CO2是零ODP、低GWP的天然制冷劑，在冷庫制冷系統中應用前景廣闊。本文針對用于低溫冷庫的兩級節流中間完全冷卻CO2跨臨界雙級壓縮制冷循環（DTCC循環）建立數學模型，通過計算不同工況，分析蒸發溫度、壓縮機等熵效率、氣冷器出口溫度、排氣壓力以及回熱循環方式對DTCC循環制冷系數的影響規律；給出DTCC循環的最優排氣壓力和最佳中間壓力的計算式。研究表明：在蒸發溫度-30~10 ℃、氣冷器出口溫度30~45 ℃范圍內，DTCC循環的最優排氣壓力約比相同工況下的單級跨臨界制冷循環的最優排氣壓力低0.3 MPa；低壓級排氣采用預冷氣冷器、在高壓級氣冷器出口設置回熱器均可有效改善DTCC循環的制冷系數。

CO2是一種綠色環保的天然制冷劑,1850 年美國科學家A. Twining最早提出將CO2用于蒸氣壓縮制冷系統,T. Lowe 于19世紀70年代研發出用于食品冷凍運輸船舶的CO2制冷系統,此后因鹵代烴類制冷劑的發展,CO2逐漸被淘汰。然而,在發現鹵代烴對臭氧層有破壞效應并會產生溫室效應后,研究人員又重新重視對CO2制冷劑的應用研究。由于CO2臨界溫度低,用于船舶時可利用低溫海水進行冷凝降溫,故最早設計的CO2制冷系統采用的是亞臨界循環。隨著CO2跨臨界循環的提出,采用氣體冷卻器代替冷凝器, 目前被廣泛應用于空調、熱泵、核反應堆冷卻等領域

目前,應用于低溫冷庫的CO2跨臨界循環制冷系統通常采用兩級節流中間完全冷卻雙級壓縮制冷循環(簡稱:DTCC循環),圖 1(a)所示為DTCC循環的工作原理。圖 1(b)所示為對應圖1(a)的制冷循環壓焓圖。

在tgs=35℃ 、te =-15℃ 、Δtsh=0℃時, ηs對DTCC循環COP的影響如圖4所示。由圖4可知,ηs直接影響壓縮機的輸入功率,對循環COP影響顯著, 但對pdopt,D的影響較小, pdopt,D僅隨ηs的降低略有降低

                                                                                                              在te=-15℃ 、Δtsh=0℃時,tgs和pd對單級與DTCC循環 COP的影響如圖6所示。由圖6可知, DTCC循環在不同tgs下的COP均高于單級循環,但隨著tgs的升高,DTCC循環與單級循環的COP差值變小。    

以 te=-10℃ 、tgs=35℃為例,通過改變Δtsh來分析兩種回熱方式對DTCC循環的COP和pdopt,D的影響,結果如圖8所示。由圖8可知,在計算值范圍內,當 pd<8.0MPa 時,兩種回熱循環的COP相差很小;但當pd>8.0MPa 時,隨著Δtsh的增大,兩種回熱循環的COP相對于無回熱循環時均得到改善,但高溫回熱循環的改善程度更大;同時還可知,兩種回熱循環的pdopt,D幾乎相等,而與回熱循環的Δtsh相關性極小。

結論

CO2是環保型天然制冷劑,其兩級節流中間完全冷卻跨臨界雙級壓縮制冷循環(DTCC循環)在低溫冷庫中得到了應用。為研究其循環特性,本文建立了數學模型,通過模擬不同工況條件,分析循環各主要狀態參數、回熱方式以及低壓級氣冷器對COP的影響,得到如下結論: 

1)DTCC循環的最優排氣壓力主要取決于氣冷器出口溫度,而與壓縮機效率、蒸發溫度、是否回熱的關系較小,據此給出了DTCC循環的最優排氣壓力的計算式;分析表明,在蒸發溫度為-30~10℃ 、氣冷器出口溫度在 31.1~45℃范圍內,DTCC循環的最優排氣壓力約比相同工況下的單級跨臨界制冷循環最優排氣壓力低0.3MPa。

2)在相同氣冷器出口溫度條件下,低壓級吸氣與閃蒸罐出口液體換熱的中溫回熱DTCC循環和低壓級吸氣與高壓級氣冷器出口流體換熱的高溫回熱DTCC循環的最優排氣壓力相同,但后者的COP優于前者。

3)采用低壓級氣冷器作為低壓級壓縮機排氣的預冷器,能夠有效提升 DTCC循環的COP,并給出了采用低壓級氣冷器的DTCC循環的最優中間壓力隨蒸發壓力和排氣壓力的分段函數表達式。