CO2是零ODP、低GWP的天然制冷劑，在冷庫制冷系統(tǒng)中應(yīng)用前景廣闊。本文針對(duì)用于低溫冷庫的兩級(jí)節(jié)流中間完全冷卻CO2跨臨界雙級(jí)壓縮制冷循環(huán)（DTCC循環(huán)）建立數(shù)學(xué)模型，通過計(jì)算不同工況，分析蒸發(fā)溫度、壓縮機(jī)等熵效率、氣冷器出口溫度、排氣壓力以及回?zé)嵫h(huán)方式對(duì)DTCC循環(huán)制冷系數(shù)的影響規(guī)律；給出DTCC循環(huán)的最優(yōu)排氣壓力和最佳中間壓力的計(jì)算式。研究表明：在蒸發(fā)溫度-30~10 ℃、氣冷器出口溫度30~45 ℃范圍內(nèi)，DTCC循環(huán)的最優(yōu)排氣壓力約比相同工況下的單級(jí)跨臨界制冷循環(huán)的最優(yōu)排氣壓力低0.3 MPa；低壓級(jí)排氣采用預(yù)冷氣冷器、在高壓級(jí)氣冷器出口設(shè)置回?zé)崞骶捎行Ц纳艱TCC循環(huán)的制冷系數(shù)。

CO2是一種綠色環(huán)保的天然制冷劑,1850 年美國科學(xué)家A. Twining最早提出將CO2用于蒸氣壓縮制冷系統(tǒng),T. Lowe 于19世紀(jì)70年代研發(fā)出用于食品冷凍運(yùn)輸船舶的CO2制冷系統(tǒng),此后因鹵代烴類制冷劑的發(fā)展,CO2逐漸被淘汰。然而,在發(fā)現(xiàn)鹵代烴對(duì)臭氧層有破壞效應(yīng)并會(huì)產(chǎn)生溫室效應(yīng)后,研究人員又重新重視對(duì)CO2制冷劑的應(yīng)用研究。由于CO2臨界溫度低,用于船舶時(shí)可利用低溫海水進(jìn)行冷凝降溫,故最早設(shè)計(jì)的CO2制冷系統(tǒng)采用的是亞臨界循環(huán)。隨著CO2跨臨界循環(huán)的提出,采用氣體冷卻器代替冷凝器, 目前被廣泛應(yīng)用于空調(diào)、熱泵、核反應(yīng)堆冷卻等領(lǐng)域

目前,應(yīng)用于低溫冷庫的CO2跨臨界循環(huán)制冷系統(tǒng)通常采用兩級(jí)節(jié)流中間完全冷卻雙級(jí)壓縮制冷循環(huán)(簡稱:DTCC循環(huán)),圖 1(a)所示為DTCC循環(huán)的工作原理。圖 1(b)所示為對(duì)應(yīng)圖1(a)的制冷循環(huán)壓焓圖。

在tgs=35℃ 、te =-15℃ 、Δtsh=0℃時(shí), ηs對(duì)DTCC循環(huán)COP的影響如圖4所示。由圖4可知,ηs直接影響壓縮機(jī)的輸入功率,對(duì)循環(huán)COP影響顯著, 但對(duì)pdopt,D的影響較小, pdopt,D僅隨ηs的降低略有降低

                                                                                                              在te=-15℃ 、Δtsh=0℃時(shí),tgs和pd對(duì)單級(jí)與DTCC循環(huán) COP的影響如圖6所示。由圖6可知, DTCC循環(huán)在不同tgs下的COP均高于單級(jí)循環(huán),但隨著tgs的升高,DTCC循環(huán)與單級(jí)循環(huán)的COP差值變小。    

以 te=-10℃ 、tgs=35℃為例,通過改變?chǔ)sh來分析兩種回?zé)岱绞綄?duì)DTCC循環(huán)的COP和pdopt,D的影響,結(jié)果如圖8所示。由圖8可知,在計(jì)算值范圍內(nèi),當(dāng) pd<8.0MPa 時(shí),兩種回?zé)嵫h(huán)的COP相差很小;但當(dāng)pd>8.0MPa 時(shí),隨著Δtsh的增大,兩種回?zé)嵫h(huán)的COP相對(duì)于無回?zé)嵫h(huán)時(shí)均得到改善,但高溫回?zé)嵫h(huán)的改善程度更大;同時(shí)還可知,兩種回?zé)嵫h(huán)的pdopt,D幾乎相等,而與回?zé)嵫h(huán)的Δtsh相關(guān)性極小。

結(jié)論

CO2是環(huán)保型天然制冷劑,其兩級(jí)節(jié)流中間完全冷卻跨臨界雙級(jí)壓縮制冷循環(huán)(DTCC循環(huán))在低溫冷庫中得到了應(yīng)用。為研究其循環(huán)特性,本文建立了數(shù)學(xué)模型,通過模擬不同工況條件,分析循環(huán)各主要狀態(tài)參數(shù)、回?zé)岱绞揭约暗蛪杭?jí)氣冷器對(duì)COP的影響,得到如下結(jié)論: 

1)DTCC循環(huán)的最優(yōu)排氣壓力主要取決于氣冷器出口溫度,而與壓縮機(jī)效率、蒸發(fā)溫度、是否回?zé)岬年P(guān)系較小,據(jù)此給出了DTCC循環(huán)的最優(yōu)排氣壓力的計(jì)算式;分析表明,在蒸發(fā)溫度為-30~10℃ 、氣冷器出口溫度在 31.1~45℃范圍內(nèi),DTCC循環(huán)的最優(yōu)排氣壓力約比相同工況下的單級(jí)跨臨界制冷循環(huán)最優(yōu)排氣壓力低0.3MPa。

2)在相同氣冷器出口溫度條件下,低壓級(jí)吸氣與閃蒸罐出口液體換熱的中溫回?zé)酓TCC循環(huán)和低壓級(jí)吸氣與高壓級(jí)氣冷器出口流體換熱的高溫回?zé)酓TCC循環(huán)的最優(yōu)排氣壓力相同,但后者的COP優(yōu)于前者。

3)采用低壓級(jí)氣冷器作為低壓級(jí)壓縮機(jī)排氣的預(yù)冷器,能夠有效提升 DTCC循環(huán)的COP,并給出了采用低壓級(jí)氣冷器的DTCC循環(huán)的最優(yōu)中間壓力隨蒸發(fā)壓力和排氣壓力的分段函數(shù)表達(dá)式。