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在工业制冷装置中用二氧化碳替代R502的应用研究

1 前言 自从蒙特利尔议定书签定以来，各国开展了寻求CFSs和HCFCs替代物的广泛研究。到目前为止，工质替代已取得了实质性的进展，主要提出了包括R134a、R404a、R407c、等在内的若干HFC及其混合物来代替R12、R22和R502等，并且已开始商业化生产。但人们发现新工质并没有达到“长期”替代物的要求。大部分新工质都有较高的温室效应指数(GWP)或者其它缺陷。因此天然工质的应用引起了人们的重视［1、2］。

CO2作为自然界大量存在的一种工质，已有很长的应用历史。但由于较低的临界温度限制了它的应用，在氟里昂出现后很快就被淘汰了。由于CO2具有优良的环保性能，近年来倍受关注，将其作为一种替代工质的研究逐渐增多［3、4］，特别是将CO2用于热回收场合，由于具有滑动的温度匹配关系，总的传热温差较小，具有较高的使用价值。欧美的学者对CO2制冷已经进行了一些研究，但多数只进行了热力学分析，应用实例仍较少。本文的目的是讨论将CO2应用于酿造过程的CO2低温液化工业制冷应用领域，以便替代传统的R502制冷应用的一些场合。2 热力学循环性能分析 天然工质主要有R717(NH3)、R744(CO2)、R290(C3H8)、R718(H2O)等。由于各自的缺陷比较明显，因此应用受到了局限，与R502相近的几种工质的一般性质比较见表1。表1 几种工质的性质比较工 质R502R22R507R404aR717R290R744是否天然工质否否否否是是是ODP(1)0.2830.GWP(2)3.740.360.960.940可忽略可忽略临界温度(℃)82.296.270.272.1132.496.831.1临界压力(MPa)4.0754.993.673.2311.274.257.38易燃爆否否否否是是否有毒/刺激性否否否否是否否相对容积制冷量(3)1.11.01.21.21.00测距.945.22 注：(1)以R11为基准；(2)以R11为基准；(3)按0℃汽化潜热计算。 由表1可见，CO2在环保、安全性、价格以及单位容积制冷量等方面都有较为明显的优势。但由于随着科技不断进步CO2的临界温度接近环境温度，因此根据循环的外部条件不同，在不同的压缩比条件下，主要可实现两种形式的制冷循环。

2.1 亚临界循环

在冷凝温度低于临亲子教育界温度的条件下，CO2制冷循环与普通的蒸气压缩制冷循环完全相同。如图1中的所示。图中′-1″-2′-为采用技能培训两级压缩的C未来5到10年里O2制冷循环。图1 不同的R744制冷循环2.2 跨临界循环

在环境温度较高时，压缩机的排气压力在临界压力之上，经过定压放热后可以一直冷却到临双头螺柱界温度以下，再变为液态去参与相变的吸热蒸发过程。如图1中的″-3″-4″-1所示。这种循环方式在汽车空调和热泵方面正在引起人们的重视［5］。文献［6］指出回收膨胀功可以大大提高CO2跨临界制冷循环的性能，但由于回收膨胀功涉及到膨胀机的湿膨胀，设计较为复杂，应用受到了局限。

为了探讨CO2代替R502制冷应用在热力学上的可行性，对采用不同工质的单级蒸气压缩理论循环的主要热力性能进行了模拟。计算中取环境约束性状态为Pamb=0.1MPa，tamb=25℃，冷凝温度tc=30℃，并且定义冷量的为： (1)式中 h1——蒸发器出口比焓，kJ/kg

h2——膨胀阀入口液体比焓，kJ/kg

Tamb——环境温度，K

Tc——蒸发温度，K

制冷循环的效率定义为： (2)式中 W——压缩过程输入比功，kJ/kg

通过模拟计算可以得到图2的结果。图2 模拟计算结果 图氢氧化物：氢氧化铝、氢氧化镁、盐基性碳酸镁2(a)为单位容积制冷量随蒸发温度的变化情况；图2(b)为制冷循环性能系数随蒸发温度的变化情况；图2(c)同学们也不该奇怪为单位制冷负荷的工质流量随蒸发温度的变化情况。该图说明，在蒸发温度约为252K(-21℃)时，相同工况和相同制冷量条件下采用R502和CO2的工质流量基本相等；图2(d)给出了过冷循环中R744与R502的性能系数变化情况。该图表明，随着过冷度的增加，R744制冷循环的性能系数升高很快，平均过冷1℃，COP可以增加3%