文章推送丨两级节流中间完全冷却 CO2 跨临界双级压缩制冷循环特性研究

题目

两级节流中间完全冷却CO2跨临界双级压缩制冷循环特性研究

作者

牛恒1 肖寒松1 李无言1 王佩卿2 张显鹏2 石文星1

单位

1 清华大学建筑技术科学系 2 南京久鼎环境科技股份有限公司

CO2是一种绿色环保的天然制冷剂,1850 年美国科学家A. Twining最早提出将CO2用于蒸气压缩制冷系统,T. Lowe 于19世纪70年代研发出用于食品冷冻运输船舶的CO2制冷系统,此后因卤代烃类制冷剂的发展,CO2逐渐被淘汰。然而,在发现卤代烃对臭氧层有破坏效应并会产生温室效应后,研究人员又重新重视对CO2制冷剂的应用研究。由于CO2临界温度低,用于船舶时可利用低温海水进行冷凝降温,故最早设计的CO2制冷系统采用的是亚临界循环。随着CO2跨临界循环的提出,采用气体冷却器代替冷凝器, 目前被广泛应用于空调、热泵、核反应堆冷却等领域。

目前,应用于低温冷库的CO2跨临界循环制冷系统通常采用两级节流中间完全冷却双级压缩制冷循环(简称:DTCC循环),图 1(a)所示为DTCC循环的工作原理。图 1(b)所示为对应图1(a)的制冷循环压焓图。

在tgs=35℃ 、te =-15℃ 、Δtsh=0℃时, ηs对DTCC循环COP的影响如图4所示。由图4可知,ηs直接影响压缩机的输入功率,对循环COP影响显著, 但对pdopt,D的影响较小, pdopt,D仅随ηs的降低略有降低。

结论

CO2是环保型天然制冷剂,其两级节流中间完全冷却跨临界双级压缩制冷循环(DTCC循环)在低温冷库中得到了应用。为研究其循环特性,本文建立了数学模型,通过模拟不同工况条件,分析循环各主要状态参数、回热方式以及低压级气冷器对COP的影响,得到如下结论: 

1)DTCC循环的最优排气压力主要取决于气冷器出口温度,而与压缩机效率、蒸发温度、是否回热的关系较小,据此给出了DTCC循环的最优排气压力的计算式;分析表明,在蒸发温度为-30~10℃ 、气冷器出口温度在 31.1~45℃范围内,DTCC循环的最优排气压力约比相同工况下的单级跨临界制冷循环最优排气压力低0.3MPa。

2)在相同气冷器出口温度条件下,低压级吸气与闪蒸罐出口液体换热的中温回热DTCC循环和低压级吸气与高压级气冷器出口流体换热的高温回热DTCC循环的最优排气压力相同,但后者的COP优于前者。

3)采用低压级气冷器作为低压级压缩机排气的预冷器,能够有效提升 DTCC循环的COP,并给出了采用低压级气冷器的DTCC循环的最优中间压力随蒸发压力和排气压力的分段函数表达式。

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