帶內(nèi)部熱交換器的CO2增壓制冷系統(tǒng)熱力學(xué)分析

劉圣春，劉 坤，王嘉豪，代寶民，楊 鑫，張 鵬

（1.天津商業(yè)大學(xué) 天津市制冷技術(shù)重點(diǎn)實驗室，天津 300134；2.大連海事大學(xué)，遼寧大連 116026）

0 引言

近十年來，考慮到F-Gas法規(guī)和《蒙特利爾議定書》基加利修正案對人工合成制冷劑使用的嚴(yán)格限制，天然制冷劑CO2引起了大量學(xué)者的關(guān)注，越來越多地應(yīng)用在各種制冷和供熱的系統(tǒng)中［1-3］。商超制冷系統(tǒng)造成了大量的能源消耗和溫室效應(yīng)，為了減少合成制冷劑對氣候的影響，CO2也被作為制冷劑用于商超增壓制冷系統(tǒng)［4］。

曹鋒等［5］通過將CO2增壓制冷系統(tǒng)與傳統(tǒng)單級壓縮CO2跨臨界制冷系統(tǒng)進(jìn)行熱力學(xué)對比分析，前者的COP要比后者高10%以上。GULLO等［6］從理論上得出，在相同氣候下，CO2增壓制冷系統(tǒng)要比R404A制冷系統(tǒng)節(jié)能7.5%～17%。CO2增壓制冷系統(tǒng)還可以用壓縮機(jī)排氣余熱制取超市用熱水，比單獨(dú)供熱系統(tǒng)更節(jié)能［7］。綜上可知，相比于其它形式系統(tǒng)來說，CO2增壓制冷系統(tǒng)是跨臨界CO2制冷在商超領(lǐng)域未來的發(fā)展方向。

由于CO2增壓制冷系統(tǒng)在環(huán)境溫度高的地區(qū)COP較低，提升該系統(tǒng)的性能，成為了重點(diǎn)研究的方向［8］。內(nèi)部熱交換器（IHX）是一種最簡單的過冷手段，通過在系統(tǒng)中加入該組件可以獲得一定的過冷度［9］。CHEN等［10-11］的研究表明，對于跨臨界CO2制冷系統(tǒng)，IHX效率會影響CO2增壓制冷系統(tǒng)最優(yōu)排氣壓力的確定及系統(tǒng)的COP。ZHANG等［12］研究發(fā)現(xiàn)，IHX不適合亞臨界CO2系統(tǒng)，但是可以提高跨臨界CO2系統(tǒng)的性能。SáNCHEZ等［13］研究了IHX在不同位置對傳統(tǒng)CO2跨臨界系統(tǒng)的影響，結(jié)果表明，無論IHX在系統(tǒng)中的哪個位置，系統(tǒng)的最優(yōu)排氣壓力始終低于常規(guī)系統(tǒng)。KARAMPOUR等［14］研究表明，IHX只能有限地提高CO2增壓系統(tǒng)的制冷能力，但可以實現(xiàn)CO2增壓制冷系統(tǒng)的熱量回收。本文將IHX應(yīng)用在CO2增壓系統(tǒng)中，構(gòu)建了一種新的系統(tǒng)形式，與常規(guī)的增壓系統(tǒng)進(jìn)行對比分析研究，并分析了該系統(tǒng)在中國典型城市適用性。

1 系統(tǒng)模型建立

常規(guī)CO2增壓系統(tǒng)的原理如圖1（a）所示，其壓焓圖如圖1（b）所示。常規(guī)增壓系統(tǒng)是專用于超市的冷凍冷藏的CO2制冷系統(tǒng)，因此具有2個蒸發(fā)器，分別是冷藏的中溫（MT）蒸發(fā)器和冷凍的低溫（LT）蒸發(fā)器。低壓級（LP）壓縮機(jī)將LT蒸發(fā)器出口的制冷劑壓力提高到MT蒸發(fā)壓力。高壓級（HP）壓縮機(jī)將制冷劑的壓力提高到冷凝壓力。帶IHX的增壓系統(tǒng)的原理如圖2（a）所示，壓焓圖如圖2（b）所示。

圖1 常規(guī)增壓系統(tǒng)的原理和壓焓圖Fig.1 Schematic diagram and pressure-enthalpy diagram of the conventional booster system

圖2 帶IHX的增壓系統(tǒng)原理和壓焓圖Fig.2 Schematic diagram and pressure-enthalpy diagram of booster system with IHX

系統(tǒng)中的IHX將氣體冷卻器出口的制冷劑和進(jìn)入HP壓縮機(jī)前的制冷劑作為冷熱流進(jìn)行換熱，從而使得氣體冷卻器出口的制冷劑獲得一定的過冷度，但是與此同時HP壓縮機(jī)入口的制冷劑也會獲得一定的過熱度。

2 工況設(shè)置

本文研究的CO2增壓制冷系統(tǒng)是用于商超制冷，中溫和低溫蒸發(fā)器的蒸發(fā)溫度不會隨環(huán)境溫度變化而改變，假設(shè)模擬過程中制冷量、蒸發(fā)溫度，過熱度等都為定值，CO2增壓系統(tǒng)的模擬分析的工況設(shè)置見表1，熱力學(xué)計算模型見表2。

表1 CO2增壓系統(tǒng)的模擬分析的工況設(shè)置［15］Tab.1 Setting of working conditions for simulation analysis of conventional CO2 booster system

表2 CO2增壓系統(tǒng)的熱力學(xué)計算模型Tab.2 Thermodynamic calculation model of conventional CO2 booster system

3 熱力學(xué)模型

本文的研究分析參考GULLO等［15］的熱力學(xué)模型，當(dāng)環(huán)境溫度較低時，CO2增壓制冷系統(tǒng)將在亞臨界條件下運(yùn)行，當(dāng)環(huán)境溫度較高時，系統(tǒng)在跨臨界條件下運(yùn)行，因此將根據(jù)HP壓縮機(jī)的排氣壓力和環(huán)境溫度分為4個區(qū)域，如圖3所示。

圖3 CO2增壓系統(tǒng)的工況劃分Fig.3 Division of working conditions of the conventional CO2 booster system

區(qū)域1：亞臨界區(qū)域，A點(diǎn)以下，A點(diǎn)的狀態(tài)為環(huán)境溫度 -2 ℃［15］，HP 壓縮機(jī)排氣壓力 4.28 MPa，系統(tǒng)在亞臨界的狀態(tài)運(yùn)行，冷凝溫度為8 ℃。區(qū)域1中HP壓縮機(jī)和LP級壓縮機(jī)的整體效率如下（區(qū)域1，2和3壓縮機(jī)整體效率相同）［15］：

式中 ηglobal，HP，ηglobal，LP—— 高壓級與低壓級壓縮機(jī)的整體效率；

pHP——高壓級壓縮機(jī)排氣壓力，MPa；

pMT——中溫級蒸發(fā)壓力，MPa；

pLT——低溫級蒸發(fā)壓力，MPa。

區(qū)域2：亞臨界區(qū)域，介于A點(diǎn)與B點(diǎn)之間，B點(diǎn)的狀態(tài)是環(huán)境溫度為10 ℃，HP排氣壓力為5.73 MPa。在這個區(qū)域中，系統(tǒng)是以亞臨界的狀態(tài)進(jìn)行工作。其氣冷器出口CO2的溫度由環(huán)境溫度與接近溫度決定，如下式，在區(qū)域2中取10 ℃［15］。

式中 tGC，out——?dú)饫淦?CO2出口溫度，℃；

tamb——環(huán)境溫度，℃；

tapp——接近溫度，℃。

區(qū)域3：轉(zhuǎn)換區(qū)域，位于點(diǎn)B與點(diǎn)C之間，C點(diǎn)的環(huán)境溫度為25 ℃，HP排氣壓力為7.49 MPa。此區(qū)域中氣冷器出口的CO2的狀態(tài)如下［15］：

式中 pGC——進(jìn)入氣冷器中CO2的壓力，MPa。

區(qū)域4：跨臨界區(qū)域，本區(qū)域位于C點(diǎn)以上，系統(tǒng)處于跨臨界區(qū)域運(yùn)行。此時系統(tǒng)的氣冷出口CO2的溫度表達(dá)式為式（4），本區(qū)域中的接近溫度取5 ℃。

本區(qū)域中的壓縮機(jī)的整體效率的表達(dá)如式（6）（7）所示［15］：

區(qū)域4中的高壓級壓縮機(jī)的排氣壓力取最優(yōu)排氣壓力。

其中高壓級壓縮機(jī)功耗計算公式如式（8）所示：

4 結(jié)果分析

4.1 常規(guī)系統(tǒng)熱力學(xué)分析

通過建立熱力學(xué)模型，對常規(guī)CO2增壓系統(tǒng)模擬分析，可以研究系統(tǒng)性能隨環(huán)境溫度工況的變化情況，環(huán)境溫度在-3～40 ℃范圍內(nèi)常規(guī)增壓系統(tǒng)的COP及高壓級和低壓級壓縮機(jī)功耗如圖4所示。

圖4 常規(guī)增壓系統(tǒng)的COP及壓縮機(jī)功耗Fig.4 COP and compressor power consumption of conventional booster system

由表2可知，蒸發(fā)溫度和制冷量在模擬過程中為恒定值，因此2個蒸發(fā)器的制冷量流量是定值，同時LP壓縮機(jī)的功耗為定值，但由于環(huán)境溫度變化，HP壓縮機(jī)的耗功在變化，從而COP也在變化，根據(jù)圖4可得，環(huán)境溫度從-3 ℃增加到40 ℃的時候，COP由5.24降低至1.06，這說明當(dāng)環(huán)境溫度升高時，系統(tǒng)的性能將會快速下降，這是因為隨著環(huán)境溫度的升高，LP壓縮機(jī)的功耗是定值，但HP壓縮機(jī)的功耗迅速增加，使得整個系統(tǒng)功耗增大，導(dǎo)致系統(tǒng)效率降低。

常規(guī)商超CO2增壓系統(tǒng)在環(huán)境溫度較低的區(qū)域制冷效率很高，但是在環(huán)境溫度較高的地區(qū)，由于系統(tǒng)中閃蒸氣體增多，壓縮機(jī)功耗增加等原因COP會下降，這不利于增壓系統(tǒng)的推廣，但是這也說明了系統(tǒng)可提升性非常高。

4.2 系統(tǒng)對比分析

通過對帶內(nèi)部熱交換器的CO2增壓系統(tǒng)和常規(guī)增壓系統(tǒng)的熱力學(xué)模型進(jìn)行對比和分析，可以找出更優(yōu)的解決方案，并對系統(tǒng)進(jìn)行有效的評估。

最優(yōu)排氣壓力仍然是一個很重要的參數(shù)，在環(huán)境溫度一定時，隨著高壓級壓縮機(jī)排氣壓力上升，CO2增壓系統(tǒng)的COP會先增加后降低，取得最大COP時，對應(yīng)的壓縮機(jī)排氣壓力稱為最優(yōu)排氣壓力。通過圖5可得，在相同的工作條件下，帶IHX的系統(tǒng)的HP壓縮機(jī)排氣壓力的最優(yōu)值始終低于常規(guī)系統(tǒng)，說明使用氣冷器入口的制冷劑與高壓級壓縮機(jī)的吸氣口的制冷劑在內(nèi)部熱交換器中進(jìn)行換熱，內(nèi)部熱交換器可以降低增壓系統(tǒng)的最優(yōu)排氣壓力值，最高降低了0.55 MPa，相比于常規(guī)系統(tǒng)，降低了5%，這有利于系統(tǒng)獲得更合適的壓比，提升系統(tǒng)的COP，同時也有利于工況控制。

圖5 跨臨界工況下各系統(tǒng)的最優(yōu)排氣壓力Fig.5 Optimal exhaust pressure of each system under transcritical operating conditions

由圖6可知，系統(tǒng)的COP隨著環(huán)境溫度的升高而降低。根據(jù)熱力學(xué)模型，所選系統(tǒng)的COP與兩個壓縮機(jī)的功耗有關(guān)。根據(jù)圖6，在區(qū)域1，區(qū)域2和區(qū)域3中，具有IHX的系統(tǒng)的HP壓縮機(jī)的功耗大于常規(guī)增壓系統(tǒng)，而LP壓縮機(jī)的功耗與常規(guī)增壓相等，因此在亞臨界區(qū)域中，IHX確實沒有改善系統(tǒng)，由于IHX使得高壓級壓縮機(jī)的吸氣口的制冷劑比焓增大，會降低系統(tǒng)COP，因此在亞臨界工況下應(yīng)將IHX進(jìn)行旁通處理。但是在區(qū)域4（跨臨界區(qū)）中，帶IHX的系統(tǒng)功耗小于常規(guī)系統(tǒng)，環(huán)境溫度為40 ℃時，COP最高提升了6.36%，并且隨著環(huán)境溫度的升高提升越明顯，所以IHX是可以有效改善系統(tǒng)性能。

圖6 壓縮機(jī)功耗及COPFig.6 Power consumption and COP of compressor

4.3 帶IHX的系統(tǒng)全年性能分析

通過對我國典型城市使用帶IHX的CO2增壓系統(tǒng)的COP進(jìn)行分析，可以看出該系統(tǒng)的年熱工性能和適用性。選擇4個不同氣候區(qū)的城市進(jìn)行比較，哈爾濱屬于寒溫帶氣候區(qū)，北京屬于中溫帶氣候區(qū)，上海屬于亞熱帶氣候區(qū)，廈門屬于熱帶氣候區(qū)。這4個城市所處的區(qū)域見表3。通過查看中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集，典型城市的月平均氣溫如圖7（a）所示。不同月份的COP如圖7（b）所示，ΔCOP代表所研究系統(tǒng)相對于常規(guī)系統(tǒng)的COP增加比率，不同月份的ΔCOP如圖7（c）所示。以國內(nèi)典型城市的月平均溫度為參考，對2個系統(tǒng)在國內(nèi)氣候環(huán)境下的性能表現(xiàn)進(jìn)行對比分析，當(dāng)環(huán)境溫度處于亞臨界狀態(tài)時，由于IHX不能對系統(tǒng)產(chǎn)生改善作用，系統(tǒng)采用了旁路處理，即其COP與常規(guī)系統(tǒng)在亞臨界狀態(tài)下的COP相同。

表3 4個典型城市氣候分區(qū)［16-19］Tab.3 Four climatic sub-regions of typical Chinese cities

從圖7（b）可以看出，哈爾濱COP最高，廈門COP最小，但是也達(dá)到了1.8。同時，從圖7（c）可以看出，哈爾濱ΔCOP為0，廈門的ΔCOP最高，可達(dá)到1.7%，也就是說，月平均溫度越高，IHX對系統(tǒng)的性能提升越高，IHX在跨臨界區(qū)發(fā)揮更加積極作用。

圖7 典型城市的月平均氣溫、COP、ΔCOPFig.7 Monthly average air temperatures，COP and ΔCOP in typical cities

綜上所述，雖然常規(guī)跨臨界CO2增壓系統(tǒng)在溫暖氣候地區(qū)COP較低，但I(xiàn)HX是提高系統(tǒng)在這些地區(qū)性能的一個很好的途徑，這對跨臨界CO2增壓系統(tǒng)在熱帶和亞熱帶地區(qū)推廣具有重要意義。

5 結(jié)論

（1）使用內(nèi)部熱交換器可提高CO2增壓系統(tǒng)在跨臨界運(yùn)行模式下的系統(tǒng)能效，并且環(huán)境溫度越高，系統(tǒng)能效提升越顯著。環(huán)境溫度為40 ℃時，壓縮機(jī)總功耗最高可降低8.73%，COP最高提升了6.36%。

（2）內(nèi)部熱交換器的使用可顯著降低CO2增壓系統(tǒng)的排氣壓力，隨著環(huán)境溫度的升高，排氣壓力降低越明顯，最高降低了0.55 MPa。

（3）內(nèi)部熱交換器在熱帶和亞熱帶地區(qū)可有效提高系統(tǒng)的COP，最高提升1.7%。這對跨臨界CO2增壓系統(tǒng)在熱帶和亞熱帶地區(qū)推廣具有重要意義。