1.6　跨臨界制冷循環

制冷劑物理性質都有一個臨界溫度和壓力，也就是制冷劑在壓焓圖和溫熵圖上存在一個臨界點K，前面介紹的制冷循環是在遠離臨界點的范圍內進行的，故稱之為亞臨界循環。亞臨界循環是目前制冷、空調領域廣泛應用的制冷循環形式，主要應用于普通制冷范圍內高溫和中溫制冷劑的制冷循環。但是，在普通制冷范圍內如果采用低溫制冷劑工作，冷卻介質仍是自然環境的空氣和水，則壓縮機排氣壓力會高于臨界壓力，而蒸發壓力位于臨界壓力之下，制冷劑的臨界點位于制冷循環內［圖1-26（b）］，這類循環稱為跨臨界循環或超臨界循環。

跨臨界制冷循環與常規蒸氣壓縮式制冷循環類似，不同之處在于制冷劑的吸熱過程和放熱過程分別在亞臨界區和超臨界區進行［圖1-26（b）］。壓縮機吸氣壓力低于臨界壓力，蒸發溫度也低于臨界溫度，循環的吸熱蒸發制冷過程是在亞臨界條件下進行的，換熱過程主要依靠潛熱來完成，這與常規蒸氣壓縮式制冷循環相同，熱交換器仍是蒸發器（制冷劑發生蒸發相變）；而壓縮機排氣壓力高于臨界壓力，制冷劑的放熱過程不同于常規蒸氣壓縮式制冷循環的冷凝過程，放熱過程依靠顯熱來完成，此時高壓端的熱交換器不能成為冷凝器，而稱作氣體冷卻器（制冷劑降溫而非冷凝相變）。因此，簡單單級跨臨界制冷系統包括壓縮機、氣體冷卻器、節流閥和蒸發器，制冷循環的典型流程如圖1-26（a）所示。圖中，過程1→2是低壓氣態制冷劑經壓縮機被壓縮成高壓氣態制冷劑，過程2→3是高壓氣態制冷劑經氣態冷卻器定壓放熱而降溫，過程3→4是降溫后的制冷劑經節流閥進行節流降壓，過程4→1是低壓液態制冷劑在蒸發器中定壓吸熱蒸發，成為氣態制冷劑回到壓縮機，從而完成一個制冷循環。

跨臨界制冷循環采用的典型制冷劑是CO₂（R744）。CO₂作為自然工質，在環保、理化等方面的綜合評價較傳統氟利昂類工質有明顯優勢，其應用對減少溫室效應和臭氧層破壞具有重要意義。CO₂曾是最早的制冷劑之一，在19世紀末到20世紀30年代得到普遍應用，尤其在船舶行業應用高達80%。但由于當時采用亞臨界循環，制冷效率較低，特別當環境溫度稍高時，其制冷能力急劇下降，且功耗增大。隨著制冷劑環保問題日益突出，CO₂跨臨界制冷循環的提出，CO₂作為制冷劑重新得到重視，其優點是對環境無污染，且無毒無害，尤其在高壓冷卻過程，由于流體在超臨界條件下的特殊熱物理性質，使CO₂在流動和換熱方面都具有無與倫比的優勢，而且，氣態冷卻器中制冷劑與冷卻介質逆流熱交換，既可以減少高壓側不可逆傳熱損失，又可以通過跨臨界循環獲得較高的排氣溫度和較大的溫度變化，避免熱源溫度過高導致的系統性能下降；缺點是系統壓力很高，對設備承壓有較高要求，因此設備較為笨重。

CO₂跨臨界制冷循環熱力過程為：低溫低壓的CO₂制冷工質在蒸發器中吸收周圍環境介質或被冷卻物體的熱量由液體變為低壓過熱蒸氣，低壓的CO₂蒸氣進入制冷壓縮機被絕熱壓縮為高壓高溫的氣體，高壓高溫的CO₂氣體然后進入空氣冷卻器，與冷卻介質進行熱交換，放出熱量，被定壓冷卻，然后進入節流閥（或膨脹機）絕熱節流（或絕熱膨脹）為低壓低溫的濕蒸氣，低壓低溫的CO₂液體重新進入蒸發器定壓吸熱蒸發，使被冷卻介質溫度降低，制取冷量。如此往復循環，實現連續制冷。因此，CO₂跨臨界制冷循環熱力計算為：

①單位質量制冷量q₀：

q₀=h₁-h₄　　（kJ/kg）　?。?-6'）

②單位冷卻熱負荷q_k：

q_k=h₂-h₃　?。╧J/kg）　?。?-10'）

③單位理論功w₀：

w₀=h₂-h₁　?。╧J/kg）　?。?-12'）

④理論制冷系數ε₀：

　?。?-14'）

制冷循環能量平衡方程：

w₀=q_k-q₀

前面我們已知，在亞臨界制冷循環中，兩個換熱均是相變，溫度與壓力互為函數，影響蒸氣壓縮式制冷循環制冷系數的主要因素是制冷過程的兩個工作壓力（工作溫度）。當蒸發壓力（溫度）為定值，制冷循環的制冷系數隨冷凝壓力（溫度）升高而下降；當冷凝壓力（溫度）為定值，制冷系數隨蒸發壓力（溫度）降低而下降。

但是在CO₂跨臨界制冷循環過程中，超臨界壓力下的CO₂無飽和狀態，溫度與壓力彼此獨立。當蒸發溫度t₀和氣體冷卻器出口溫度t₃保持恒定時，制冷循環的制冷系數隨高壓側壓力p₂（或壓縮比p₂/p₁）的升高，單位理論功耗w₀呈直線規律上升，而單位質量制冷量q₀上升幅度卻有逐漸減小的趨勢，二者綜合作用的結果使得制冷系數ε先逐漸升高再逐漸下降，在某個高壓側壓力p₂下出現最大值ε_max，對應于最大制冷系數ε_max的壓力稱為最優高壓側壓力p_20pt。研究表明，p_20pt受氣體冷卻器出口溫度t₃的影響幾乎成線性增函數規律變化，但蒸發溫度t₀對其影響并不明顯。利用制冷循環的制冷系數ε₀計算公式，根據極值存在條件求解p_20pt：

　?。?-32）

根據狀態方程和熱力學關系式，原則上可以由式（1-32）確定出不同條件下的最優高壓側壓力p_20pt。工程中可以使用半經驗公式計算：

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

在實際工程中，對于CO₂跨臨界制冷循環常常會采用蒸氣回熱循環、用膨脹機回收膨脹功等方式改善制冷循環、提高制冷效率。

①蒸氣回熱循環。圖1-27是帶有回熱器的CO₂跨臨界制冷循環工作流程及壓焓圖，與常規亞臨界循環的回熱循環相似，在回熱器中，蒸發器出口的低溫低壓氣態CO₂與氣體冷卻器出口的高溫高壓CO₂進行熱交換，蒸發器出口的低溫低壓氣態CO₂過熱保證干壓縮，氣體冷卻器出口的高溫高壓CO₂得到進一步冷卻，降低節流閥入口CO₂的溫度t₃，從而提高制冷循環的單位質量制冷量，使循環的理論制冷系數得到提升。同理，由圖1-27（b）可知，單位質量制冷劑的回熱量為：

q_h=h₃-h_3'=h_1'-h₁　?。╧J/kg）　?。?-17'）

制冷循環的理論制冷系數為：

　　（1-34）

②用膨脹機回收膨脹功。節流閥在制冷循環過程中存在節流損失，利用膨脹機代替節流閥、回收制冷劑從高壓到低壓過程的膨脹功可以有效提高制冷效率。將膨脹機回收能量作為壓縮氣體所必需能量的一部分來加以利用，制冷循環的制冷系數在雙重意義上得以提高，既減少了節流損失，又可降低功耗，而且CO₂的膨脹比比較低，膨脹功的回收率較高，因此采用膨脹機循環在實際工程中更具有可行性。

圖1-28是采用膨脹機的CO₂跨臨界制冷循環工作流程及溫熵圖，CO₂在膨脹過程中出現氣液相變，體積變化不大，主要靠壓力勢能和CO₂相變提供輸出功。此過程是自發過程，伴有壓力波的傳遞。圖1-28（b）中過程3→4表示采用節流閥等焓節流，過程3→5表示膨脹機內部的等熵膨脹過程，單位質量制冷劑輸出軸功是點3與點5的焓差，它包括兩個部分：一部分是超臨界流體轉變為飽和液體過程中輸出的軸功（過程3→6），該過程沒有相變，只有液體，稱為液體功；另一部分是在膨脹過程中出現相變，有氣泡產生，由氣液兩相流體的容積膨脹輸出的軸功（過程6→5），稱為相變功。

將膨脹機應用于制冷來回收膨脹功的方法：可以采用將膨脹機的輸出軸與壓縮機的驅動軸連接，作為壓縮動力的一部分；也可以將膨脹機與壓縮機做成一體結構，不向外部輸出膨脹壓力，回收其作為壓縮動力的一部分加以利用。