huán)的高壓耐久性。

3 性能分析

3.1 制冷性能

在比較R134a和跨臨界CO2兩個不同循環(huán)的制冷性能時，采取在相同的條件下分別使用R134a壓縮系統(tǒng)和跨臨界CO2壓縮系統(tǒng)進(jìn)行測試。測試結(jié)果如圖4所示?？缗R界CO2壓縮系統(tǒng)和R134a壓縮系統(tǒng)在同一機柜中完成測試，且兩個循環(huán)的工作時間幾乎完全相同，可以看出跨臨界CO2循環(huán)的制冷性能幾乎與R134a循環(huán)是相同的。

3.2 耗電性能

穩(wěn)定的條件下，比較兩種不同循環(huán)的耗電量，結(jié)果如圖5所示。通過比較發(fā)現(xiàn)CO2壓縮機的耗能比R134a壓縮機降低了20%。這不僅體現(xiàn)了CO2制冷劑的優(yōu)越性質(zhì)，更體現(xiàn)了采用中間冷卻器的滾動轉(zhuǎn)子式二級CO2壓縮機的優(yōu)越性能。

圖5 R134a與跨臨界CO2循環(huán)耗能比較

3.3 耐久性能

通過連續(xù)工作500小時以上分析發(fā)現(xiàn)，各滑動部件的磨損情況、毛細(xì)管的流阻和油的總酸值等參數(shù)都能夠獲得非常理想的結(jié)果。

4 結(jié)論

通過以上分析發(fā)現(xiàn)，采用滾動轉(zhuǎn)子式雙級CO2壓縮機、中間冷卻器和毛細(xì)管節(jié)流，可獲得高效跨臨界CO2制冷循環(huán)。在雙級壓縮中使用中間冷卻器可降低排氣溫度。作為膨脹裝置的毛細(xì)管能穩(wěn)定工作。同時還證明跨臨界CO2循環(huán)具有比R134a循環(huán)更優(yōu)異的性能。隨著科技的發(fā)展，如果能利用更先進(jìn)的技術(shù)，如微通道換熱器、其他擴展設(shè)備和循環(huán)的改進(jìn)，將有可能進(jìn)一步提高跨臨界CO2循環(huán)的效率。

[1]呂靜.二氧化碳跨臨界循環(huán)及換熱特性的研究[D].天津:天津大學(xué),2005.

[2]楊俊蘭.CO2跨臨界循環(huán)系統(tǒng)及換熱理論分析與實驗研究[D].天津:天津大學(xué),2005.

[3]李敏霞,馬一太,李麗新,等.CO2跨臨界循環(huán)制冷壓縮機的研究進(jìn)展[J].壓縮機技術(shù),2004(5):38-42.

[4]徐化冰,韓彩娟,劉孝剛.跨臨界二氧化碳循環(huán)分析[J].科技信息,2013(6):248.

［責(zé)任編輯：劉 月］

Trans-critical CO2Recycle Unit and Performance Analysis

XU Huabing
(Bohai Shipbuilding Vocational College,Xingcheng 125105,China)

CO2as refrigerant has satisfactory performance.Therefore,based on the internal structure of compressor and the influence factors of trans-critical CO2recycle,the researcher makes performance comparison between trans-critical CO2recycle and R134a recycle,obtaining the conclusion that in the two-stage compression,it can reduce the exhaust temperature to use intermediate cooler,and at the same time,the capillary as the expansion device can make the work stable.That is to say,it can make efficient trans-critical CO2refrigeration recycle to use rolling piston two-stage CO2compressor,intermediate cooler and capillary restriction.The results show that trans-critical CO2recycle has more excellent performance than R134a recycle.

trans-critical CO2recycle;refrigerant;capillary;two-stage compression

TB64

A

2095-5928（2014）06-23-05

2014-09-25

徐化冰（1971-），男，遼寧鐵嶺人，講師，碩士，研究方向：制冷與冷藏技術(shù)。