綠色環保工質CO2用于LNG預冷段的循環性能

吳宇超 曹建明

摘 要：文章對跨臨界CO₂預冷LNG制冷循環進行了熱力學理論研究和數值模擬分析，并采用加回熱器和膨脹機的跨臨界CO₂預冷LNG單級壓縮循環分析了CO₂用于制冷循環的實際意義。數值研究結果表明：整個循環過程存在最適宜的高壓壓力，使得循環系統的制冷系數達到最大;帶回熱器的制冷循環系統中回熱器所交換的換熱量是影響COP 的一個重要因素。同時通過對CO₂制冷循環系統的不斷優化提高了COP。

關鍵詞：跨臨界CO₂循環;LNG;COP

中圖分類號：U463.6 ?文獻標識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）09-209-03

The?recycling?performance?of?green?working?medium?CO₂?in?thepre-cooling?stage?of?LNG

Wu Yuchao，?Cao Jianming

（?Xi'an Chang'an University， Shaanxi Xi'an 710054?）

Abstract：?In this paper， the thermodynamic theory and numerical simulation of Transcritical CO₂?precooled LNG refrigera?-tion cycle are studied， and the practical significance of CO₂?used in the refrigeration cycle is analyzed by using the single-?stage compression cycle of Transcritical CO₂?precooled LNG with regenerator and expander.?The numerical results show that there is the most suitable high pressure in the whole cycle process， which makes the refrigeration coefficient of the cycle system reach the maximum; the heat exchange of the regenerator in the refrigeration cycle system with heat exchanger is an important factor affecting cop. At the same time， cop is improved by continuous optimization of CO₂?refrigeration cycle system.

Keywords：?Transcritical?CO₂?cycle;?LNG;?The?COP

CLC NO.：?U463.6 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）09-209-03

1?引言

自前國際制冷學會主席提出采用CO₂作為環保制冷劑及跨臨界循環理論以來^[1]，CO₂在環保和制冷上的優勢越來越多地被大家所熟知，也吸引了越來越多的科學家投入研究行列之中。CO₂用于制冷循環應用的設備和理論也不斷在發展，目前CO₂制冷主要應用在汽車空調系統、船艙空調系統、高溫熱泵熱水、以及復疊式制冷系統中。

通過改善CO₂跨臨界循環方式，進一步增添相關配套設備，把方式和設備配合到極致，有效地減少節流損失、散熱損失等各種可以規避的損失，提高制冷效率，CO₂跨臨界制冷必定會更有市場。

1?跨臨界CO2預冷LNG基本流程模擬分析

原始數據：設定天然氣從蒸發器出口溫度為﹣40℃，制冷劑CO₂從蒸發器進口溫度為﹣43℃，由于氣體冷卻器中的傳熱工質是冷卻水，所以設制冷劑CO₂從氣體冷卻器的出口溫度為31℃。

制冷循環過程：跨臨界CO₂單級壓縮制冷系統由蒸發器、壓縮機、冷卻器和節流閥等四部分組成，可分為4個基本過程：（1）蒸發過程;（2）壓縮過程;（3）冷卻過程;（4）節流過程。

（1）蒸發過程：既包含氣體也包含液體的CO₂經節流閥流入蒸發器后，因為經過節流閥，壓力降低，所以CO₂開始沸騰汽化，其汽化也稱蒸發溫度與此時此刻的壓力密切相關。未飽和的CO₂在汽化階段中，吸收蒸發器中其他介質（此處為LNG）的熱量，LNG由于CO₂不斷吸收熱量而溫度慢慢下降，實現了制冷的目的。液體的汽化過程是一個漸變過程，最終所以的液體變成干飽和蒸汽，繼而流入壓縮機的吸氣口。在蒸發器中CO₂的變化是等壓過程。

（2）壓縮過程：從蒸發器出來的CO₂干飽和蒸汽不斷的被壓縮機吸入，此時CO₂壓力、溫度不斷升高直至超過其自身的臨界壓力和臨界溫度，狀態也由亞臨界狀態變成跨臨界狀態。在壓縮機中CO₂的變化是等熵過程。

（3）冷卻過程：從制冷壓縮機出口排出的CO₂（跨臨界狀態）在氣體冷卻器中冷凝并不斷放出熱量，把熱量傳給它旁邊的冷卻水，從而使CO₂（跨臨界狀態）逐漸冷卻，在冷卻器中CO₂的狀態變化是等壓過程。

（4）節流過程：從冷卻器中出來的CO₂經過節流閥后壓力、溫度不斷降低，此時壓力和溫度已低于自身的臨界壓力和臨界溫度。在節流閥中CO₂的變化是等焓過程。

1.1?跨臨界CO₂單級壓縮膨脹機循環

由于節流閥有節流損失且這部分損失較大不可逆，所以在跨臨界CO₂單級壓縮制冷循環的基礎上把節流閥換成了膨脹機，其它部分不變，基本循環過程也不變。唯一的變化過程就是節流過程中CO₂狀態的變化由等焓變成了等熵過程，實際制冷的凈功為壓縮機和膨脹機做功的代數和，相當于減小了功耗。

循環流程中各狀態點熱力性質參數：

1-2為壓縮機中的等熵過程S₁=S₂

3-4為膨脹機中的等熵過程S₃=S₄

4-1為蒸發器中的等壓過程P₁=?P₄

2-3為氣體冷卻器中的等壓過程P₂=?P₃

改變增壓壓力：

1.2?壓力的影響

從數據計算可以發現，當CO₂從冷卻器出口溫度和CO₂從蒸發器進口溫度不變時，制冷系數的大小隨增壓壓力先逐漸增大當增大到最大值后又開始下降，即對應一個最佳壓力，此處最佳壓力為8300Kpa。

2?帶回熱器的跨臨界CO₂單級壓縮膨脹機循環

在帶回熱器的跨臨界CO₂單級壓縮循環基礎之上把節流閥換成了膨脹機，相當于前述不帶回熱器的跨臨界CO₂單級壓縮基本循環用膨脹機代替節流閥，主要是彌補了節流閥所帶來的一系列不必要的損失，同時減小了整體的功耗，這樣制冷效率肯定有所提高。

計算原理及過程：等壓換熱量等于焓變

滿足關系：

3-4和6-1過程中換熱量相等h₃-h₄=h₁-h₆

1-2為壓縮機中的等熵過程S₁=S₂

4-5為膨脹機中的等熵過程S₃=S₄

2-3為氣體冷卻器中的等壓過程P₂=?P₃

5-6為蒸發器中的等壓過程P₅=?P₆

計算公式：

2.1?換熱量的影響

換熱量的影響也可以說成是回熱器中溫度變化量的影響，從理論上分析，加回熱器會使得制冷量和作功量同時上升，但只要在一定的范圍內，制冷量的增長幅度大于作功量，制冷效率COP便整體可得提高。由計算數據可以看出，隨著換熱量的增加，制冷效率不斷提高，剛好滿足了制冷量增加快一點的條件。

3 比較與分析

在同樣的基本循環條件、基本循環流程及基本循環裝置都相同下，加膨脹機的制冷循環系統制冷效率會顯著提高，帶回熱器膨脹機的制冷循環相比只帶膨脹機的基本制冷循環制冷效率反而下降，所以帶回熱器能否提高制冷效率，還要視具體情況而定。

實際模擬分析也證明在不斷的變換裝置和研究雙級壓縮循環下CO₂制冷效率得到了提升。

考文文獻

[1] Gustav Lorentzen，JosteinPettersen.Anew，efficient and environmen -tally bengin system for car air-conditioning[J].international Journal of Refrigeration，1993，16（1）;4-12.

[2] 馬一太，楊昭，呂燦仁，CO₂跨臨界（逆）循環的熱力學分析[J].工程熱物理學報，1998，19 （6），665-668.

[3] 丁國良，黃東平，張春路.跨臨界二氧化碳汽車空調特性分析[J].制冷學報，2001，（3）：12-23.

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