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干货!二氧化碳(CO2)制冷/空调系统的应用

  • 发表时间:2024-06-05
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二氧化碳 (CO2) 被认为是我们星球的主要“问题”之一,因为它是工业和民用过程的主要排放物,对温室效应的加剧做出了重大贡献。

幸运的是,在工业领域——制冷和空调领域有一个利基市场——这种分子CO2已经得到“合理运用”,因为它是一种对环境影响很小的天然制冷剂,其他制冷剂对温室效应的影响是CO2的10倍、100倍甚至1000倍。

CO2 作为制冷剂

它是市场上最好的天然制冷剂,因为它没有其他天然气的禁忌症。事实上,碳氢化合物是高度易燃的,而氨是有毒的、腐蚀性的和微易燃的。然而,CO2的热力循环具有高工作压力,超过 100 公斤,因此需需高压缩功,压缩机效率低下。

高压还涉及需要为系统配备合适的部件,通常使用不锈钢代替铜,并采用 TIG 焊接而不是银合金钎焊。还需要安全系统,例如泄压安全阀。

尽管如此,从热力学的角度来看,压力值没有特别的相关性。事实上,重要的是 CO2 循环是唯一一个在正常工况下可以在压缩机排气处达到跨临界状态的循环。这意味着气态的 CO2 不能通过简单的热交换器冷凝;实际上,在这种情况下,传统回路中的冷凝器被称为“气体冷却器”。

控制气体冷却器压力是 CO2 回路与传统回路不同的几个原因中的第一个。首先,压力不能太高,否则系统将关闭或安全排气阀将被触发。此外,最佳压力并不像传统回路那样“越低越好”。事实上,研究和实验证明,对于每个系统工况下,都有一个最佳压力值。因此,系统高效运行来自在运行期间实时保持该值。

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CO2最优压力压焓图体现

此文章以最简单的方式总结 CO2 制冷循环的演变,突出它们的优缺点。

CO2 循环系统的比较

最简单的CO2 制冷系统如其他制冷剂的传统系统一样,包括一台压缩机、一个膨胀元件和两个热交换器,其中一个是蒸发器,另一个是气体冷却器/冷凝器。

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带一个膨胀阀的单级跨临界 CO2 系统

与以下方案相比,该方案的主要优点是:它是最便宜的。始终牢记承受高压的能力比使用其他制冷剂的系统成本更高。

主要缺点之一是效率低。事实上,由于只有一个膨胀阀可用,不可能同时获得最佳的气体冷却器压力控制和蒸发器出口过热度控制。该阀将用于管理一个或另一个,但不能优化两个热交换器。此外,由于高压差,汽化焓(冷却能力)的变化仅略高于压缩功(功耗)。这意味着低循环效率。

为了改进这一方案,可以采用更复杂的方案,以便同时控制气体冷却器压力和蒸发器过热度。

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带三阀门和闪蒸罐的单级跨临界 CO2 系统

因此需要添加以下组件:一个气体冷却器压力控制阀(高压阀),一个将流体气液分离的闪蒸罐,以及一个控制储液罐压力的阀(闪气阀)和控制蒸发器蒸发的阀(膨胀阀)。复杂吗?我们试着用流体动力学来解释它。如果在控制气体冷却器压力时,高压阀将 10 kg/s 的制冷剂引入闪气罐中,而膨胀阀抽取 8 kg/s 以正确控制蒸发,则闪气阀需要通过排出多余的气体来补偿差异. 多余的气体去哪儿了?其回到压缩机吸气口了。

由此制造的系统能够同时优化两个热交换器的工作。此外,从储液罐到膨胀阀的制冷剂处于饱和液态,焓含量低,因此大大提高了蒸发器的冷却能力。

总之,该方案有两个额外的阀门和一个罐,因此成本更高,但效率更高,对各自工况的控制也更好。

缺点?压缩机需要额外做工要保持储液罐压力安全,这实际上是一个对制冷无效功。因此,即使效率更高,它仍然不是最佳的。

为了克服这个问题,可以通过用压缩机代替闪蒸阀来进一步优化系统。一个明显的问题:昂贵的压缩机如何能袋贴对简单阀门对系统改进?答案可以在以下方案中看到。

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带两个阀门、闪蒸罐和平行压缩机的单级跨临界 CO2 系统

实际上,并没有添加额外的压缩机。只是,先前方案中的压缩机已“拆分”为两个较小的压缩机。必须指出,这种类型的方案适用于配备两台以上压缩机的制冷量相对较高的系统中。该方案其中一台压缩机称为“并联”压缩机,在需要时,从储液罐中而不是从蒸发器中抽取闪气。

为什么这个方案更有效?因为旁通闪气不像前面的方案那样从蒸发压力进行压缩(闪气阀降压后再升压),而是从储液罐压力进行压缩。并行压缩机以更低的功耗来工作。

结果是更高的效率。然而,尚未达到最佳水平。并联压缩系统也有一个被压缩的质量流量,但由于它不提供冷却能力而无用。

那么实际上有可能避免闪气吗?不幸的是,即使是可以承受非常高压力的储罐也无法容纳系统中的所有制冷剂,除非它的尺寸不合理,而且其压力迟早会达到需要旁通的值。

CO2喷射器

最后一个方案是基于不同的假设并利用了特殊设备。

先决条件是它利用了针对这种制冷剂描述的第一个缺点,即在气体冷却器中产生的高压。喷射器是一种能够利用高压制冷剂的“势能”吸入低压制冷剂并使其达到中压的设备。

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喷射器工作原理

这种吸入能力代替了主压缩机做功,因此压缩机可以消耗更少的功。在这个循环中,实际上只有旁通的质量流量被压缩机压缩。

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带喷射器的单级跨临界 CO2 系统

因此,该方案是为 CO2 系统提出的最有效的循环。它也是最复杂的,因为它增加了之前的所有内容。事实上,这种称为“喷射器模式”的模式仅在高压工况下触发。在其他工况下,该循环与之前方案一致,喷射器作为高压阀工作。

最后,应该指出的是,这里所描述的只是 CO2 应用开发的起点,还需要考虑系统中其他部件的控制以及系统安全的控制。更多CO2机组控制方案信息,欢迎联系我们。

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