跨臨界二氧化碳制冷系統(tǒng)優(yōu)化方案的研究綜述

孫知曉 姚海清 張文科 莊兆意 孫文峰 李文靜 滿 意

（1.山東建筑大學(xué)熱能工程學(xué)院 濟(jì)南 250101；2.山東中瑞新能源科技有限公司 濟(jì)南 250101）

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和國(guó)民生活水平的迅速提高，制冷空調(diào)與熱泵技術(shù)在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用也大大增加。我國(guó)已經(jīng)是空調(diào)熱泵領(lǐng)域的使用和制造大國(guó)，無(wú)論是設(shè)備裝機(jī)容量還是制造使用的種類(lèi)，均已位居世界前列。但是，在隨著空調(diào)熱泵的大范圍應(yīng)用提高了人們生產(chǎn)生活質(zhì)量的同時(shí)，隨之也產(chǎn)生了一系列環(huán)境能源問(wèn)題，如大量的電能消耗、各類(lèi)制冷劑泄露加重溫室效應(yīng)和臭氧層破壞等。為此，研究者們開(kāi)發(fā)了各類(lèi)節(jié)能環(huán)保的綠色制冷方式和新式制冷劑。作為一種純天然制冷劑，二氧化碳（CO2）的臭氧消耗潛勢(shì)（ODP）為0，全球變暖潛能值（GWP）僅為1，具有無(wú)毒不可燃，臨界溫度低，來(lái)源廣泛等諸多優(yōu)點(diǎn)。利用CO2作為制冷劑的跨臨界循環(huán)系統(tǒng)，對(duì)于節(jié)能減排，推進(jìn)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展，助力實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”這一戰(zhàn)略目標(biāo)具有重要意義[1,2]。

在跨臨界CO2循環(huán)循環(huán)過(guò)程中，定壓放熱過(guò)程位于臨界點(diǎn)以上的超臨界區(qū)域內(nèi)，定壓吸熱過(guò)程在亞臨界區(qū)域內(nèi)進(jìn)行，循環(huán)過(guò)程會(huì)跨越CO2的臨界壓力，因此被稱(chēng)為跨臨界循環(huán)，其典型循環(huán)系統(tǒng)如圖1所示，圖2 為該系統(tǒng)P-h圖[3]。典型跨臨界CO2制冷循環(huán)系統(tǒng)主要由壓縮機(jī)、氣體冷卻器、節(jié)流閥、蒸發(fā)器組成，與其他典型的亞臨界循環(huán)相比，由于放熱過(guò)程中不存在介質(zhì)相變，因此循環(huán)系統(tǒng)中的高壓側(cè)換熱器由冷凝器換為氣體冷卻器[4]?？缗R界CO2制冷循環(huán)已成為當(dāng)前研究應(yīng)用的熱點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此開(kāi)展了大量的研究，取得了頗多成果。

圖1 典型跨臨界CO2 循環(huán)系統(tǒng)圖Fig.1 A typical transcritical CO2 cycle system

圖2 典型跨臨界CO2 循環(huán)P-h 圖Fig.2 Temperature-entropy of a typical transcritical CO2 cycle

近年來(lái)，跨臨界CO2制冷循環(huán)系統(tǒng)因其在節(jié)能環(huán)保方面的優(yōu)勢(shì)，成為了國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。但是，對(duì)于此系統(tǒng)而言，由于系統(tǒng)運(yùn)行壓力高，放熱溫度較高，且高低壓的壓差較大，使得其相較其他傳統(tǒng)制冷劑系統(tǒng)循環(huán)性能較低。由于CO2具有異于其他傳統(tǒng)制冷劑的各類(lèi)特性，決定了可以在其循環(huán)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)上加以?xún)?yōu)化和改進(jìn)?？缗R界循環(huán)過(guò)程中CO2制冷劑要從超臨界區(qū)被節(jié)流到兩相區(qū)，因此該循環(huán)過(guò)程中產(chǎn)生的節(jié)流損失遠(yuǎn)大于常規(guī)亞臨界循環(huán)，故跨臨界循環(huán)系統(tǒng)的性能系數(shù)通常低于常規(guī)系統(tǒng)[5]。為了提高跨臨界循環(huán)系統(tǒng)性能，可以采用帶有回?zé)崞鞯幕責(zé)嵫h(huán)，或采用膨脹機(jī)或噴射器來(lái)代替節(jié)流閥，回收部分膨脹功以減少節(jié)流損失。另外，也可采用雙級(jí)壓縮循環(huán)來(lái)降低排氣溫度和減少壓縮機(jī)耗功，提高系統(tǒng)性能[6]。以下對(duì)上述幾種改進(jìn)方案分別進(jìn)行介紹。

1 帶回?zé)崞鞯难h(huán)系統(tǒng)

該優(yōu)化方案在典型循環(huán)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增設(shè)一個(gè)回?zé)崞鳎箒?lái)自蒸發(fā)器中的低溫氣態(tài)制冷劑在進(jìn)入壓縮機(jī)之前，先進(jìn)行一次預(yù)熱。在回?zé)崞鲀?nèi)，流出蒸發(fā)器的低溫蒸汽與來(lái)自氣體冷卻器的超臨界氣體進(jìn)行熱交換，低溫蒸汽在恒定壓力下被加熱到過(guò)熱段，而溫度較高的超臨界流體被定壓冷卻[7]。

圖3 即為帶回?zé)崞鞯目缗R界CO2制冷循環(huán)系統(tǒng)圖。CO2制冷劑經(jīng)回?zé)崞鬟^(guò)熱后，變?yōu)檫^(guò)熱蒸汽狀態(tài)1，進(jìn)入壓縮機(jī)后被壓縮至超臨界狀態(tài)（1→2），在氣體冷卻器中定壓放熱（2→3），在回?zé)崞鞲邏簜?cè)放熱至狀態(tài)4，再經(jīng)節(jié)流閥節(jié)流至兩相態(tài)（4→5），在蒸發(fā)器中定壓吸熱后（5→6），經(jīng)回?zé)崞骷訜?，返回壓縮機(jī)被重新壓縮，開(kāi)啟新的循環(huán)過(guò)程[8]。圖4 為該循環(huán)系統(tǒng)的P-h圖。

圖3 帶回?zé)崞鞯目缗R界CO2 循環(huán)系統(tǒng)圖Fig.3 Diagram of transcritical CO2 cycle system with regenerator

圖4 帶回?zé)崞鞯目缗R界CO2 循環(huán)系統(tǒng)P-h 圖Fig.4 Temperature-entropy of transcritical CO2 circulation system with regenerator

目前，對(duì)于增設(shè)回?zé)崞饕蕴岣呖缗R界CO2制冷循環(huán)系統(tǒng)性能，國(guó)內(nèi)外的學(xué)者們進(jìn)行了許多的研究與優(yōu)化。王洪利[8]等通過(guò)實(shí)驗(yàn)，比較了帶回?zé)崞髋c不帶回?zé)崞鲀煞N單級(jí)循環(huán)系統(tǒng)運(yùn)行的性能效率。結(jié)果表明，回?zé)嵫h(huán)系統(tǒng)的平均性能較常規(guī)系統(tǒng)可提高約5%，且?guī)Щ責(zé)嵫h(huán)最優(yōu)排氣溫度稍高些。回?zé)崞餮h(huán)系統(tǒng)COPh和COPc分別提升了約11.4%和14.3%。其后續(xù)又針對(duì)雙級(jí)壓縮帶回?zé)崞骱筒粠Щ責(zé)崞鞯难h(huán)系統(tǒng)建立了數(shù)學(xué)模型[9]，并基于Visual Basic 程序進(jìn)行了性能分析。經(jīng)分析得，相同條件下，雙級(jí)壓縮回?zé)嵫h(huán)系統(tǒng)平均性能較常規(guī)雙級(jí)壓縮循環(huán)高約5%～10%，最優(yōu)中間壓力比常規(guī)系統(tǒng)低約5%～15%。李東哲[10]等通過(guò)基于Modelica 語(yǔ)言的仿真平臺(tái)Dymola，建立了帶有回?zé)崞鞯难h(huán)系統(tǒng)模型，并進(jìn)行了回?zé)崞鲗?duì)系統(tǒng)影響的研究。結(jié)果表明，有回?zé)崞骺娠@著降低壓縮機(jī)最優(yōu)排氣壓力。在壓縮機(jī)最優(yōu)排氣壓力下，隨著環(huán)境溫度上升，系統(tǒng)過(guò)熱度和再冷度下降；隨著水入口溫度上升，過(guò)熱度和再冷度上升。方健珉[11]等通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)增設(shè)回?zé)崞鞑粌H有效提升了系統(tǒng)性能，還一定程度減小了系統(tǒng)中的制冷劑流量，繼而減少了節(jié)流過(guò)程中由過(guò)高的壓降所產(chǎn)生的不可逆損失，但同時(shí)會(huì)引起壓縮機(jī)排氣溫度的升高和壓縮機(jī)壓比增大。在不同的環(huán)境溫度下，系統(tǒng)性能的提升均會(huì)隨著回?zé)岫鹊脑黾佣鴾p緩，故應(yīng)選用適宜系統(tǒng)規(guī)格的回?zé)崞?。Ying Chen[12]等模擬了壓縮機(jī)最優(yōu)排氣壓力，發(fā)現(xiàn)其與回?zé)崞餍视嘘P(guān)。由于回?zé)崞鲀?nèi)可能存在CO2相變，在臨界壓力附近區(qū)域比熱變化較大，因此傳統(tǒng)的熱交換效率表達(dá)式不再適用，并在文中采用了一種基于焓差的實(shí)用回?zé)崞饔行员磉_(dá)式，用以回?zé)崞髟O(shè)計(jì)計(jì)算。然而，回?zé)崞鲗?duì)跨臨界循環(huán)系統(tǒng)性能的提升同時(shí)也存在負(fù)面影響。由于吸入溫度升高導(dǎo)致壓縮機(jī)容積效率降低、功耗增加，同時(shí)容易引起部件磨損、產(chǎn)生生成物、引起高溫?zé)龤У葒?yán)重事故，故回?zé)崞鲬?yīng)謹(jǐn)慎設(shè)計(jì)使用[13]。

使用回?zé)崞鬟M(jìn)行過(guò)冷是提高系統(tǒng)COP 最普遍的，也是最簡(jiǎn)單的方法，回?zé)崞鞯氖褂靡呀?jīng)廣泛推廣到合理運(yùn)行條件的系統(tǒng)上。雖然回?zé)崞骺赡軙?huì)造成壓縮機(jī)排氣溫度過(guò)高等負(fù)面問(wèn)題，但其在降低壓縮機(jī)的最佳排氣壓力、減少系統(tǒng)的節(jié)流損失和增加循環(huán)的制冷量方面起到了重要的作用。在下一步的研究中，可針對(duì)過(guò)熱溫度與壓縮器吸氣溫度的最佳選值展開(kāi)模擬計(jì)算，已達(dá)到獲取最優(yōu)過(guò)熱溫度，提高系統(tǒng)總體性能的目的。

2 膨脹機(jī)取代節(jié)流閥的循環(huán)系統(tǒng)

從P-h圖可以看出，跨臨界CO2制冷循環(huán)節(jié)流過(guò)程中壓差很大，由此帶來(lái)的節(jié)流損失使該系統(tǒng)的循環(huán)效率比傳統(tǒng)系統(tǒng)低20%～30%，抵消了CO2優(yōu)異的環(huán)境效益。1994年，G Lorentzen[14]提出了利用膨脹機(jī)替代節(jié)流閥，回收部分膨脹功以提升系統(tǒng)性能系數(shù)的方案。由于跨臨界CO2循環(huán)的容積比是2～4，遠(yuǎn)小于常規(guī)制冷系統(tǒng)的20～30，而且經(jīng)回收的膨脹功可以占到系統(tǒng)壓縮功的20%～30%，可以顯著減小節(jié)流損失，提升系統(tǒng)COP[15]。

圖5 為跨臨界CO2循環(huán)帶膨脹機(jī)系統(tǒng)的系統(tǒng)圖。與節(jié)流閥系統(tǒng)不同，來(lái)自氣體冷卻器出口的超臨界CO2流體進(jìn)入膨脹機(jī)內(nèi)做膨脹功，并通過(guò)連軸將其轉(zhuǎn)化為部分壓縮功加以利用，其實(shí)際膨脹過(guò)程（3～4）介于等熵膨脹（3～4h）和等焓膨脹（3～4s）之間。降壓后的CO2進(jìn)入蒸發(fā)器內(nèi)定壓吸熱，最后返回壓縮機(jī)，完成整個(gè)循環(huán)。如圖6 系統(tǒng)P-h圖所示。

圖5 帶膨脹機(jī)的跨臨界CO2 循環(huán)系統(tǒng)圖Fig.5 Diagram of transcritical CO2 cycle system with expander

圖6 帶膨脹機(jī)的跨臨界CO2 循環(huán)P-h 圖Fig.6 Temperature-entropy of transcritical CO2 cycle with expander

孫志利[16]對(duì)CO2單級(jí)壓縮加膨脹機(jī)循環(huán)與四種雙級(jí)壓縮循環(huán)進(jìn)行了熱力學(xué)分析，證明利用膨脹機(jī)代替節(jié)流閥是提高系統(tǒng)COP 的重要途徑。楊俊蘭[17]等分別從系統(tǒng)的COP、效率、中間壓力以及排氣溫度等方面，對(duì)典型的雙級(jí)壓縮、膨脹機(jī)與高壓級(jí)壓縮機(jī)同軸連接以及膨脹機(jī)與低壓級(jí)壓縮機(jī)同軸連接三種循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行熱力學(xué)分析，并進(jìn)行了比較，證明帶膨脹機(jī)的單級(jí)循環(huán)的COP 高于雙級(jí)壓縮循環(huán)的COP。Simarpreet Singh[18]等通過(guò)CFD模擬方法，研究了渦旋式膨脹機(jī)內(nèi)CO2制冷劑的流動(dòng)特性。結(jié)果表明，通過(guò)進(jìn)一步優(yōu)化泄漏空間，可以減少內(nèi)泄漏CO2，從而提高渦旋式膨脹機(jī)的整體效率。姜云濤[19]等在原有單缸滾動(dòng)活塞膨脹機(jī)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)加工了一種新型雙缸膨脹機(jī)樣機(jī)，并對(duì)其性能進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)得其膨脹效率為28%～33%。

增設(shè)膨脹機(jī)有利于回收系統(tǒng)膨脹功，但在實(shí)際應(yīng)用中可能存在膨脹機(jī)內(nèi)工質(zhì)不能完全排除等問(wèn)題。由于膨脹機(jī)出口CO2為氣液兩相流體，膨脹機(jī)的余隙容積將會(huì)對(duì)其效率產(chǎn)生重要影響。在膨脹機(jī)的設(shè)計(jì)工作中應(yīng)充分考慮跨臨界循環(huán)中CO2膨脹做功的特點(diǎn)，注意進(jìn)出口控制合理，盡量減少摩擦、泄露及余隙容積等損失。理想情況下采用膨脹機(jī)可以完全回收節(jié)流損失，但在實(shí)際膨脹過(guò)程中，由于制冷劑的摩擦等因素，會(huì)產(chǎn)生不可逆損失，這部分損失可以通過(guò)提升設(shè)備的工藝水平而減小[20]，故研發(fā)高效可靠的CO2膨脹機(jī)是促使該系統(tǒng)成功應(yīng)用的關(guān)鍵。此外，膨脹機(jī)的應(yīng)用也受到系統(tǒng)容量的制約，對(duì)于小型熱泵系統(tǒng)，膨脹機(jī)的結(jié)構(gòu)尺寸很小，加工成本高，且膨脹機(jī)內(nèi)部泄露和摩擦損失等不可忽視，故小型熱泵系統(tǒng)中采用此方案需謹(jǐn)慎[5]。

3 增設(shè)噴射器的循環(huán)系統(tǒng)

在傳統(tǒng)的跨臨界熱泵系統(tǒng)中，節(jié)流閥前后壓差較大產(chǎn)生了大量節(jié)流損失，極大制約了系統(tǒng)COP的提升。該方案在跨臨界循環(huán)系統(tǒng)中增設(shè)噴射器，可回收一部分膨脹過(guò)程中損失的可用能，顯著減小節(jié)流損失，提高系統(tǒng)COP[21]。

圖7 噴射器結(jié)構(gòu)圖Fig.7 Ejector structure diagram

噴射器是一種非容積型的節(jié)流機(jī)構(gòu)，長(zhǎng)期以來(lái)在能源動(dòng)力領(lǐng)域、化工領(lǐng)域、建筑土木、廢氣污水的處理方面等有著重要的應(yīng)用。它可以將工作流體的膨脹能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，再將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為制冷劑的加壓能進(jìn)行回收[22]。工作原理是以高壓流體為驅(qū)動(dòng)，吸引低壓引射流體進(jìn)入噴射器并與之混合，形成中壓混合流體并排出。噴射器通常由四部分組成：噴嘴及吸收室、混合段、喉部和擴(kuò)壓段。該系統(tǒng)如圖8所示。圖中的1-2-5-6-3-4-1 循環(huán)過(guò)程表示了工作流熱力循環(huán)過(guò)程，10-7-6-3-8-9-10 循環(huán)過(guò)程表示了引射流熱力循環(huán)過(guò)程，各狀態(tài)點(diǎn)與圖9 的各狀態(tài)點(diǎn)相對(duì)應(yīng)。

圖8 帶噴射器的跨臨界CO2 循環(huán)系統(tǒng)圖Fig.8 Diagram of Transcritical CO2 Cycle System with Ejector

圖9 帶噴射器的跨臨界CO2 循環(huán)系統(tǒng)圖P-h 圖Fig.9 Temperature-entropy of the transcritical CO2 cycle system with Ejector

李浩[23]等通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，噴射器在不同工況下能夠提升系統(tǒng)COP 1.65%～12.60%；室外溫度對(duì)CO2噴射制冷系統(tǒng)的性能影響顯著，該系統(tǒng)在高溫環(huán)境下會(huì)出現(xiàn)明顯的性能衰減。鄒春妹[21]等通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，隨著熱水體積流量的減小或其出口溫度的升高，引射比將逐漸減小，噴射器效率會(huì)逐漸提高。隨著噴射器的引入，系統(tǒng)高壓側(cè)的壓力顯著下降，這有利于系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。Haida M[22]等構(gòu)建了CO2兩相流噴射器的CFD 模型，并設(shè)計(jì)制造了一種帶有熱電偶的噴射器，用于研究超市制冷和空調(diào)應(yīng)用的典型邊界條件下噴射器內(nèi)壁的溫度分布，用以研究熱傳遞對(duì)噴射器性能的影響。李濤[24]等建立了CO2噴射制冷系統(tǒng)中噴射器的數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)工作流的流量等于擴(kuò)壓段的出口蒸汽流量時(shí)，系統(tǒng)可以穩(wěn)定運(yùn)行；噴射循環(huán)的COP 隨蒸發(fā)溫度的升高而提高，但提高程度隨蒸發(fā)溫度的升高而減小。王征[25]等人利用渦流管對(duì)氣體膨脹具有較高效率的優(yōu)勢(shì)，將渦流管與噴射器相結(jié)合，提出了一種新型制冷系統(tǒng)，有效提高了系統(tǒng)COP 約15%，該系統(tǒng)尤其以R744（CO2）作為工質(zhì)時(shí)性能較優(yōu)。

相較于膨脹閥節(jié)流，噴射器節(jié)流減少了節(jié)流前后的壓差，流體做功能力增加，壓縮機(jī)的功耗減少，相當(dāng)于回收了使用膨脹閥節(jié)流損失的部分壓能，從而提高了跨臨界熱泵循環(huán)系統(tǒng)的COP[7]。在利用膨脹機(jī)工作時(shí)，CO2流體會(huì)達(dá)到兩相流狀態(tài)，可能會(huì)對(duì)膨脹機(jī)造成損壞，而噴射器系統(tǒng)中設(shè)有氣液分離器，不存在這一麻煩。此外，噴射器還具有無(wú)運(yùn)動(dòng)部件、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于加工、成本低廉、工作可靠、密封性好的優(yōu)勢(shì)[23,26]。但由于噴射器內(nèi)部存在超音速流動(dòng)、湍流、卷吸混合、激波等非平衡、非定常的復(fù)雜現(xiàn)象，設(shè)備實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中還存在流體混合過(guò)程形成的不可逆損失等問(wèn)題，長(zhǎng)期以來(lái)限制了其更好的應(yīng)用發(fā)展。隨著CFD 技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)噴射器的流場(chǎng)模擬也從最開(kāi)始的二維逐漸擴(kuò)展到三維，其內(nèi)部流場(chǎng)模擬更加精確，對(duì)噴射器性能的提高也有重要意義，今后也需進(jìn)一步研究噴射器和CO2熱泵系統(tǒng)之間的耦合，尋求既能使噴射器性能達(dá)到最優(yōu)也能使跨臨界CO2系統(tǒng)COP 達(dá)到最佳的工況條件。

4 采用雙級(jí)壓縮的循環(huán)系統(tǒng)

影響壓縮機(jī)效率的因素有很多，對(duì)于跨臨界CO2制冷循環(huán)系統(tǒng)，高壓段和低壓段之間的泄漏問(wèn)題是影響壓縮機(jī)效率的主要原因。在跨臨界CO2制冷循環(huán)中，壓縮機(jī)的壓縮比較?。?～4），但壓差比較大（一般在6MPa 左右），導(dǎo)致壓縮機(jī)高低壓段間的泄漏量增加，部件受力和形變都很大。因此，從提高系統(tǒng)效率和減少組件的應(yīng)力和變形出發(fā)，跨臨界CO2制冷循環(huán)可以采用雙級(jí)壓縮系統(tǒng)[5]。

圖10 和圖11 分別表示為跨臨界CO2雙級(jí)壓縮制冷循環(huán)系統(tǒng)圖和P-h圖，該系統(tǒng)主要包括高、低壓級(jí)壓縮機(jī)，高、低壓級(jí)氣體冷卻器，節(jié)流閥和蒸發(fā)器。來(lái)自蒸發(fā)器的低溫低壓CO2制冷劑進(jìn)入低壓級(jí)壓縮機(jī)，壓縮至中間壓力后，經(jīng)低壓級(jí)氣體冷卻器一次冷卻后，被高壓級(jí)壓縮機(jī)吸入，壓縮為高溫高壓的超臨界CO2氣體，到達(dá)高壓級(jí)氣體冷卻器進(jìn)行二次冷卻，節(jié)流閥節(jié)流至蒸發(fā)壓力后進(jìn)入蒸發(fā)器蒸發(fā)吸熱，完成一個(gè)跨臨界循環(huán)過(guò)程[26]。

圖10 跨臨界CO2 雙級(jí)壓縮循環(huán)系統(tǒng)圖Fig.10 Transcritical CO2 two-stage compression cycle system diagram

圖11 跨臨界CO2 雙級(jí)壓縮循環(huán)P-h 圖Fig.11 Temperature-entropy of transcritical CO2 two-stage compression cycle

雙級(jí)壓縮循環(huán)可有效改善跨臨界CO2制冷循環(huán)的工況，降低系統(tǒng)節(jié)流損失，提高系統(tǒng)COP，國(guó)內(nèi)外在此方面展開(kāi)了不少研究。劉圣春[27,28]等，對(duì)跨臨界雙級(jí)壓縮循環(huán)的最優(yōu)中間壓力進(jìn)行了模擬分析，同時(shí)將單級(jí)壓縮循環(huán)與考慮最優(yōu)中間壓力的雙級(jí)循環(huán)進(jìn)行比較，找出了雙級(jí)壓縮循環(huán)的最優(yōu)中間壓力與最優(yōu)高壓之間的相關(guān)性，為雙級(jí)壓縮系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算提供理論指導(dǎo)。謝英柏[29]等，通過(guò)建立跨臨界雙級(jí)壓縮循環(huán)系統(tǒng)的熱力學(xué)模型，分析比較了雙級(jí)壓縮循環(huán)中完全冷卻和不完全冷卻兩種系統(tǒng)，得出結(jié)論：在最佳氣體冷卻器壓力下，系統(tǒng)COP 隨著高壓級(jí)壓縮機(jī)入口處CO2蒸汽過(guò)熱度的增加而逐漸降低。Eunsung Shin[30]等通過(guò)實(shí)驗(yàn)，以室外空氣溫度、室外風(fēng)速和二級(jí)壓縮機(jī)開(kāi)度為變量，模擬分析了兩種不同蒸發(fā)溫度下雙級(jí)壓縮系統(tǒng)的性能特征，證明無(wú)論在結(jié)霜工況或無(wú)霜工況下，系統(tǒng)性能對(duì)第二級(jí)壓縮機(jī)的開(kāi)度的變化都非常敏感。胡健[31]等提出一種循環(huán)分離法以簡(jiǎn)化計(jì)算，將雙級(jí)壓縮循環(huán)分為兩個(gè)復(fù)疊的單級(jí)壓縮循環(huán)。高壓循環(huán)為跨臨界循環(huán)，以中間壓力為其蒸發(fā)壓力。低壓循環(huán)為亞臨界循環(huán)，中間壓力為其冷凝壓力。這種方法避免了循環(huán)過(guò)程中高壓和中間壓力同時(shí)優(yōu)化，且對(duì)于不同的雙級(jí)壓縮循環(huán)，只需要單獨(dú)優(yōu)化系統(tǒng)的中間壓力。上海交通大學(xué)楊軍[32]等設(shè)計(jì)了一種新型全封閉旋轉(zhuǎn)式CO2壓縮機(jī)，該壓縮機(jī)采用中間冷卻的雙級(jí)壓縮結(jié)構(gòu)。研究表明，壓縮機(jī)容積效率基本與吸排氣壓縮比呈線性關(guān)系，壓縮機(jī)等熵效率在最佳壓縮比下達(dá)到最大值，壓縮機(jī)吸氣過(guò)熱度及二級(jí)吸氣溫度對(duì)壓縮機(jī)效率的影響很小。

采用雙級(jí)壓縮系統(tǒng)可以有效的緩解壓縮機(jī)容積效率所帶來(lái)的問(wèn)題，提升系統(tǒng)效率和減小部件的應(yīng)力變形。但由于二級(jí)壓縮機(jī)和氣體冷卻器的增設(shè)，也會(huì)加大系統(tǒng)體積和設(shè)備初投資，故應(yīng)根據(jù)應(yīng)用要求全面考慮。對(duì)于雙級(jí)壓縮系統(tǒng)高低壓縮機(jī)間的協(xié)調(diào)控制與一體化設(shè)計(jì)，應(yīng)是下一步研究工作的重點(diǎn)內(nèi)容。

5 結(jié)論

由于CO2作為純天然制冷劑具有良好的熱力性、安全性以及環(huán)境友好性，已受到學(xué)者們的廣泛關(guān)注。而對(duì)跨臨界CO2制冷循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，減小循環(huán)節(jié)流損失，不可逆損失，已成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)。本文在增設(shè)回?zé)崞?、膨脹機(jī)代替節(jié)流閥、增設(shè)噴射器和采用雙級(jí)壓縮循環(huán)幾個(gè)方面對(duì)國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)行了總結(jié)，分析了幾類(lèi)優(yōu)化方案存在的問(wèn)題，并對(duì)未來(lái)研究的發(fā)展動(dòng)向作出展望：

（1）目前幾項(xiàng)優(yōu)化方案的研究，對(duì)提高跨臨界系統(tǒng)性能起到了很大作用，但仍存在一些不足之處，如何進(jìn)一步提升各組件效能，如改變回?zé)崞鞯陌惭b位置、改變噴射器噴口形狀會(huì)對(duì)系統(tǒng)COP 帶來(lái)怎樣的影響，還需要深入研究。

（2）幾類(lèi)優(yōu)化方案并不互斥，如何高效有機(jī)將其結(jié)合，如帶回?zé)岬膰娚淦飨到y(tǒng)，雙級(jí)壓縮系統(tǒng)中膨脹機(jī)的應(yīng)用，并找到其最佳運(yùn)行工況，可作為系統(tǒng)的具體應(yīng)用方式進(jìn)行研究。

（3）循環(huán)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。當(dāng)前國(guó)內(nèi)研究中，針對(duì)跨臨界CO2制冷系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性問(wèn)題有待于進(jìn)一步研究，應(yīng)結(jié)合具體工程案例進(jìn)一步分析。

學(xué)界對(duì)跨臨界CO2制冷循環(huán)系統(tǒng)的研究正處于快速發(fā)展階段，此系統(tǒng)的各類(lèi)商業(yè)應(yīng)用都還處于起步階段，循環(huán)各部件的設(shè)計(jì)和研發(fā)還不夠完善，某些技術(shù)參數(shù)還不能和傳統(tǒng)制冷劑系統(tǒng)相比。但是，隨著各項(xiàng)研究的深入，跨臨界CO2制冷循環(huán)系統(tǒng)的運(yùn)行性能和安全性將會(huì)有顯著提升。在國(guó)內(nèi)外大力提倡節(jié)能、環(huán)保的大環(huán)境下，跨臨界CO2制冷循環(huán)系統(tǒng)在未來(lái)會(huì)有著很大的發(fā)展空間。