吴宇超 曹建明

摘 要：文章对跨临界CO₂预冷LNG制冷循环进行了热力学理论研究和数值模拟分析，并采用加回热器和膨胀机的跨临界CO₂预冷LNG单级压缩循环分析了CO₂用于制冷循环的实际意义。数值研究结果表明：整个循环过程存在最适宜的高压压力，使得循环系统的制冷系数达到最大;带回热器的制冷循环系统中回热器所交换的换热量是影响COP 的一个重要因素。同时通过对CO₂制冷循环系统的不断优化提高了COP。

关键词：跨临界CO₂循环;LNG;COP

中图分类号：U463.6  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2020）09-209-03

The recycling performance of green working medium CO₂ in thepre-cooling stage of LNG

Wu Yuchao， Cao Jianming

（ Xi'an Chang'an University， Shaanxi Xi'an 710054 ）

Abstract： In this paper， the thermodynamic theory and numerical simulation of Transcritical CO₂ precooled LNG refrigera -tion cycle are studied， and the practical significance of CO₂ used in the refrigeration cycle is analyzed by using the single- stage compression cycle of Transcritical CO₂ precooled LNG with regenerator and expander. The numerical results show that there is the most suitable high pressure in the whole cycle process， which makes the refrigeration coefficient of the cycle system reach the maximum; the heat exchange of the regenerator in the refrigeration cycle system with heat exchanger is an important factor affecting cop. At the same time， cop is improved by continuous optimization of CO₂ refrigeration cycle system.

Keywords： Transcritical CO₂ cycle; LNG; The COP

CLC NO.： U463.6  Document Code： A  Article ID： 1671-7988（2020）09-209-03

1 引言

自前國际制冷学会主席提出采用CO₂作为环保制冷剂及跨临界循环理论以来^[1]，CO₂在环保和制冷上的优势越来越多地被大家所熟知，也吸引了越来越多的科学家投入研究行列之中。CO₂用于制冷循环应用的设备和理论也不断在发展，目前CO₂制冷主要应用在汽车空调系统、船舱空调系统、高温热泵热水、以及复叠式制冷系统中。

通过改善CO₂跨临界循环方式，进一步增添相关配套设备，把方式和设备配合到极致，有效地减少节流损失、散热损失等各种可以规避的损失，提高制冷效率，CO₂跨临界制冷必定会更有市场。

1 跨临界CO2预冷LNG基本流程模拟分析

原始数据：设定天然气从蒸发器出口温度为﹣40℃，制冷剂CO₂从蒸发器进口温度为﹣43℃，由于气体冷却器中的传热工质是冷却水，所以设制冷剂CO₂从气体冷却器的出口温度为31℃。

制冷循环过程：跨临界CO₂单级压缩制冷系统由蒸发器、压缩机、冷却器和节流阀等四部分组成，可分为4个基本过程：（1）蒸发过程;（2）压缩过程;（3）冷却过程;（4）节流过程。

（1）蒸发过程：既包含气体也包含液体的CO₂经节流阀流入蒸发器后，因为经过节流阀，压力降低，所以CO₂开始沸腾汽化，其汽化也称蒸发温度与此时此刻的压力密切相关。未饱和的CO₂在汽化阶段中，吸收蒸发器中其他介质（此处为LNG）的热量，LNG由于CO₂不断吸收热量而温度慢慢下降，实现了制冷的目的。液体的汽化过程是一个渐变过程，最终所以的液体变成干饱和蒸汽，继而流入压缩机的吸气口。在蒸发器中CO₂的变化是等压过程。

（2）压缩过程：从蒸发器出来的CO₂干饱和蒸汽不断的被压缩机吸入，此时CO₂压力、温度不断升高直至超过其自身的临界压力和临界温度，状态也由亚临界状态变成跨临界状态。在压缩机中CO₂的变化是等熵过程。

（3）冷却过程：从制冷压缩机出口排出的CO₂（跨临界状态）在气体冷却器中冷凝并不断放出热量，把热量传给它旁边的冷却水，从而使CO₂（跨临界状态）逐渐冷却，在冷却器中CO₂的状态变化是等压过程。

（4）节流过程：从冷却器中出来的CO₂经过节流阀后压力、温度不断降低，此时压力和温度已低于自身的临界压力和临界温度。在节流阀中CO₂的变化是等焓过程。

1.1 跨临界CO₂单级压缩膨胀机循环

由于节流阀有节流损失且这部分损失较大不可逆，所以在跨临界CO₂单级压缩制冷循环的基础上把节流阀换成了膨胀机，其它部分不变，基本循环过程也不变。唯一的变化过程就是节流过程中CO₂狀态的变化由等焓变成了等熵过程，实际制冷的净功为压缩机和膨胀机做功的代数和，相当于减小了功耗。

循环流程中各状态点热力性质参数：

1-2为压缩机中的等熵过程S₁=S₂

3-4为膨胀机中的等熵过程S₃=S₄

4-1为蒸发器中的等压过程P₁= P₄

2-3为气体冷却器中的等压过程P₂= P₃

改变增压压力：

1.2 压力的影响

从数据计算可以发现，当CO₂从冷却器出口温度和CO₂从蒸发器进口温度不变时，制冷系数的大小随增压压力先逐渐增大当增大到最大值后又开始下降，即对应一个最佳压力，此处最佳压力为8300Kpa。

2 带回热器的跨临界CO₂单级压缩膨胀机循环

在带回热器的跨临界CO₂单级压缩循环基础之上把节流阀换成了膨胀机，相当于前述不带回热器的跨临界CO₂单级压缩基本循环用膨胀机代替节流阀，主要是弥补了节流阀所带来的一系列不必要的损失，同时减小了整体的功耗，这样制冷效率肯定有所提高。

计算原理及过程：等压换热量等于焓变

满足关系：

3-4和6-1过程中换热量相等h₃-h₄=h₁-h₆

1-2为压缩机中的等熵过程S₁=S₂

4-5为膨胀机中的等熵过程S₃=S₄

2-3为气体冷却器中的等压过程P₂= P₃

5-6为蒸发器中的等压过程P₅= P₆

计算公式：

2.1 换热量的影响

换热量的影响也可以说成是回热器中温度变化量的影响，从理论上分析，加回热器会使得制冷量和作功量同时上升，但只要在一定的范围内，制冷量的增长幅度大于作功量，制冷效率COP便整体可得提高。由计算数据可以看出，随着换热量的增加，制冷效率不断提高，刚好满足了制冷量增加快一点的条件。

3 比较与分析

在同样的基本循环条件、基本循环流程及基本循环装置都相同下，加膨胀机的制冷循环系统制冷效率会显著提高，带回热器膨胀机的制冷循环相比只带膨胀机的基本制冷循环制冷效率反而下降，所以带回热器能否提高制冷效率，还要视具体情况而定。

实际模拟分析也证明在不断的变换装置和研究双级压缩循环下CO₂制冷效率得到了提升。

考文文献

[1] Gustav Lorentzen，JosteinPettersen.Anew，efficient and environmen -tally bengin system for car air-conditioning[J].international Journal of Refrigeration，1993，16（1）;4-12.

[2] 马一太，杨昭，吕灿仁，CO₂跨临界（逆）循环的热力学分析[J].工程热物理学报，1998，19 （6），665-668.

[3] 丁国良，黄东平，张春路.跨临界二氧化碳汽车空调特性分析[J].制冷学报，2001，（3）：12-23.

[4] 黎立新.船用二氧化碳制冷系统变工况模拟与分析[J].流体机械， 2004，32（5）;46-49.