跨臨界二氧化碳循環設備及性能分析

徐化冰

（渤海船舶職業學院，遼寧興城125105）

跨臨界二氧化碳循環設備及性能分析

徐化冰

（渤海船舶職業學院，遼寧興城125105）

CO2作為制冷劑具有良好的特性。基于此，在掌握壓縮機內部結構及跨臨界CO2循環影響因素的基礎上，將跨臨界CO2循環與R134a循環進行性能比較，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管能使工作穩定，即采用滾動轉子式二級CO2壓縮機、中間冷卻器和毛細管節流，可獲得高效跨臨界CO2制冷循環。結果表明，跨臨界CO2循環具有比R134a循環更優異的性能。

CO2跨臨界循環；制冷劑；毛細管；雙級壓縮

0 引言

利用二氧化碳作為制冷劑，可在許多應用中提供一個完全安全的、經濟的、成本低的且有效的“自然”解決方案。CO2作為低溫制冷循環工質有很多優勢，如設備和管路尺寸較小、換熱效率高和沒有腐蝕、蒸發溫度可達到-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回收的廢氣中提取，其ODP值為零，CO2作為環保型替代工質，用于低溫制冷循環系統有著很好的發展前景。

實際上，二氧化碳已經被用于CO2/丙烷 和CO2/NH3級聯循環。采用超臨界CO2直接膨脹循環的熱泵熱水器在日本已商用化。三洋是商業化CO2壓縮機及其應用熱泵熱水器的廠家之一。但是，超臨界CO2循環被應用于冰箱或冰柜的還不多。本文主要介紹滾動轉子式雙級CO2壓縮機超臨界制冷循環系統的組成結構，并對其散熱性能和功率消耗與常規R134a的循環進行比較。

1 二氧化碳壓縮機

1.1 跨臨界CO2循環特點及應對方案

和傳統使用氫氟烴制冷劑的制冷循環相比，跨臨界CO2制冷循環壓縮機進出口有很高的壓力差，且整個跨臨界CO2制冷循環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。考慮到這些因素，CO2壓縮機采取了如下措施：

第一，采用滾動轉子式雙級CO2壓縮機結構，如圖1所示。

采用Minitab 17軟件對數據統計分析,并對表2數據進行多元回歸擬合,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，采用內部中壓結構和完全密封外殼設計。

圖1 滾動轉子式雙級壓縮機結構

1.2 雙級滾動轉子式CO2壓縮機

為應對壓縮機進出口的高壓力差，跨臨界CO2制冷循環壓縮機采用了雙級壓縮和中間冷卻結構。采用此結構有以下優點：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。采用雙級壓縮，使單級壓縮比下降，余隙容積的影響減小，從而使輸氣系數提高。第三，可以節省壓縮耗功。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，壓縮機的兩個轉子相差180°安裝，可使壓縮機的轉動慣量變小、轉矩平衡，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運轉。

1.3 內部中壓結構和完全密封外殼設計

1級入口吸入低壓二氧化碳，壓縮后進入中間體壓力外殼，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。

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

2 CO2跨臨界循環

二氧化碳的臨界溫度（31.1℃）通常是低于空調和熱泵系統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必須經過跨臨界循環，即在散熱過程中發生在臨界壓力以上，而吸熱過程發生在亞臨界條件下。因此，跨臨界循環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亞臨界循環。在超臨界區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進行適當地優化和控制，就能得到最佳高壓壓力的相關參數。

同時發現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循環的效率。

2.1 換熱器（氣體冷卻器和蒸發器）

以前的蒸發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，以固體基質制造的可用于進行熱傳遞的三維結構單元。當前關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提出的按其水力當量直徑的尺寸來劃分。通常將水力當量直徑小于1 mm的換熱器稱為微通道換熱器。上世紀80年代，美國學者提出了一種微通道換熱結構。該結構由高導熱系數的材料構成，其換熱過程是使底面上的熱量經過通道壁傳至通道內，其換熱性能得到超過傳統換熱手段所能達到的水平，成功地解決了大規模和超大規模所帶來的“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幾十Mw/(m2·K)。美國太平洋西北國家研究所于上世紀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。卡爾斯魯研究中心也在利用經過成型工具超精細車削加工的器件，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進行比較。

式中W—壓縮機輸出功；

hi—各狀態點的焓值，i對應圖中的各狀態點。

顯然，加裝吸氣管道后循環效率有了明顯提高。

圖2 CO2跨臨界循環過程

但是，因為循環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過程如圖3所示，循環變為5-9-10-2-7-8-5，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和產生其他氧化有機化合物，以改善制冷循環的化學穩定性。

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進行比較。

式中W—壓縮機輸出功；

hi—各狀態點的焓值，i對應圖中的各狀態點。

上式右側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跨臨界循環過程

中間冷卻器的尺寸較大時，可以實現更高的效率。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考慮。

2.4 節流設備

作為膨脹裝置，毛細管被廣泛使用。毛細管焊接在冷凝器輸液管與蒸發器進口之間，起到節流降壓的作用，毛細管可以防止冷凝器中常溫高壓液態制冷劑直接進入蒸發器，降低蒸發器內的壓力。在壓縮機停止運轉后，能通過毛細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。由于毛細管的流通截面大小不能調節，故當工作狀況發生變化時，不能自動調整。毛細管細而長，容易引起堵塞，故要求制冷系統內清潔、無雜質。另外也可使用電子膨脹閥，電子膨脹閥適用于要求嚴格的溫度控制過程。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CO2兩個不同循環的制冷性能時，采取在相同的條件下分別使用R134a壓縮系統和跨臨界CO2壓縮系統進行測試。測試結果如圖4所示。跨臨界CO2壓縮系統和R134a壓縮系統在同一機柜中完成測試，且兩個循環的工作時間幾乎完全相同，可以看出跨臨界CO2循環的制冷性能幾乎與R134a循環是相同的。

3.2 耗電性能

穩定的條件下，比較兩種不同循環的耗電量，結果如圖5所示。通過比較發現CO2壓縮機的耗能比R134a壓縮機降低了20%。這不僅體現了CO2制冷劑的優越性質，更體現了采用中間冷卻器的滾動轉子式二級CO2壓縮機的優越性能。

圖5 R134a與跨臨界CO2循環耗能比較

3.3 耐久性能

通過連續工作500小時以上分析發現，各滑動部件的磨損情況、毛細管的流阻和油的總酸值等參數都能夠獲得非常理想的結果。

4 結論

通過以上分析發現，采用滾動轉子式雙級CO2壓縮機、中間冷卻器和毛細管節流，可獲得高效跨臨界CO2制冷循環。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管能穩定工作。同時還證明跨臨界CO2循環具有比R134a循環更優異的性能。隨著科技的發展，如果能利用更先進的技術，如微通道換熱器、其他擴展設備和循環的改進，將有可能進一步提高跨臨界CO2循環的效率。

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

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

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

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

［責任編輯：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。