機(jī)械過(guò)冷CO2跨臨界制冷循環(huán)性能理論分析

代寶民 劉圣春 孫志利 齊海峰 陳啟 王曉明 馬一太

（1天津商業(yè)大學(xué)天津市制冷技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 天津 300134；2天津三電汽車(chē)空調(diào)有限公司 天津 300385；3天津市計(jì)量監(jiān)督檢測(cè)科學(xué)研究院 天津 300192；4天津大學(xué)熱能研究所 天津 300072）

氣候變化是當(dāng)今人類(lèi)社會(huì)面臨的重大挑戰(zhàn)，氟氯烴（CFCs）和氫氟氯烴（HCFCs）類(lèi)物質(zhì)破壞臭氧層并且具有較高的溫室效應(yīng)已被或?qū)⒅饾u被禁用。國(guó)際社會(huì)制定了相應(yīng)的政策法規(guī)應(yīng)對(duì)這一全球性問(wèn)題，溫室效應(yīng)問(wèn)題已經(jīng)引起了全球各國(guó)的密切關(guān)注。在這樣的形勢(shì)下，自然工質(zhì)成為當(dāng)今制冷空調(diào)行業(yè)的研究熱點(diǎn)。在眾多自然工質(zhì)中，CO2由于其安全環(huán)保的優(yōu)勢(shì)最具代表性和競(jìng)爭(zhēng)力。然而，由于CO2的臨界溫度為31.1℃，而臨界壓力高達(dá)7.38 MPa，運(yùn)行壓力較高、節(jié)流損失大，造成CO2跨臨界循環(huán)效率低于常規(guī)制冷劑系統(tǒng)，這是限制其推廣應(yīng)用的最主要原因。

對(duì)氣體冷卻器出口的CO2流體進(jìn)行過(guò)冷，隨著過(guò)冷度的增加，節(jié)流損失降低，循環(huán)冷量增加，提升循環(huán)COP。CO2制冷循環(huán)的過(guò)冷可通過(guò)內(nèi)部換熱器［1-2］、機(jī)械［3-4］、熱電［5-6］等方式實(shí)現(xiàn)。 一些學(xué)者對(duì)機(jī)械過(guò)冷用于CO2循環(huán)進(jìn)行了理論研究，即通過(guò)輔助蒸氣壓縮制冷循環(huán)對(duì)主循環(huán)（CO2跨臨界制冷循環(huán)）氣體冷卻器出口的CO2進(jìn)行冷卻。She Xiaohui等［7］提出在CO2主循環(huán)設(shè)置膨脹機(jī)，輸出的膨脹功驅(qū)動(dòng)輔助循環(huán)的壓縮機(jī)對(duì)CO2進(jìn)行過(guò)冷，計(jì)算結(jié)果表明 COP提升了49.2%。R.Llopis等［3］對(duì) CO2跨臨界機(jī)械過(guò)冷循環(huán)進(jìn)行了熱力學(xué)分析，表明COP和制冷量最高分別提升了20%和28.8%，并且降低了最優(yōu)高壓。雖然機(jī)械過(guò)冷循環(huán)需要一套輔助制冷循環(huán)，增加了成本，但輔助制冷循環(huán)的容量明顯小于主循環(huán)［8］，R.Llopis 等［3］的分析結(jié)果表明輔助循環(huán)壓縮機(jī)的功耗不到主循環(huán)的20%。B.A.Qureshi等［9］認(rèn)為投資回報(bào)期的長(zhǎng)短取決于制冷系統(tǒng)的容量大小，對(duì)于制冷量大于100 kW的系統(tǒng)，安裝輔助循環(huán)的回報(bào)期小于3年。機(jī)械過(guò)冷不僅能夠增加制冷量，而且可以降低主循環(huán)的運(yùn)行高壓，降低壓縮機(jī)排氣壓力，延長(zhǎng)壓縮機(jī)的使用壽命［8］。

相對(duì)其它幾種過(guò)冷方式，機(jī)械過(guò)冷更容易實(shí)現(xiàn)，是提高CO2跨臨界制冷循環(huán)能效、拓寬其使用范圍的可行措施。然而，到目前為止僅有少量理論分析研究的公開(kāi)發(fā)表，對(duì)其循環(huán)特性的研究有待進(jìn)一步開(kāi)展。本文對(duì)主循環(huán)和輔助循環(huán)的匹配特性進(jìn)行研究，為提高CO2跨臨界制冷循環(huán)的效率提供理論支撐。

1 模型建立

采用輔助蒸氣壓縮制冷循環(huán)對(duì)氣體冷卻器出口的CO2進(jìn)行過(guò)冷，可提高CO2跨臨界制冷循環(huán)效率，循環(huán)整體T-S圖和系統(tǒng)原理分別如圖1和圖2所示?？梢钥吹?，圖1中循環(huán)1-2-3-4-1為無(wú)過(guò)冷循環(huán)，即CO2跨臨界制冷循環(huán)；循環(huán)1-2-3″-4″-1為有過(guò)冷循環(huán)A，即主循環(huán)；循環(huán) 1′-2′-3′-4′-1′為輔助循環(huán) B，制冷工質(zhì)可選擇常規(guī)制冷劑。受環(huán)境溫度的限制（假設(shè)為35℃），CO2氣體冷卻器的出口溫度較高，為降低節(jié)流前CO2的溫度，可通過(guò)循環(huán)B的蒸發(fā)過(guò)程（4′-1′）將CO2過(guò)冷過(guò)程的放出熱量通過(guò)循環(huán)B轉(zhuǎn)移至冷卻水或大氣環(huán)境，實(shí)現(xiàn)CO2過(guò)冷。該換熱過(guò)程發(fā)生在過(guò)冷器中，類(lèi)似于機(jī)械過(guò)冷制冷循環(huán)中的冷凝蒸發(fā)器，但機(jī)械過(guò)冷部分僅發(fā)生在循環(huán)A的過(guò)冷段。因此，本文將該過(guò)冷器稱(chēng)為CO2冷卻蒸發(fā)器，將這種蒸氣壓縮輔助過(guò)冷循環(huán)（機(jī)械過(guò)冷循環(huán)）稱(chēng)為CO2跨臨界過(guò)冷區(qū)域機(jī)械過(guò)冷制冷循環(huán)。

圖1 機(jī)械過(guò)冷CO2跨臨界制冷循環(huán)T-S圖Fig.1 T-S diagram of CO2transcritical refrigeration cycle with mechanical subcolling

圖2 機(jī)械過(guò)冷CO2跨臨界制冷循環(huán)系統(tǒng)原理Fig.2 The principle of CO2transcritical refrigeration cycle with mechanical subcooling system

本文基于以下假設(shè)進(jìn)行分析：1）循環(huán)在穩(wěn)態(tài)工況下運(yùn)行；2）換熱器和管路中壓降和熱損失忽略不計(jì)；3）蒸發(fā)器出口為飽和氣態(tài)，輔助循環(huán)冷凝器出口為飽和液態(tài)；4）主循環(huán)氣體冷卻器出口CO2溫度與環(huán)境溫差為5℃；5）輔助循環(huán)冷凝溫度與環(huán)境溫差為10℃；6）冷卻蒸發(fā)器最小換熱溫差為5℃。

1）主循環(huán)

壓縮機(jī)：

式中：ηm，CO2和 ηe，CO2分別為 CO2壓縮機(jī)的機(jī)械效率和電機(jī)效率，均取0.9。

式中：ηs，CO2為 CO2壓縮機(jī)的等熵效率，取 0.8。

氣體冷卻器：

節(jié)流閥：

無(wú)過(guò)冷：

有過(guò)冷：

蒸發(fā)器：

無(wú)過(guò)冷：

有過(guò)冷：

2）輔助循環(huán)

壓縮機(jī)：

式中：ηm，Aux和ηe，Aux分別為輔助循環(huán)壓縮機(jī)的機(jī)械效率和電機(jī)效率。

式中：ηs，Aux是輔助循環(huán)壓縮機(jī)的等熵效率。

冷凝器：

節(jié)流閥：

冷卻蒸發(fā)器：

3）循環(huán)整體

無(wú)過(guò)冷：

有過(guò)冷：

2 結(jié)果和討論

由于 R152a的 GWP較低（＝124），相對(duì)于R1234yf等人工合成制冷劑價(jià)格便宜以獲取，綜合性能較好。因此，本文首先選擇輔助循環(huán)的工質(zhì)為R152a對(duì)循環(huán)的性能展開(kāi)分析討論。

2.1 排氣壓力和過(guò)冷度的影響

如圖3所示為蒸發(fā)溫度TE＝0℃，環(huán)境溫度TA＝30℃工況條件下，過(guò)冷循環(huán)性能系數(shù)COP隨排氣壓力ph和過(guò)冷度TSC的變化規(guī)律?？梢钥吹紺OP隨ph和TSC均先急劇增大后緩慢減小，當(dāng)ph＝8.34 MPa，TSC＝13.9 ℃時(shí)，COP取得最大值 2.84。ph和TSC共同影響循環(huán)整體性能，對(duì)應(yīng)的ph和TSC為最優(yōu)ph和最優(yōu)TSC。 由 F.Kauf［10］的分析結(jié)果可知，當(dāng)氣體冷卻器出口溫度一定時(shí)，由于CO2超臨界區(qū)域的S形等溫線和壓縮過(guò)程線共同作用，CO2跨臨界制冷循環(huán)存在最優(yōu)ph。

圖3 COP隨排氣壓力和過(guò)冷度的變化Fig.3 Variation of COP with discharge pressure and subcooling temperture

圖4所示為循環(huán)COP、制冷量QEva，SC、循環(huán)總功耗WCom，SC、主循環(huán)壓縮機(jī)功率WCom，CO2和輔助循環(huán)壓縮機(jī)功率WCom，Aux隨過(guò)冷度的變化規(guī)律。由于環(huán)境溫度、排氣壓力不變，主循環(huán)壓縮機(jī)功率不隨過(guò)冷度變化；而隨過(guò)冷度增加，輔助循環(huán)的蒸發(fā)溫度逐漸降低，導(dǎo)致壓縮機(jī)功耗迅速增加，總功耗急劇增大，但制冷量呈線性增加趨勢(shì)，最終共同作用結(jié)果顯示循環(huán)COP先增加后降低，在最優(yōu)過(guò)冷度處取得最大COP。為了保證比較基準(zhǔn)的合理性，下文的分析均基于最優(yōu)工況的結(jié)果進(jìn)行討論。

圖4 性能參數(shù)隨過(guò)冷度的變化Fig.4 Variation of performance parameters with subcooling temperature

2.2 最大COP的變化特性

如圖5（a）所示為基本循環(huán)（下標(biāo)用BASE表示）和有過(guò)冷循環(huán)（下標(biāo)用SC表示）最大COP隨環(huán)境溫度和蒸發(fā)溫度的變化規(guī)律。從圖中可知：COPBASE和COPSC均隨環(huán)境溫度升高而急劇下降，隨蒸發(fā)溫度的升高而增加；當(dāng)環(huán)境溫度為20～40℃時(shí)，COPSC＞COPBASE。圖 5（b）所示為 COP的提升率，定義為（COPSC-COPBASE）/COPBASE×100%，可知與基本循環(huán)相比，過(guò)冷循環(huán)COP提升率隨環(huán)境溫度的升高基本呈線性增加，且隨蒸發(fā)溫度的增加而逐漸降低，當(dāng)環(huán)境溫度為40℃，蒸發(fā)溫度為-15℃時(shí)，COP提升率高達(dá)43.8%；而對(duì)環(huán)境溫度為20℃，蒸發(fā)溫度為5℃的工況，COP提升率僅為6.2%。綜上所述，對(duì)于較高環(huán)境溫度和較低蒸發(fā)溫度的工況，通過(guò)蒸氣壓縮輔助制冷循環(huán)進(jìn)行過(guò)冷處理可明顯改善CO2跨臨界制冷循環(huán)的性能。

圖5 最大COP隨環(huán)境溫度和蒸發(fā)溫度的變化Fig.5 Variation of maximum COP with ambient temperature and evaporation temperature

2.3 最優(yōu)排氣壓力和過(guò)冷度的變化特性

圖6所示為過(guò)冷循環(huán)和基本循環(huán)最優(yōu)排氣壓力的變化。由圖6可知，最優(yōu)高壓隨環(huán)境溫度的升高線性增加，而蒸發(fā)溫度對(duì)最優(yōu)高壓的影響不明顯，尤其是過(guò)冷循環(huán)，當(dāng)環(huán)境溫度為40℃時(shí)，蒸發(fā)溫度由5℃降至-15℃，最優(yōu)高壓僅升高了0.12 MPa，而對(duì)基本循環(huán)升高了0.69 MPa。此外，當(dāng)環(huán)境溫度低于22℃時(shí)，最優(yōu)高壓基本不受過(guò)冷與否的影響，當(dāng)環(huán)境溫度高于22℃時(shí)，過(guò)冷區(qū)域機(jī)械過(guò)冷制冷循環(huán)的降壓優(yōu)勢(shì)逐漸凸顯，并且環(huán)境溫度越高，蒸發(fā)溫度越低，降壓效果越顯著。當(dāng)環(huán)境溫度 ＝40℃，蒸發(fā)溫度 ＝-15℃時(shí)，過(guò)冷循環(huán)的最優(yōu)排氣壓力由12.28 MPa降至10.27 MPa，降低了2.01 MPa。因此，從降低運(yùn)行高壓的角度而言，過(guò)冷循環(huán)同樣更適用于環(huán)境溫度較高的工況。

圖6 最優(yōu)排氣壓力隨環(huán)境溫度和蒸發(fā)溫度的變化Fig.6 Variation of optimal discharge pressure with ambient temperature and evaporation temperature

圖7所示為最優(yōu)過(guò)冷度隨環(huán)境溫度和蒸發(fā)溫度的變化。可知過(guò)冷度隨環(huán)境溫度的升高和蒸發(fā)溫度的降低逐漸增加，當(dāng)蒸發(fā)溫度為-15℃的工況，環(huán)境溫度高于28℃時(shí)，最優(yōu)過(guò)冷溫度均高于20℃，說(shuō)明循環(huán)需要較大的過(guò)冷度達(dá)到最優(yōu)工況，并且環(huán)境溫度越高、蒸發(fā)溫度越低時(shí)，對(duì)應(yīng)的最優(yōu)過(guò)冷度越高。

圖7 最優(yōu)過(guò)冷度隨環(huán)境溫度和蒸發(fā)溫度的變化Fig.7 Variation relationship of optimal subcooled temperature with ambient temperature and evaporating temperature

即使環(huán)境溫度不高，也需要較大的過(guò)冷度以達(dá)到最佳能效。因此，可以推斷CO2過(guò)冷區(qū)域機(jī)械過(guò)冷制冷循環(huán)更適用于蒸發(fā)溫度要求較低應(yīng)用場(chǎng)所，如商用冷凍冷藏行業(yè)。

2.4 壓縮機(jī)排氣溫度和功耗的變化特性

圖8所示為基本循環(huán)和過(guò)冷循環(huán)在最優(yōu)工況下的壓縮機(jī)排氣溫度?？芍艢鉁囟入S環(huán)境溫度的升高和蒸發(fā)溫度的降低呈線性增加趨勢(shì)。當(dāng)環(huán)境溫度＜22℃時(shí)，過(guò)冷對(duì)排氣溫度的影響不明顯，當(dāng)環(huán)境溫度＞22℃時(shí)，過(guò)冷循環(huán)的排氣溫度低于基本循環(huán)，并且環(huán)境溫度越高、蒸發(fā)溫度越低，排氣溫度的降低越明顯，在環(huán)境溫度＝40℃、蒸發(fā)溫度＝-15℃時(shí)，排氣溫度降低了17.5℃。

圖8 排氣溫度隨環(huán)境溫度的變化Fig.8 Variation of discharge temperature

圖9所示為輔助循環(huán)和主循環(huán)壓縮機(jī)功率在不同工況下的變化規(guī)律。輔助循環(huán)相對(duì)主循環(huán)的功耗隨環(huán)境溫度升高急劇增加，并且蒸發(fā)溫度越高，功耗比隨環(huán)境溫度變化越劇烈，對(duì)于蒸發(fā)溫度為5℃的工況，當(dāng)環(huán)境溫度由20℃增加至40℃時(shí)，功耗比由0.11增加至0.29。當(dāng)環(huán)境溫度低于31℃時(shí)，功耗比隨蒸發(fā)溫度的降低而增加，但當(dāng)環(huán)境溫度高于31℃時(shí)，蒸發(fā)溫度越高功耗比越大。此外，輔助循環(huán)的容量相對(duì)于主循環(huán)較小，文中研究工況范圍內(nèi)輔助循環(huán)壓縮機(jī)的相對(duì)功耗≤0.3，并且與圖5（b）比較可知，當(dāng)環(huán)境溫度為40℃、蒸發(fā)溫度為-15℃時(shí)，相對(duì)基本循環(huán)，輔助循環(huán)壓縮機(jī)的相對(duì)功耗量為0.29，但COP提升量高達(dá)43.8%，表現(xiàn)了很好的經(jīng)濟(jì)性。

因此，對(duì)于環(huán)境溫度較高、蒸發(fā)溫度較低的運(yùn)行工況，在保證制冷量不變的前提下，可通過(guò)輔助制冷循環(huán)提升循環(huán)效率，從而減小了CO2壓縮機(jī)的容量，使循環(huán)高效經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

2.5 輔助循環(huán)工質(zhì)選擇的影響

筆者選取了11種工質(zhì)作為輔助循環(huán)的制冷劑，其物理、安全和環(huán)保特性如表1所示。除R134a和R32外，其它9種制冷劑的GWP＜150，屬于低GWP制冷劑，而R32的GWP＝675，是一些非共沸混合制冷劑的重要組元，也是目前替代HCFCs呼聲較高的制冷劑，雖然R134a GWP高達(dá)1 370，但考慮其廣泛應(yīng)用于制冷空調(diào)領(lǐng)域，本文也將其作為輔助循環(huán)工質(zhì)進(jìn)行分析。

圖9 輔助循環(huán)和主循環(huán)壓縮機(jī)功耗比值Fig.9 Power consumption ratio of auxiliary cycle and main cycle compressor

圖10所示為當(dāng)蒸發(fā)溫度＝0℃、環(huán)境溫度＝30℃時(shí)，基本循環(huán)和采用不同輔助循環(huán)制冷劑的過(guò)冷循環(huán)在最優(yōu)工況下的COP?？芍獰o(wú)論輔助循環(huán)采用何種制冷劑，過(guò)冷循環(huán)COP均遠(yuǎn)高于基本循環(huán)。對(duì)于采用11種不同輔助循環(huán)制冷劑的循環(huán)整體性能，制冷劑為R41的COP明顯低于采用其它10種制冷劑的循環(huán)，這是由于R41的臨界溫度較低僅為44.1℃，而此時(shí)冷凝溫度為40℃，R41節(jié)流后進(jìn)入蒸發(fā)器的制冷劑干度較高，輔助循環(huán)效率較低，導(dǎo)致循環(huán)真題效率偏低。但對(duì)于采用其它10種工質(zhì)作為輔助循環(huán)制冷劑的循環(huán)，其性能差異不大，COP最高的為 R717，其次為R152a和RE170。

圖10 不同輔助循環(huán)制冷劑的過(guò)冷循環(huán)COPFig.10 Subcooled cycle′s COP of different auxiliary cycle refrigerant

表1 制冷劑的物理性質(zhì)、安全及環(huán)保特性Tab.1 The physical properties，safety and environmental characteristics of refrigerant

3 結(jié)論

采用蒸氣壓縮輔助制冷循環(huán)對(duì)CO2跨臨界制冷循環(huán)的氣體冷卻器出口CO2流體進(jìn)一步冷卻，可提高CO2制冷循環(huán)的性能。本文首先對(duì)輔助循環(huán)采用R152a的循環(huán)的熱力學(xué)性能進(jìn)行理論分析，對(duì)不同環(huán)境溫度、不同蒸發(fā)溫度條件下循環(huán)的運(yùn)行規(guī)律進(jìn)行討論并與基本CO2跨臨界制冷循環(huán)進(jìn)行比較，最后對(duì)輔助循環(huán)采用其它制冷劑的循環(huán)性能進(jìn)行分析，得到如下結(jié)論：

1）排氣壓力和過(guò)冷度對(duì)CO2跨臨界過(guò)冷區(qū)域機(jī)械過(guò)冷制冷循環(huán)的性能影響顯著，循環(huán)存在最大COP，對(duì)應(yīng)最優(yōu)排氣壓力和最優(yōu)過(guò)冷度。

2）環(huán)境溫度越高、蒸發(fā)溫度越低，過(guò)冷區(qū)域機(jī)械過(guò)冷循環(huán)的性能提升越明顯，在環(huán)境溫度＝40℃，蒸發(fā)溫度＝-15℃的工況，COP提升率高達(dá)43.8%。

3）過(guò)冷區(qū)域機(jī)械過(guò)冷循環(huán)可顯著降低CO2跨臨界循環(huán)的排氣壓力和溫度，當(dāng)環(huán)境溫度為40℃，蒸發(fā)溫度為-15℃時(shí)，排氣壓力和溫度分別降低了2.01 MPa和17.5℃；

4）在本文研究工況范圍內(nèi)，輔助循環(huán)壓縮機(jī)功耗相對(duì)主循環(huán)壓縮機(jī)較小，均小于0.3，在保證制冷量不變的前提下可減小CO2壓縮機(jī)的容量，循環(huán)高效經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

5）輔助循環(huán)采用不同制冷劑對(duì)循環(huán)整體性能均有顯著提升作用，除了R41的提升程度較低外，其它10種工質(zhì)的提升程度差異不明顯，最高的為R717。

6）CO2過(guò)冷區(qū)域機(jī)械過(guò)冷制冷循環(huán)更適用于環(huán)境溫度較高、蒸發(fā)溫度較低應(yīng)用場(chǎng)所。

本文受天津商業(yè)大學(xué)國(guó)家基金培育（160121）和天津市高等學(xué)校自然科學(xué)研究項(xiàng)目資助。（The project was supported by the Cultivation National Project of Tianjin University of Commerce（No.160121）and Natural Science Research Project of Tianjin Higher Learning Institution.）

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