跨临界二氧化碳循环设备及性能分析_徐化冰

2014年11月CBZYJY 第2卷第6期23船舶职业教育（渤海船舶职业学院，辽宁兴城125105）跨临界二氧化碳循环设备及性能分析摘要：CO 2作为制冷剂具有良好的特性。

基于此，在掌握压缩机内部结构及跨临界CO 2循环影响因素的基础上，将跨临界CO 2循环与R134a 循环进行性能比较，得出在双级压缩中使用中间冷却器可降低排气温度，同时作为膨胀装置的毛细管能使工作稳定，即采用滚动转子式二级CO 2压缩机、中间冷却器和毛细管节流，可获得高效跨临界CO 2制冷循环。

结果表明，跨临界CO 2循环具有比R134a 循环更优异的性能。

关键词：CO 2跨临界循环；制冷剂；毛细管；双级压缩中图分类号：TB64文献标识码：A文章编号：2095-5928（2014）06-23-05收稿日期：2014-09-25作者简介：徐化冰（1971-），男，辽宁铁岭人，讲师，硕士，研究方向：制冷与冷藏技术。

徐化冰Trans-critical CO 2Recycle Unit and Performance AnalysisAbstract:CO 2as refrigerant has satisfactory performance.Therefore,based on the internal structure ofcompressor and the influence factors of trans-critical CO 2recycle,the researcher makes performance comparisonbetween trans -critical CO 2recycle 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 CO 2refrigeration recycle to use rolling piston two -stage CO 2compressor,intermediate cooler and capillary restriction.The results show that trans -critical CO 2recycle has more excellent performance than R134a recycle.Key words:trans-critical CO 2recycle;refrigerant;capillary;two-stage compressionXU Huabing(Bohai Shipbuilding Vocational College,Xingcheng 125105,China)0引言近年来，由于全球环境问题，对自然工作流体的使用正变得越来越重视。

跨临界CO 2循环被认为是最具影响力的。

作为制冷剂的CO 2具有非常好的特性，如非消耗臭氧潜能值、可以忽略不计的GWP （一种物质产生温室效应的一个指数）、不可燃性和非毒性等。

尽管有工作压力高的缺点，但近年来还是有很多学者对此进行了深入研究。

利用二氧化碳作为制冷剂，可在许多应用中提供一个完全安全的、经济的、成本低的且有效的“自然”解决方案。

CO 2作为低温制冷循技术研究与应用CBZYJY2014年11月第2卷第6期24环工质有很多优势，如设备和管路尺寸较小、换热效率高和没有腐蚀、蒸发温度可达到-40～-50℃的低温、低温时CO 2的粘度也非常小且传热性能良好。

同时二氧化碳可以从工业回收的废气中提取，其ODP 值为零，CO 2作为环保型替代工质，用于低温制冷循环系统有着很好的发展前景。

实际上，二氧化碳已经被用于CO 2/丙烷和CO 2/NH 3级联循环。

采用超临界CO 2直接膨胀循环的热泵热水器在日本已商用化。

三洋是商业化CO 2压缩机及其应用热泵热水器的厂家之一。

但是，超临界CO 2循环被应用于冰箱或冰柜的还不多。

本文主要介绍滚动转子式双级CO 2压缩机超临界制冷循环系统的组成结构，并对其散热性能和功率消耗与常规R134a 的循环进行比较。

1二氧化碳压缩机1.1跨临界CO 2循环特点及应对方案和传统使用氢氟烃制冷剂的制冷循环相比，跨临界CO 2制冷循环压缩机进出口有很高的压力差，且整个跨临界CO 2制冷循环回路中都有较高的工作压力。

因此使用普通的制冷压缩机是不可行的。

考虑到这些因素，CO 2压缩机采取了如下措施：第一，采用滚动转子式双级CO 2压缩机结构，如图1所示。

第二，采用内部中压结构和完全密封外壳设计。

1.2双级滚动转子式CO 2压缩机为应对压缩机进出口的高压力差，跨临界CO 2制冷循环压缩机采用了双级压缩和中间冷却结构。

采用此结构有以下优点：第一，可以降低排气温度，改善润滑条件。

第二，可以提高输气系数。

采用双级压缩，使单级压缩比下降，余隙容积的影响减小，从而使输气系数提高。

第三，可以节省压缩耗功。

理论分析表明，加入中间冷却后，比原始温度每降低3℃，下一级的压缩耗功约减少1%。

第四，可以减少每一级的作用力。

此外，压缩机的两个转子相差180°安装，可使压缩机的转动惯量变小、转矩平衡，从而降低压缩机的振动和噪音，有利于压缩机的启动和平稳运转。

1.3内部中压结构和完全密封外壳设计1级入口吸入低压二氧化碳，压缩后进入中间体压力外壳，使得外壳填充有中间压力。

由壳体将中间压力的CO 2送入2级压缩入口，压缩到最终压力并直接排出到气体冷却器。

内部中间压力的设计使该壳壁的厚度比高内压的结构薄35％，降低了重量，这几乎与以往的R410a 压缩机相同。

此外，内部中间压力的设计使压缩机中的运行/停止压力差比高内压的设计要小，提高了抗疲劳能力和可靠性。

2CO 2跨临界循环二氧化碳的临界温度（31.1℃）通常是低于空调和热泵系统中的排热温度的典型值，使用二氧化碳作为制冷剂的制冷系统必须经过跨临界循环，即在散热过程中发生在临界压力以上，而吸热过程发生在亚临界条件下。

因此，跨临界循环最显著的特点是冷凝过程在气体冷却器的冷却中取代了常规亚临界循环。

在超临界区域的散热压力是独立的，且存在一个最佳的散热（冷却）压力即有一个最大的COP 。

对于跨临界二氧化碳系统进行适当地优化和控制，就能得到最佳高压压力的相关参数。

图1滚动转子式双级压缩机结构技术研究与应用船舶职业教育2014年11月CBZYJY 第2卷第6期25同时发现如果中间冷却器使用吸气管道热交换器或微通道换热器等，可以改善跨临界CO 2循环的效率。

2.1换热器（气体冷却器和蒸发器）以前的蒸发器大多采用散热片式和圆形管式换热器，因为它们非常实用。

而二氧化碳具有较小的压降，除了圆形管换热器，微通道换热器是最可行的选择。

微通道换热器具有增强性能的潜力，并减少了尺寸和重量。

微通道换热器是一种借助特殊微加工技术，以固体基质制造的可用于进行热传递的三维结构单元。

当前关于微通道换热器的确切定义，比较通行、直观的分类是由Mehendale.s.s 提出的按其水力当量直径的尺寸来划分。

通常将水力当量直径小于1mm 的换热器称为微通道换热器。

上世纪80年代，美国学者提出了一种微通道换热结构。

该结构由高导热系数的材料构成，其换热过程是使底面上的热量经过通道壁传至通道内，其换热性能得到超过传统换热手段所能达到的水平，成功地解决了大规模和超大规模所带来的“热障”问题。

用于两种流体热交换的微通道换热器于1985年由Swift 研制出来。

研究表明，其微通道换热器的单位体积换热量可高达几十Mw/(m 2·K)。

美国太平洋西北国家研究所于上世纪90年代后期成功研制出燃烧/气化一体化的微型装置以及微型热泵等。

卡尔斯鲁研究中心也在利用经过成型工具超精细车削加工的器件，将其彼此连接形成错流和逆流的微换热器。

2.2吸气管道热交换器吸气管道热交换器可提高制冷循环的效率。

加装与不加装吸气管道热交换器冷却效果，可通过等式（1）和（2）分别与图2进行比较。

W 1=（h 1-h 8）=（h 1-h 4）+（h 4-h 8）（1）W 2=（h 1-h 4）（2）式中W —压缩机输出功；h i —各状态点的焓值，i 对应图中的各状态点。

显然，加装吸气管道后循环效率有了明显提高。

图2CO 2跨临界循环过程但是，因为循环使用了吸气管道热交换器，使吸入气体的温度过高，该排出气体的温度可升到150℃左右。

这样就增加了工作的不可靠性。

所以实际的跨临界CO 2循环中需要通过中间冷却器来降低排气温度。

2.3中间冷却器利用吸气管道热交换器和中间冷却器的循环过程如图3所示，循环变为5-9-10-2-7-8-5，图中的最后排气温度2点为100℃左右，排气温度明显降低。

排气温度的降低还能够防止滑油变质和产生其他氧化有机化合物，以改善制冷循环的化学稳定性。

压缩的过程中使用/不使用中间冷却器可以通过等式（3）和（4）与图3进行比较。

W 3=（h 9-h 5）+（h 2-h 10）（3）W 4=（h 6-h 5）=（h 9-h 5）+（h 6-h 9）（4）式中W —压缩机输出功；h i —各状态点的焓值，i 对应图中的各状态点。

上式右侧的第一项和第二项代表第一阶段和第二阶段压缩单元的压缩工作。

在跨临界区域，由于等温的跨临界热排斥，与中间冷却器技术研究与应用CBZYJY2014年11月第2卷第6期26图3双级压缩加中间冷却器的CO 2跨临界循环过程（h 2-h 10）第二阶段压缩工作变得比无中间冷却器（h 6-h 9）小。

所以从压缩机工作效率来看，双级压缩中间冷却的工作性能比单级压缩更好。

中间冷却器的尺寸较大时，可以实现更高的效率。

然而，过多的饱和蒸气可能使液体返回到压缩机的第二级，这可能导致磨损或阀门损坏。

因此，中间冷却器的容量和位置需要仔细考虑。

2.4节流设备作为膨胀装置，毛细管被广泛使用。

毛细管焊接在冷凝器输液管与蒸发器进口之间，起到节流降压的作用，毛细管可以防止冷凝器中常温高压液态制冷剂直接进入蒸发器，降低蒸发器内的压力。

在压缩机停止运转后，能通过毛细管使低压部分与高压部分的压力保持平衡，从而使压缩机易于启动。

由于毛细管的流通截面大小不能调节，故当工作状况发生变化时，不能自动调整。