綠色環(huán)保工質(zhì)CO2用于LNG預(yù)冷段的循環(huán)性能

吳宇超 曹建明

摘 要：文章對跨臨界CO₂預(yù)冷LNG制冷循環(huán)進(jìn)行了熱力學(xué)理論研究和數(shù)值模擬分析，并采用加回?zé)崞骱团蛎洐C(jī)的跨臨界CO₂預(yù)冷LNG單級壓縮循環(huán)分析了CO₂用于制冷循環(huán)的實(shí)際意義。數(shù)值研究結(jié)果表明：整個循環(huán)過程存在最適宜的高壓壓力，使得循環(huán)系統(tǒng)的制冷系數(shù)達(dá)到最大;帶回?zé)崞鞯闹评溲h(huán)系統(tǒng)中回?zé)崞魉粨Q的換熱量是影響COP 的一個重要因素。同時通過對CO₂制冷循環(huán)系統(tǒng)的不斷優(yōu)化提高了COP。

關(guān)鍵詞：跨臨界CO₂循環(huán);LNG;COP

中圖分類號：U463.6 ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ?文章編號：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

自前國際制冷學(xué)會主席提出采用CO₂作為環(huán)保制冷劑及跨臨界循環(huán)理論以來^[1]，CO₂在環(huán)保和制冷上的優(yōu)勢越來越多地被大家所熟知，也吸引了越來越多的科學(xué)家投入研究行列之中。CO₂用于制冷循環(huán)應(yīng)用的設(shè)備和理論也不斷在發(fā)展，目前CO₂制冷主要應(yīng)用在汽車空調(diào)系統(tǒng)、船艙空調(diào)系統(tǒng)、高溫?zé)岜脽崴?、以及?fù)疊式制冷系統(tǒng)中。

通過改善CO₂跨臨界循環(huán)方式，進(jìn)一步增添相關(guān)配套設(shè)備，把方式和設(shè)備配合到極致，有效地減少節(jié)流損失、散熱損失等各種可以規(guī)避的損失，提高制冷效率，CO₂跨臨界制冷必定會更有市場。

1?跨臨界CO2預(yù)冷LNG基本流程模擬分析

原始數(shù)據(jù)：設(shè)定天然氣從蒸發(fā)器出口溫度為﹣40℃，制冷劑CO₂從蒸發(fā)器進(jìn)口溫度為﹣43℃，由于氣體冷卻器中的傳熱工質(zhì)是冷卻水，所以設(shè)制冷劑CO₂從氣體冷卻器的出口溫度為31℃。

制冷循環(huán)過程：跨臨界CO₂單級壓縮制冷系統(tǒng)由蒸發(fā)器、壓縮機(jī)、冷卻器和節(jié)流閥等四部分組成，可分為4個基本過程：（1）蒸發(fā)過程;（2）壓縮過程;（3）冷卻過程;（4）節(jié)流過程。

（1）蒸發(fā)過程：既包含氣體也包含液體的CO₂經(jīng)節(jié)流閥流入蒸發(fā)器后，因?yàn)榻?jīng)過節(jié)流閥，壓力降低，所以CO₂開始沸騰汽化，其汽化也稱蒸發(fā)溫度與此時此刻的壓力密切相關(guān)。未飽和的CO₂在汽化階段中，吸收蒸發(fā)器中其他介質(zhì)（此處為LNG）的熱量，LNG由于CO₂不斷吸收熱量而溫度慢慢下降，實(shí)現(xiàn)了制冷的目的。液體的汽化過程是一個漸變過程，最終所以的液體變成干飽和蒸汽，繼而流入壓縮機(jī)的吸氣口。在蒸發(fā)器中CO₂的變化是等壓過程。

（2）壓縮過程：從蒸發(fā)器出來的CO₂干飽和蒸汽不斷的被壓縮機(jī)吸入，此時CO₂壓力、溫度不斷升高直至超過其自身的臨界壓力和臨界溫度，狀態(tài)也由亞臨界狀態(tài)變成跨臨界狀態(tài)。在壓縮機(jī)中CO₂的變化是等熵過程。

（3）冷卻過程：從制冷壓縮機(jī)出口排出的CO₂（跨臨界狀態(tài)）在氣體冷卻器中冷凝并不斷放出熱量，把熱量傳給它旁邊的冷卻水，從而使CO₂（跨臨界狀態(tài)）逐漸冷卻，在冷卻器中CO₂的狀態(tài)變化是等壓過程。

（4）節(jié)流過程：從冷卻器中出來的CO₂經(jīng)過節(jié)流閥后壓力、溫度不斷降低，此時壓力和溫度已低于自身的臨界壓力和臨界溫度。在節(jié)流閥中CO₂的變化是等焓過程。

1.1?跨臨界CO₂單級壓縮膨脹機(jī)循環(huán)

由于節(jié)流閥有節(jié)流損失且這部分損失較大不可逆，所以在跨臨界CO₂單級壓縮制冷循環(huán)的基礎(chǔ)上把節(jié)流閥換成了膨脹機(jī)，其它部分不變，基本循環(huán)過程也不變。唯一的變化過程就是節(jié)流過程中CO₂狀態(tài)的變化由等焓變成了等熵過程，實(shí)際制冷的凈功為壓縮機(jī)和膨脹機(jī)做功的代數(shù)和，相當(dāng)于減小了功耗。

循環(huán)流程中各狀態(tài)點(diǎn)熱力性質(zhì)參數(shù)：

1-2為壓縮機(jī)中的等熵過程S₁=S₂

3-4為膨脹機(jī)中的等熵過程S₃=S₄

4-1為蒸發(fā)器中的等壓過程P₁=?P₄

2-3為氣體冷卻器中的等壓過程P₂=?P₃

改變增壓壓力：

1.2?壓力的影響

從數(shù)據(jù)計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)CO₂從冷卻器出口溫度和CO₂從蒸發(fā)器進(jìn)口溫度不變時，制冷系數(shù)的大小隨增壓壓力先逐漸增大當(dāng)增大到最大值后又開始下降，即對應(yīng)一個最佳壓力，此處最佳壓力為8300Kpa。

2?帶回?zé)崞鞯目缗R界CO₂單級壓縮膨脹機(jī)循環(huán)

在帶回?zé)崞鞯目缗R界CO₂單級壓縮循環(huán)基礎(chǔ)之上把節(jié)流閥換成了膨脹機(jī)，相當(dāng)于前述不帶回?zé)崞鞯目缗R界CO₂單級壓縮基本循環(huán)用膨脹機(jī)代替節(jié)流閥，主要是彌補(bǔ)了節(jié)流閥所帶來的一系列不必要的損失，同時減小了整體的功耗，這樣制冷效率肯定有所提高。

計(jì)算原理及過程：等壓換熱量等于焓變

滿足關(guān)系：

3-4和6-1過程中換熱量相等h₃-h₄=h₁-h₆

1-2為壓縮機(jī)中的等熵過程S₁=S₂

4-5為膨脹機(jī)中的等熵過程S₃=S₄

2-3為氣體冷卻器中的等壓過程P₂=?P₃

5-6為蒸發(fā)器中的等壓過程P₅=?P₆

計(jì)算公式：

2.1?換熱量的影響

換熱量的影響也可以說成是回?zé)崞髦袦囟茸兓康挠绊?，從理論上分析，加回?zé)崞鲿沟弥评淞亢妥鞴α客瑫r上升，但只要在一定的范圍內(nèi)，制冷量的增長幅度大于作功量，制冷效率COP便整體可得提高。由計(jì)算數(shù)據(jù)可以看出，隨著換熱量的增加，制冷效率不斷提高，剛好滿足了制冷量增加快一點(diǎn)的條件。

3 比較與分析

在同樣的基本循環(huán)條件、基本循環(huán)流程及基本循環(huán)裝置都相同下，加膨脹機(jī)的制冷循環(huán)系統(tǒng)制冷效率會顯著提高，帶回?zé)崞髋蛎洐C(jī)的制冷循環(huán)相比只帶膨脹機(jī)的基本制冷循環(huán)制冷效率反而下降，所以帶回?zé)崞髂芊裉岣咧评湫?，還要視具體情況而定。

實(shí)際模擬分析也證明在不斷的變換裝置和研究雙級壓縮循環(huán)下CO₂制冷效率得到了提升。

考文文獻(xiàn)

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