跨临界二氧化碳循环设备及性能分析

徐化冰

（渤海船舶职业学院，辽宁兴城125105）

跨临界二氧化碳循环设备及性能分析

徐化冰

（渤海船舶职业学院，辽宁兴城125105）

CO2作为制冷剂具有良好的特性。基于此，在掌握压缩机内部结构及跨临界CO2循环影响因素的基础上，将跨临界CO2循环与R134a循环进行性能比较，得出在双级压缩中使用中间冷却器可降低排气温度，同时作为膨胀装置的毛细管能使工作稳定，即采用滚动转子式二级CO2压缩机、中间冷却器和毛细管节流，可获得高效跨临界CO2制冷循环。结果表明，跨临界CO2循环具有比R134a循环更优异的性能。

CO2跨临界循环；制冷剂；毛细管；双级压缩

0 引言

利用二氧化碳作为制冷剂，可在许多应用中提供一个完全安全的、经济的、成本低的且有效的“自然”解决方案。CO2作为低温制冷循环工质有很多优势，如设备和管路尺寸较小、换热效率高和没有腐蚀、蒸发温度可达到-40～-50℃的低温、低温时CO2的粘度也非常小且传热性能良好。同时二氧化碳可以从工业回收的废气中提取，其ODP值为零，CO2作为环保型替代工质，用于低温制冷循环系统有着很好的发展前景。

实际上，二氧化碳已经被用于CO2/丙烷 和CO2/NH3级联循环。采用超临界CO2直接膨胀循环的热泵热水器在日本已商用化。三洋是商业化CO2压缩机及其应用热泵热水器的厂家之一。但是，超临界CO2循环被应用于冰箱或冰柜的还不多。本文主要介绍滚动转子式双级CO2压缩机超临界制冷循环系统的组成结构，并对其散热性能和功率消耗与常规R134a的循环进行比较。

1 二氧化碳压缩机

1.1 跨临界CO2循环特点及应对方案

和传统使用氢氟烃制冷剂的制冷循环相比，跨临界CO2制冷循环压缩机进出口有很高的压力差，且整个跨临界CO2制冷循环回路中都有较高的工作压力。因此使用普通的制冷压缩机是不可行的。考虑到这些因素，CO2压缩机采取了如下措施：

第一，采用滚动转子式双级CO2压缩机结构，如图1所示。

采用Minitab 17软件对数据统计分析,并对表2数据进行多元回归拟合,得到多酚提取率与磷酸氢二钾、乙醇和超声时间的二次多项回归模型

第二，采用内部中压结构和完全密封外壳设计。

图1 滚动转子式双级压缩机结构

1.2 双级滚动转子式CO2压缩机

为应对压缩机进出口的高压力差，跨临界CO2制冷循环压缩机采用了双级压缩和中间冷却结构。采用此结构有以下优点：第一，可以降低排气温度，改善润滑条件。第二，可以提高输气系数。采用双级压缩，使单级压缩比下降，余隙容积的影响减小，从而使输气系数提高。第三，可以节省压缩耗功。理论分析表明，加入中间冷却后，比原始温度每降低3℃，下一级的压缩耗功约减少1%。第四，可以减少每一级的作用力。此外，压缩机的两个转子相差180°安装，可使压缩机的转动惯量变小、转矩平衡，从而降低压缩机的振动和噪音，有利于压缩机的启动和平稳运转。

1.3 内部中压结构和完全密封外壳设计

1级入口吸入低压二氧化碳，压缩后进入中间体压力外壳，使得外壳填充有中间压力。由壳体将中间压力的CO2送入2级压缩入口，压缩到最终压力并直接排出到气体冷却器。

内部中间压力的设计使该壳壁的厚度比高内压的结构薄35%，降低了重量，这几乎与以往的R410a压缩机相同。此外，内部中间压力的设计使压缩机中的运行/停止压力差比高内压的设计要小，提高了抗疲劳能力和可靠性。

2 CO2跨临界循环

二氧化碳的临界温度（31.1℃）通常是低于空调和热泵系统中的排热温度的典型值，使用二氧化碳作为制冷剂的制冷系统必须经过跨临界循环，即在散热过程中发生在临界压力以上，而吸热过程发生在亚临界条件下。因此，跨临界循环最显著的特点是冷凝过程在气体冷却器的冷却中取代了常规亚临界循环。在超临界区域的散热压力是独立的，且存在一个最佳的散热（冷却）压力即有一个最大的COP。对于跨临界二氧化碳系统进行适当地优化和控制，就能得到最佳高压压力的相关参数。

同时发现如果中间冷却器使用吸气管道热交换器或微通道换热器等，可以改善跨临界CO2循环的效率。

2.1 换热器（气体冷却器和蒸发器）

以前的蒸发器大多采用散热片式和圆形管式换热器，因为它们非常实用。而二氧化碳具有较小的压降，除了圆形管换热器，微通道换热器是最可行的选择。微通道换热器具有增强性能的潜力，并减少了尺寸和重量。

微通道换热器是一种借助特殊微加工技术，以固体基质制造的可用于进行热传递的三维结构单元。当前关于微通道换热器的确切定义，比较通行、直观的分类是由Mehendale.s.s提出的按其水力当量直径的尺寸来划分。通常将水力当量直径小于1 mm的换热器称为微通道换热器。上世纪80年代，美国学者提出了一种微通道换热结构。该结构由高导热系数的材料构成，其换热过程是使底面上的热量经过通道壁传至通道内，其换热性能得到超过传统换热手段所能达到的水平，成功地解决了大规模和超大规模所带来的“热障”问题。用于两种流体热交换的微通道换热器于1985年由Swift研制出来。研究表明，其微通道换热器的单位体积换热量可高达几十Mw/(m2·K)。美国太平洋西北国家研究所于上世纪90年代后期成功研制出燃烧/气化一体化的微型装置以及微型热泵等。卡尔斯鲁研究中心也在利用经过成型工具超精细车削加工的器件，将其彼此连接形成错流和逆流的微换热器。

2.2 吸气管道热交换器

吸气管道热交换器可提高制冷循环的效率。加装与不加装吸气管道热交换器冷却效果，可通过等式（1）和（2）分别与图2进行比较。

式中W—压缩机输出功；

hi—各状态点的焓值，i对应图中的各状态点。

显然，加装吸气管道后循环效率有了明显提高。

图2 CO2跨临界循环过程

但是，因为循环使用了吸气管道热交换器，使吸入气体的温度过高，该排出气体的温度可升到150℃左右。这样就增加了工作的不可靠性。所以实际的跨临界CO2循环中需要通过中间冷却器来降低排气温度。

2.3 中间冷却器

利用吸气管道热交换器和中间冷却器的循环过程如图3所示，循环变为5-9-10-2-7-8-5，图中的最后排气温度2点为100℃左右，排气温度明显降低。排气温度的降低还能够防止滑油变质和产生其他氧化有机化合物，以改善制冷循环的化学稳定性。

压缩的过程中使用/不使用中间冷却器可以通过等式（3）和（4）与图3进行比较。

式中W—压缩机输出功；

hi—各状态点的焓值，i对应图中的各状态点。

上式右侧的第一项和第二项代表第一阶段和第二阶段压缩单元的压缩工作。在跨临界区域，由于等温的跨临界热排斥，与中间冷却器（h2-h10）第二阶段压缩工作变得比无中间冷却器（h6-h9）小。所以从压缩机工作效率来看，双级压缩中间冷却的工作性能比单级压缩更好。

图3 双级压缩加中间冷却器的CO2跨临界循环过程

中间冷却器的尺寸较大时，可以实现更高的效率。然而，过多的饱和蒸气可能使液体返回到压缩机的第二级，这可能导致磨损或阀门损坏。因此，中间冷却器的容量和位置需要仔细考虑。

2.4 节流设备

作为膨胀装置，毛细管被广泛使用。毛细管焊接在冷凝器输液管与蒸发器进口之间，起到节流降压的作用，毛细管可以防止冷凝器中常温高压液态制冷剂直接进入蒸发器，降低蒸发器内的压力。在压缩机停止运转后，能通过毛细管使低压部分与高压部分的压力保持平衡，从而使压缩机易于启动。由于毛细管的流通截面大小不能调节，故当工作状况发生变化时，不能自动调整。毛细管细而长，容易引起堵塞，故要求制冷系统内清洁、无杂质。另外也可使用电子膨胀阀，电子膨胀阀适用于要求严格的温度控制过程。但是，无论采用哪种形式，在选用时必须考虑对CO2循环的高压耐久性。

3 性能分析

3.1 制冷性能

在比较R134a和跨临界CO2两个不同循环的制冷性能时，采取在相同的条件下分别使用R134a压缩系统和跨临界CO2压缩系统进行测试。测试结果如图4所示。跨临界CO2压缩系统和R134a压缩系统在同一机柜中完成测试，且两个循环的工作时间几乎完全相同，可以看出跨临界CO2循环的制冷性能几乎与R134a循环是相同的。

3.2 耗电性能

稳定的条件下，比较两种不同循环的耗电量，结果如图5所示。通过比较发现CO2压缩机的耗能比R134a压缩机降低了20%。这不仅体现了CO2制冷剂的优越性质，更体现了采用中间冷却器的滚动转子式二级CO2压缩机的优越性能。

图5 R134a与跨临界CO2循环耗能比较

3.3 耐久性能

通过连续工作500小时以上分析发现，各滑动部件的磨损情况、毛细管的流阻和油的总酸值等参数都能够获得非常理想的结果。

4 结论

通过以上分析发现，采用滚动转子式双级CO2压缩机、中间冷却器和毛细管节流，可获得高效跨临界CO2制冷循环。在双级压缩中使用中间冷却器可降低排气温度。作为膨胀装置的毛细管能稳定工作。同时还证明跨临界CO2循环具有比R134a循环更优异的性能。随着科技的发展，如果能利用更先进的技术，如微通道换热器、其他扩展设备和循环的改进，将有可能进一步提高跨临界CO2循环的效率。

[1]吕静.二氧化碳跨临界循环及换热特性的研究[D].天津:天津大学,2005.

[2]杨俊兰.CO2跨临界循环系统及换热理论分析与实验研究[D].天津:天津大学,2005.

[3]李敏霞,马一太,李丽新,等.CO2跨临界循环制冷压缩机的研究进展[J].压缩机技术,2004(5):38-42.

[4]徐化冰,韩彩娟,刘孝刚.跨临界二氧化碳循环分析[J].科技信息,2013(6):248.

［责任编辑：刘 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，辽宁铁岭人，讲师，硕士，研究方向：制冷与冷藏技术。