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

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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 Analysis

Abstract:CO 2as refrigerant has satisfactory performance.Therefore,based on the internal structure of

compressor and the influence factors of trans-critical CO 2recycle,the researcher makes performance comparison

between 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 compression

XU 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

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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

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