CO2跨临界制冷循环理论分析
张雪东
（华北电力大学，河北保定071003）
吸然过程分别进行了分析，为CO跨临界制冷系统的研完提供了理论参考. 摘要：以热力学理论为基础，对CO跨临界制冷循环的压缩过程、放热过程、膨胀过程和
关键词：CO.跨临界循环；压缩机；放热；膨肤；吸热
中图分类号：TV83.4文献标志码：B文章编号：1009-3230（2010）11-0050-04
Theoretical Analysis on CO Transcritical Cycle
ZHANC Xue-deog(North China Electric Power University Baoding 071003 China)
process and heat absorbing process of CO tnscritical cycle are respectively analyzed. Thus the Abstract : Based on the themmodynamics the pression process heat rejection peocess expansionpaer provides theticl feee for study of CO ranscitical cycle sstem.
Key words; CO transcritical cycle; Coempresscr; Heat rejeetion; Expansion; Hest absorbing
和吸热过程对CO跨临界制冷循环进行了理论分析.
0前盲
由于制冷工质氯氟经CFCs已被禁用，因此的战略基点.在CFC春代物问题上，存在的一种观点是采用生物圈中固有的而对环境不起破坏 作用的物质作为制冷剂，即所调的天然制冷剂.出口压力高达8.0~11.0MPs，是传统工质工作在-50-10℃的制冷范围内，这类制冷剂有氨、丙烷（及其与其它烃类的混合物）和二氧化碳.
寻求合适的CFCs替代物，并研究相应的制冷循1CO跨临界制冷循环
环技术，已成为世界各国制冷业界争夺未来市场1.1C0，压缩机工作特点
目前开发的CO，压缩机样机测试数据显示，相区城存在，压力与温度为相互独立的变量.
其压缩机的吸人口压力已达3.5~4.0MPs，而其压力的5-10倍.图1为C0理论循环过程的T-S图，从图中可知，在超临界压力区并无双
微了大量的研究与开发工作，商品化的制冷设备 关于将氨和经类作为制冷剂的制冷系统，已也很多.用CO，作为制冷剂的制冷系统，挥或工学院的PeeenJ和LorentenG.已在以跨临样机试验结果表明，其实际的性能系数COP与以 界循环方式工作的汽车空调器专利技术中提出.CFC12和HFC134a为制冷剂的空调器的C0P相系统相当.文中从压缩过程、放热过程、胀过程 当，甚至略高，而系统的体积、重量基本与CFCI2
在跨临界循环中，虽然CO压缩机的工作压力高于一般工质的工作压力，但前者的压缩比为2.7-3，低于一般工质压缩的压缩比.由于CO到所需压力，因此对于适合大压力比的压缩机需 压缩比小，在相同的压缩腔内，比普通工质提前达重新考虑结构设计，如吸持气阀的设计，并由此带来的余踪容积的影确.都威所提出的一篇针对汽 车用涡旋式压缩机研究论文指出，与R134a压缩机比较，在相同的转速与容积效率下，CO，涡旋式压缩机的压缩内容积仅约为R134a的25%，压缩 机的大小可以减少许多，CO，压缩机的效率可提高.CO压缩机的进排气压力差为5-8MPs，在
区S型等温线的分布明显看出.这表明制冷量随高压压力增加上升的幅度有所减小，面压缩功的 增加几乎按原比例上升.因此，随着高压压力的变化，COP必然存在最大值，此时所对应的高压压力称为最优高压压力.
此大压差下运行，就要求压缩机适应这种环境.由于压力高产生的问题，如零件的变形，以及小压 比在压缩腔设计和压缩机尺寸确定的影响.CO的比容小，因此吸气量大，余原容积小，压缩机的尺寸可大大减小.
跨临界循环系统的性能起着很重要的作用.一是 文献[3，4]表明，气体冷却器对于提高C0对系统制冷量的影响，可通过降低气体冷却器出过降低最优高压侧压力来减少压缩机的耗功.系 口温度来使系统的制冷量达到最大：二是可以通统的COP对气体冷却器的出口湿度非常敏感.在实际循环中，气体冷却器的出口温度随不同的冷却介质的入口温度比较接近，这样将对其换热 操作条件面变化，但是可以通过优化设计使之与性能有很大提高.
图100理论降物界环过程的T-5图
随着CO跨临界循环研究的深人，压缩机的安全可靠性以及性能价格比的优化是CO，循环压缩机推广应用的关键问题之一.各大研究机构 和制冷设备公司开发了多种形式的压缩机.由于CO在汽车空调上应用的环境优势，CO汽车空调压缩机也被各制冷机构和汽车公司研究开发.
1.3CO 跨胀过程
1.3.1CO跨临界循环系统简介
带膨胀机的二氧化碳跨临界制冷系统流程图和循环的温-煸图分别见图3和图4.
1.2C0 旅热过程
图2给出了CO，跨临界循环的压-燃图.
图2CO府界理型泌环系统P图
从图2可以看出，CO跨临界循环与常规制冷循环的最大区别：该循环的放热过程处于超临 界区，面常规制冷循环的放热过程在亚临界区.由于放热过程无相变发生，此过程的换热器不再称为冷凝器，面叫做气体冷却器.在超临界压力 区，压力和温度是两个独立的变量，它们同时决定着流体的增值.随着高压衡压力的升高，等温线变得陡销起来，这种变化趋势可从图2中超临界
图3警胀机的C0畸临界循环系统流程图
影账过程.从气体冷却器出来的CO，超临界流 图4中3-4为等给节流过程，3-5为等体，降压转变为饱和液体，再逐渐气化进人两相区.选用蒸发温度为5℃，压缩机出口温度为76.5°℃（此时的当量冷凝温度为55℃）的二氧化 碳热泵循环典型工况作为研究膨账过程的基准，理论循环各点的热力学状态参数如表1所示.
二氧化碳热紧指环典型工况各状态点的热力学参效
秋态点 1 5.000 3 967.633 PP W/(Jkg-) 315.710 （--P） 1.154 543 0.008 7712 3 76.500 40.930 10 0.69 798 10 069.798 351.514 L990 0.711 669 1.154 543 0.004 269 0.001 6354 5 5.000 5 000 3 967.633 3967.633 206.673 192.519 0.762 554 0.711 669 0.004 905 0.006 403
万方数据
图5过程的T一图
图4脂涨机的CO两临界缓环程-情图
从图5还可以看出，CO，的膨账功由两部分组成：一部分是超临界流体转变为饱和液体过程 中输出轴功（3'-6'）.该过程没有相变，可称其为液体功：另一部分在膨胀过程中出现相变，由气液两相流体的容积账输出轴功（6'-5'）.该过程有气泡产生，可称为相变功.两部分的比例是随 着气体冷却器出口流体的状态变化面变化的.
1.3.2C0胀过程的特点
00.系统的影账过程与通常的高压气体的账作功是不同的.高压气体的膨账是自发过程， 主要靠气体的体积膨胀输出轴功.面在CO，的影张过程中出现气液相变，但体积变化不大，主要靠压力势能和气液相变提供输出功.这一过程也是自发过程，并伴有压力波的传递.由于气化核 心的产生和气泡的生长有一时间上的滞后，膨胀过程中将出现”过热液体”的亚稳定现象.当有一定的过热度后，才有产生足够多的气化核心的推动力，并可能产生爆炸式闪蒸.实际过程中应 尽量避免这种情况，以减少气化滞后时间，使CO，液体在影张机内瞬时气化，免过热液体在膨胀机内部沸腾延返，导致在胀机出口成蒸发器中输出. 出现气化，这将造成影胀机效率下降甚至无轴功
1.4C0吸热过程
从图中可以看出，其蒸发吸热过程与传统蒸汽压 图6为CO，跨临界循环带膨胀机t-s图.缩式制冷循环一样，处于两相区，蒸发温度低于临界温度，换热过程主要依靠潜热来完成，如图中1工作压力处于2.0~6.0MPa（饱和温度在-20- -2-3-4-1所示.但是典型的C0蒸发器的20°℃），该压力是传统制冷剂压力的10倍左右，的不同”. 因此CO的蒸发流动特性与传统制冷剂有很大
从二氧化碳膨胀过程所经历的热力学状态可以进一步分析膨胀功的实质.图5描述了不同的 胀机人口状态（即气体冷却器出口状态）的影胀过程的湿煸图，过程3一5为膨胀机内部的等膨胀过程.根据热力学第一定律，当认为膨胀过程为绝热过程时，单位质量的工质输出的轴功等 于3点和5点的比给差△h，其中包括比热力学能差△和比流动功差△（p）.由稳定流动过程的能量方程可知，在膨胀过程中用于转换为机械能 的热力学能是先通过容积胀面以容积变化功的形式转换为机械能的.因此，在认为膨胀过程为绝热的条件下，容积变化功pdr即为比热力学能差△U，面膨胀机输出的轴功为该容积变化功pd与净流动功之差，即技术功odp，也可以表示为比焙差h.
图600跨临界首环带影涨机：-*图
CO.特殊的热物性，使得其蒸发换热和两相流特点有别于传统制冷剂.表2列出了在不同蒸发温度下，CO，与其他制冷剂的参数比较.主力，而高压和低表面张力对沸腾换热特点有很大 要表现为：（1）较高的饱和压力，较低的表面张的影响：（2）并且它的蒸气密度比传统制冷剂较高，饱和液体和饱和气体的密度比率远低于传统制冷剂，更有利于两相流介质在蒸发器中均匀分
万方数据
布：（3）CO，的饱和液体黏度相对较小，比热较制冷刻的充注量；（4）从表中还可以看出，CO的 高，这样可减少制冷剂在系统中的流动阻力以及
少传热面积，使系统更加紧凑.总之，由于CO 导热系数也很大，这可提高蒸发器的传热系数，减独特的热物性，使其蒸发换热性能也很特别.
表2
不同票发温度下，00与其性制冲剂的参数比较
制冷剂 co R22 RI344(R744)相对分子质量 临界温度/C 44.01 30.98 86.48 96.02 101 102非界压力/NP 7.377 4.976 4.059和湿度/C -10 10 -10 0 10 -10 0 10信和压力/MP 2.649 3.485 4 502 0.354 0.4972 0.6803 0.2007 0.293 0.4148表到张力/（10²） 6.151 4.45 2.7 13.27 11.74 10.25 13.03 11.57 10.15恒和液体密度/（kg=-) 饱和气体密度/（kg=） 71.18 982.9 97.65 927.4 135.2 861.1 1318 15.3 21.21 1285 28.8 1250 10.1 1327 14.53 1295 20.37 1261智度比率（孩/） E.948 9.498 6.371 86.15 60.58 43.41 131.4 89.17 61.92饱和气体度/（10*kgm. -) 13.13 14.74 16.0 11.58 12.07 12.58 10.5 10.96 11.42饱和硬体能度/（10g=--） 123.8 104.5 86.42 205.6 190.4 181.0 971.1 300.6 294.2和气体比热/（bg-k-1） 1.49 1.825 2.457 0.685 0.723 0.766 0.857 0.903 0.955您和体比路/（lgk"） 信和气导热系数/（kwm-1--1) 2.306 17.32 20539 19.66 2.986 22.89 1.133 9.153 9.895 1.16 10.68 1.87 1.268 11.12 1.308 12.11 1.346 13.09饱和液导热系数/（1Wm--） 123.7 111.5 98.72 105.0 100.1 95.15 104.1 99.42 94.78热/（kg-) 258.6 230.9 197.1 213.1 205.4 197.0 204.6 197.4 189.6
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2结语
由于CFCs类制冷剂对臭氧层的破坏作用，自然制冷工质CO，受到越来越多的关注.通过对CO跨临界制冷循环的压缩过程、放热过程、膨胀过程和吸热过程的热力学分析，以CO，作为制冷 剂的制冷、空调、热泵系统的应用与研究提供了理论参考.
参考文款
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