1.6　跨临界制冷循环

制冷剂物理性质都有一个临界温度和压力，也就是制冷剂在压焓图和温熵图上存在一个临界点K，前面介绍的制冷循环是在远离临界点的范围内进行的，故称之为亚临界循环。亚临界循环是目前制冷、空调领域广泛应用的制冷循环形式，主要应用于普通制冷范围内高温和中温制冷剂的制冷循环。但是，在普通制冷范围内如果采用低温制冷剂工作，冷却介质仍是自然环境的空气和水，则压缩机排气压力会高于临界压力，而蒸发压力位于临界压力之下，制冷剂的临界点位于制冷循环内［图1-26（b）］，这类循环称为跨临界循环或超临界循环。

跨临界制冷循环与常规蒸气压缩式制冷循环类似，不同之处在于制冷剂的吸热过程和放热过程分别在亚临界区和超临界区进行［图1-26（b）］。压缩机吸气压力低于临界压力，蒸发温度也低于临界温度，循环的吸热蒸发制冷过程是在亚临界条件下进行的，换热过程主要依靠潜热来完成，这与常规蒸气压缩式制冷循环相同，热交换器仍是蒸发器（制冷剂发生蒸发相变）；而压缩机排气压力高于临界压力，制冷剂的放热过程不同于常规蒸气压缩式制冷循环的冷凝过程，放热过程依靠显热来完成，此时高压端的热交换器不能成为冷凝器，而称作气体冷却器（制冷剂降温而非冷凝相变）。因此，简单单级跨临界制冷系统包括压缩机、气体冷却器、节流阀和蒸发器，制冷循环的典型流程如图1-26（a）所示。图中，过程1→2是低压气态制冷剂经压缩机被压缩成高压气态制冷剂，过程2→3是高压气态制冷剂经气态冷却器定压放热而降温，过程3→4是降温后的制冷剂经节流阀进行节流降压，过程4→1是低压液态制冷剂在蒸发器中定压吸热蒸发，成为气态制冷剂回到压缩机，从而完成一个制冷循环。

跨临界制冷循环采用的典型制冷剂是CO₂（R744）。CO₂作为自然工质，在环保、理化等方面的综合评价较传统氟利昂类工质有明显优势，其应用对减少温室效应和臭氧层破坏具有重要意义。CO₂曾是最早的制冷剂之一，在19世纪末到20世纪30年代得到普遍应用，尤其在船舶行业应用高达80%。但由于当时采用亚临界循环，制冷效率较低，特别当环境温度稍高时，其制冷能力急剧下降，且功耗增大。随着制冷剂环保问题日益突出，CO₂跨临界制冷循环的提出，CO₂作为制冷剂重新得到重视，其优点是对环境无污染，且无毒无害，尤其在高压冷却过程，由于流体在超临界条件下的特殊热物理性质，使CO₂在流动和换热方面都具有无与伦比的优势，而且，气态冷却器中制冷剂与冷却介质逆流热交换，既可以减少高压侧不可逆传热损失，又可以通过跨临界循环获得较高的排气温度和较大的温度变化，避免热源温度过高导致的系统性能下降；缺点是系统压力很高，对设备承压有较高要求，因此设备较为笨重。

CO₂跨临界制冷循环热力过程为：低温低压的CO₂制冷工质在蒸发器中吸收周围环境介质或被冷却物体的热量由液体变为低压过热蒸气，低压的CO₂蒸气进入制冷压缩机被绝热压缩为高压高温的气体，高压高温的CO₂气体然后进入空气冷却器，与冷却介质进行热交换，放出热量，被定压冷却，然后进入节流阀（或膨胀机）绝热节流（或绝热膨胀）为低压低温的湿蒸气，低压低温的CO₂液体重新进入蒸发器定压吸热蒸发，使被冷却介质温度降低，制取冷量。如此往复循环，实现连续制冷。因此，CO₂跨临界制冷循环热力计算为：

①单位质量制冷量q₀：

q₀=h₁-h₄　　（kJ/kg）　　（1-6'）

②单位冷却热负荷q_k：

q_k=h₂-h₃　　（kJ/kg）　　（1-10'）

③单位理论功w₀：

w₀=h₂-h₁　　（kJ/kg）　　（1-12'）

④理论制冷系数ε₀：

　　（1-14'）

制冷循环能量平衡方程：

w₀=q_k-q₀

前面我们已知，在亚临界制冷循环中，两个换热均是相变，温度与压力互为函数，影响蒸气压缩式制冷循环制冷系数的主要因素是制冷过程的两个工作压力（工作温度）。当蒸发压力（温度）为定值，制冷循环的制冷系数随冷凝压力（温度）升高而下降；当冷凝压力（温度）为定值，制冷系数随蒸发压力（温度）降低而下降。

但是在CO₂跨临界制冷循环过程中，超临界压力下的CO₂无饱和状态，温度与压力彼此独立。当蒸发温度t₀和气体冷却器出口温度t₃保持恒定时，制冷循环的制冷系数随高压侧压力p₂（或压缩比p₂/p₁）的升高，单位理论功耗w₀呈直线规律上升，而单位质量制冷量q₀上升幅度却有逐渐减小的趋势，二者综合作用的结果使得制冷系数ε先逐渐升高再逐渐下降，在某个高压侧压力p₂下出现最大值ε_max，对应于最大制冷系数ε_max的压力称为最优高压侧压力p_20pt。研究表明，p_20pt受气体冷却器出口温度t₃的影响几乎成线性增函数规律变化，但蒸发温度t₀对其影响并不明显。利用制冷循环的制冷系数ε₀计算公式，根据极值存在条件求解p_20pt：

　　（1-32）

根据状态方程和热力学关系式，原则上可以由式（1-32）确定出不同条件下的最优高压侧压力p_20pt。工程中可以使用半经验公式计算：

p_20pt=（2.778-0.015t₀）t₃+（0.381t₀-9.34）　　（1-33）

在实际工程中，对于CO₂跨临界制冷循环常常会采用蒸气回热循环、用膨胀机回收膨胀功等方式改善制冷循环、提高制冷效率。

①蒸气回热循环。图1-27是带有回热器的CO₂跨临界制冷循环工作流程及压焓图，与常规亚临界循环的回热循环相似，在回热器中，蒸发器出口的低温低压气态CO₂与气体冷却器出口的高温高压CO₂进行热交换，蒸发器出口的低温低压气态CO₂过热保证干压缩，气体冷却器出口的高温高压CO₂得到进一步冷却，降低节流阀入口CO₂的温度t₃，从而提高制冷循环的单位质量制冷量，使循环的理论制冷系数得到提升。同理，由图1-27（b）可知，单位质量制冷剂的回热量为：

q_h=h₃-h_3'=h_1'-h₁　　（kJ/kg）　　（1-17'）

制冷循环的理论制冷系数为：

　　（1-34）

②用膨胀机回收膨胀功。节流阀在制冷循环过程中存在节流损失，利用膨胀机代替节流阀、回收制冷剂从高压到低压过程的膨胀功可以有效提高制冷效率。将膨胀机回收能量作为压缩气体所必需能量的一部分来加以利用，制冷循环的制冷系数在双重意义上得以提高，既减少了节流损失，又可降低功耗，而且CO₂的膨胀比比较低，膨胀功的回收率较高，因此采用膨胀机循环在实际工程中更具有可行性。

图1-28是采用膨胀机的CO₂跨临界制冷循环工作流程及温熵图，CO₂在膨胀过程中出现气液相变，体积变化不大，主要靠压力势能和CO₂相变提供输出功。此过程是自发过程，伴有压力波的传递。图1-28（b）中过程3→4表示采用节流阀等焓节流，过程3→5表示膨胀机内部的等熵膨胀过程，单位质量制冷剂输出轴功是点3与点5的焓差，它包括两个部分：一部分是超临界流体转变为饱和液体过程中输出的轴功（过程3→6），该过程没有相变，只有液体，称为液体功；另一部分是在膨胀过程中出现相变，有气泡产生，由气液两相流体的容积膨胀输出的轴功（过程6→5），称为相变功。

将膨胀机应用于制冷来回收膨胀功的方法：可以采用将膨胀机的输出轴与压缩机的驱动轴连接，作为压缩动力的一部分；也可以将膨胀机与压缩机做成一体结构，不向外部输出膨胀压力，回收其作为压缩动力的一部分加以利用。