CO2是零ODP、低GWP的天然制冷剂，在冷库制冷系统中应用前景广阔。本文针对用于低温冷库的两级节流中间完全冷却CO2跨临界双级压缩制冷循环（DTCC循环）建立数学模型，通过计算不同工况，分析蒸发温度、压缩机等熵效率、气冷器出口温度、排气压力以及回热循环方式对DTCC循环制冷系数的影响规律；给出DTCC循环的最优排气压力和最佳中间压力的计算式。研究表明：在蒸发温度-30~10 ℃、气冷器出口温度30~45 ℃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的最优排气压力低0.3 MPa；低压级排气采用预冷气冷器、在高压级气冷器出口设置回热器均可有效改善DTCC循环的制冷系数。

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

                                                                                                              在te=-15℃ 、Δtsh=0℃时,tgs和pd对单级与DTCC循环 COP的影响如图6所示。由图6可知, DTCC循环在不同tgs下的COP均高于单级循环,但随着tgs的升高,DTCC循环与单级循环的COP差值变小。    

以 te=-10℃ 、tgs=35℃为例,通过改变Δtsh来分析两种回热方式对DTCC循环的COP和pdopt,D的影响,结果如图8所示。由图8可知,在计算值范围内,当 pd<8.0MPa 时,两种回热循环的COP相差很小;但当pd>8.0MPa 时,随着Δtsh的增大,两种回热循环的COP相对于无回热循环时均得到改善,但高温回热循环的改善程度更大;同时还可知,两种回热循环的pdopt,D几乎相等,而与回热循环的Δtsh相关性极小。

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。