二氧化碳低温制冷循环分析 (2010年)

在制冷领域中，二氧化碳（CO2）作为一种自然工质引起了广泛关注，这是因为CO2不仅具有不易燃、无毒的化学特性，而且还因其较小的设备和管路尺寸、高效换热能力、无腐蚀性以及低温时良好的传热性能而备受青睐。尤其在-50℃至-30℃的低温制冷循环中，CO2具备显著优势，其凝固点为-51.65℃，可以达到如此低温范围内的蒸发温度。而且在低温条件下，CO2的饱和压力高于其他制冷剂，例如氨（NH3）和R12，这意味着在低温制冷应用中不会出现负压情况，适合用作低温制冷工质。 制冷循环的热力学分析是研究制冷剂在循环过程中的物理和热力学性质变化的科学。制冷循环的性能一般通过其性能系数COP（Coefficient Of Performance）来评价，即输出的冷量与输入的功之比。对于CO2的双级压缩循环，通过对比不同的循环模型，研究者们发现了一次节流不完全中间冷却的双级压缩循环（CII循环）在特定条件下具有较高的COP值和较低的最优冷却压力，显示出较好的发展潜力。相比之下，一次节流完全中间冷却的双级压缩循环（SII循环）在某些方面则不如CII循环优越。 双级压缩制冷循环主要利用了双级压缩机将制冷剂分别压缩至高温高压状态和低温高压状态，中间通过冷却器进行热量的释放。双级压缩相比于单级压缩有诸多优点，例如能够降低压缩机的压比和排气过热，同时在中间冷却过程中能够从节流过程中抽取闪发蒸气，以减少节流过程的不可逆损失。这些技术特点使得双级压缩制冷系统更加高效和可靠。 在研究分析中，为了确保分析的准确性，研究者设定了若干前提条件，包括系统循环处于稳定状态、考虑了压缩机的绝热效率、气体冷却器的出口温度与环境温度的关系，以及忽略系统管路的压力损失等。此外，还假设了CO2在中间闪发器出口、中间冷却器出口和蒸发器出口均为饱和蒸气状态，且不考虑油及其他杂质对CO2物性的影响。 通过使用EES（Engineering Equation Solver）软件进行模拟计算，研究人员得到了双级压缩循环中最大COP与蒸发温度和冷却器出口温度之间的关系。结果表明，在双级压缩循环中，COP的大小不仅仅受冷却压力的影响，还受到中间压力的影响。因此，在分析过程中，需要通过寻求最大的制冷系数来确定最优的冷却压力和中间压力。这一研究发现对于优化CO2低温制冷系统的设计与运行具有重要的指导意义，有助于实现更加节能和高效的制冷效果。