跨临界CO2蒸气压缩/喷射制冷循环性能分析与比较

摘要

氟利昂在制冷工程领域的广泛应用，导致其被大量合成，对地球生态环境造成了严重的破坏，CO2以其突出的环保性能成为氟利昂替代物的热门选择，受到世界范围的广泛关注和研究。CO2临界温度低，多数工况下蒸气压缩制冷系统为跨临界循环，节流损失严重，喷射器在循环中的应用能有效回收节流损失。为研究跨临界CO2蒸气压缩/喷射制冷循环的制冷性能，针对三种跨临界CO2蒸气压缩/喷射制冷循环进行了建模分析与比较。
　　利用不动点迭代原理对跨临界CO2单级压缩/喷射制冷循环(SEC)建立了热力学模型，配合REFPROP数据库函数在MATLAB环境下编程计算，在气体冷却器压力的全部计算工况下，SEC循环COP均高于跨临界CO2单级压缩基本制冷循环(SBC)，且SEC循环的COP极大值比SBC循环高27.7％。蒸发温度升高会使SEC循环COP增大，且最优喷射系数小幅增长。
　　对带双气体冷却器的跨临界CO2双级压缩/喷射制冷循环(TEC+TG)建立了热力学模型和两种温度因素同时变化的计算模型，通过TEC+TG循环与带双气体冷却器的跨临界CO2双级压缩基本制冷循环(TBC+TG)及SBC循环的对比，TEC+TG循环的制冷性能最为突出，其COP极大值比TBC+TG循环高21.69％，比SBC循环高39.57％。在指定的计算工况下，TEC+TG循环的最优中间压力比高压级气体冷却器压力和气液分离器压力的几何均值高16.24％。
　　设计的带中间冷却器的跨临界CO2双级压缩/喷射制冷循环(TEC+IC)为一种新型的双级压缩循环，建立的热力学模型新增了中间冷却器出口温度迭代流程，模型中包含两层不动点迭代算法的嵌套，同时应用了二分法。由TEC+IC、TEC+TG和SEC循环的对比分析，TEC+IC循环具有最大的COP极大值，比TEC+TG循环高6.27％，高于SEC循环16.15％，TEC+IC循环的喷射系数比TEC+TG循环和SEC循环均大。在气体冷却器压力高过最优压力值时，TEC+IC循环COP比TEC+TG循环更快衰减，在气体冷却器压力超过10MPa的工况下，TEC+IC循环COP不及TEC+TG循环。气体冷却器出口温度和蒸发温度同时变化时，TEC+IC循环的制冷COP变化趋势与TEC+TG循环基本相同。
　　通过对跨临界CO2蒸气压缩/喷射制冷循环的实验设备的设计计算，完成了压缩机、喷射器、气液分离器和换热器的实物样品制作。

目录

声明

摘要

主要符号及缩写

第一章 绪论

1．1 课题研究的背景

1．2 课题研究的意义

1．3 CO2制冷的研究进展

1．3．1 CO2用作制冷剂的发展历程及应用方向

1．3．2 跨临界CO2蒸气压缩循环的研究进展

1．4 喷射器在制冷系统中的应用

1．4．1 喷射器的基本结构

1．4．2 喷射制冷的研究进展

1．5 本文的主要内容

第二章 跨临界CO2单级压缩／喷射制冷循环

2．1 跨临界CO2单级压缩／喷射制冷循环原理

2．2 循环热力学模型建模与比较

2．2．1 循环热力学模型介绍

2．2．2 CO2热物理性质计算方法

2．2．3 循环热力学模型的比较

2．3 循环性能分析

2．3．1 气体冷却器压力的影响

2．3．2 喷射系数和出口干度的影响

2．4 本章小结

第三章 带双气体冷却器的跨临界CO2双级压缩／喷射制冷循环

3．1 带双气体冷却器的跨临界CO2双级压缩／喷射制冷循环原理

3．2 循环热力学建模

3．2．1 循环热力学模型介绍

3．2．2 变温度因素模型

3．3 循环性能分析

3．3．1 高压级气体冷却器压力的影响

3．3．2 中间压力的影响

3．3．3 温度因素的影响

3．4 本章小结

第四章 带中间冷却器的跨临界CO2双级压缩／喷射制冷循环

4．1 带中间冷却器的跨临界CO2双级压缩／喷射制冷循环原理

4．2 利用二分法的热力学建模

4．2．1 循环热力学模型介绍

4．2．2 利用二分法的热力学建模

4．3 循环性能分析

4．3．1 气体冷却器压力及喷射系数的影响

4．3．2 中间压力的影响

4．3．3 温度因素的影响

4．4 本章小结

第五章 跨临界CO2蒸气压缩／喷射制冷循环实验设计

5．1 压缩机及管路设计

5．2 喷射器的设计

5．3 气液分离器的设计

5．4 换热器的设计

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

附录

致谢

攻读硕士学位期间发表的科研成果