楊俊蘭，李金芮，白 楊，姬 旭

（天津城建大學(xué) 能源與安全工程學(xué)院，天津 300384）

0 引言

近年來，由于臭氧層不斷遭受破壞，全球變暖加劇，傳統(tǒng)制冷劑的使用受到限制。CO2作為一種無毒、分解物不破壞臭氧層、不可燃不易爆炸的自然工質(zhì)[1]，其單位制冷能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過R134a，可以減小系統(tǒng)的體積[2]，但是CO2臨界溫度低，高壓側(cè)壓力高，循環(huán)中產(chǎn)生的節(jié)流損失較大，使得CO2跨臨界循環(huán)的COP較低[3]。近年來回?zé)崞髯鳛橐环N提高CO2跨臨界循環(huán)系統(tǒng)性能的有效措施被廣泛應(yīng)用，許多研究者對(duì)帶回?zé)崞骱筒粠Щ責(zé)崞鞯腃O2跨臨界循環(huán)的性能進(jìn)行了對(duì)比分析，表明許多帶回?zé)崞飨到y(tǒng)的制冷和制熱性能均高于不帶回?zé)崞鞯南到y(tǒng)[4-11]。JONEYDI等[12]研究發(fā)現(xiàn)回?zé)崞鞯募尤胧箮蛎洐C(jī)的CO2跨臨界循環(huán)性能下降。KLEIN等[13]分析了回?zé)崞鲗?duì)使用不同制冷劑的制冷系統(tǒng)的影響。趙玲華等[14]對(duì)帶回?zé)崞鞯目缗R界CO2空氣源熱泵系統(tǒng)在不同壓縮機(jī)頻率下運(yùn)行時(shí)的特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，找到了適合該系統(tǒng)的最優(yōu)的壓縮機(jī)頻率。TORRELLA等[15]發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)加入回?zé)崞骱髮?duì)壓縮機(jī)功耗的影響很小。郭興龍等[16]對(duì)膨脹機(jī)和噴射器的CO2跨臨界熱泵熱水器熱力循環(huán)進(jìn)行了比較。研究者對(duì)多種CO2跨臨界雙級(jí)壓縮制冷循環(huán)進(jìn)行了比較和分析，發(fā)現(xiàn)氣體冷卻器出口溫度和低壓級(jí)壓縮機(jī)效率是影響系統(tǒng)COP的主要因素[17-18]。ZHANG等[6]發(fā)現(xiàn)只有在高于氣體冷卻器出口轉(zhuǎn)變溫度、低于排氣轉(zhuǎn)變壓力時(shí)，回?zé)崞鞯氖褂貌拍芴岣呦到y(tǒng)制熱性能系數(shù)。葉祖樑[19]等發(fā)現(xiàn)在氣冷器出口溫度較高時(shí)，回?zé)崞餍实脑龃蟛拍芴嵘到y(tǒng)性能。還有學(xué)者研究了回?zé)崞鞯慕Y(jié)構(gòu)對(duì)于系統(tǒng)性能的影響[20-21]。

前人對(duì)CO2帶回?zé)崞鞯难h(huán)特性進(jìn)行了研究，比較了不同系統(tǒng)在有無回?zé)崞鲿r(shí)的性能差異，但對(duì)于多種不同型式的帶回?zé)崞餮h(huán)進(jìn)行研究的較少，本文建立了5種帶回?zé)崞骺缗R界二氧化碳熱泵系統(tǒng)的模型，分析了加入回?zé)崞骱笙到y(tǒng)的性能隨各種參數(shù)的變化規(guī)律，探究了不同系統(tǒng)的適用條件，對(duì)于CO2跨臨界循環(huán)系統(tǒng)的優(yōu)化有一定的參考意義。

1 帶回?zé)崞鞯腃O2跨臨界循環(huán)方式

圖1，2分別示出單級(jí)帶節(jié)流閥回?zé)崞餮h(huán)（SCV+IHE）的原理和P-h曲線。

圖1 SCV+IHE原理Fig.1 Schematic diagram of SCV+IHE

圖2 SCV+IHE P-h曲線Fig.2 Pressure-enthalpy diagram of SCV+IHE

SCV+IHE循環(huán)主要由壓縮機(jī)、氣體冷卻器、節(jié)流閥、蒸發(fā)器和回?zé)崞鹘M成，在氣體冷卻器出口與壓縮機(jī)入口之間增設(shè)回?zé)崞鳎梢允构?jié)流閥前的高溫制冷劑與來自蒸發(fā)器的低溫制冷劑進(jìn)行內(nèi)部熱交換，使高溫制冷劑過冷，低溫制冷劑過熱?；?zé)崞鞯脑黾?，使相同條件下SCV+IHE系統(tǒng)的制冷量和制熱量較SCV系統(tǒng)都得到增加，從而使COP增大。

圖3，4分別示出單級(jí)帶膨脹機(jī)回?zé)崞餮h(huán)（SCE+IHE）的原理和P-h曲線。將SCV+IHE循環(huán)中的節(jié)流閥替換為膨脹機(jī)即為SCE+IHE循環(huán)。由于CO2跨臨界循環(huán)膨脹過程的膨脹比較小，而膨脹功較大，在膨脹機(jī)中可以進(jìn)行膨脹降壓并進(jìn)行功回收，彌補(bǔ)一部分壓縮機(jī)耗功，從而提高系統(tǒng)性能。

圖3 SCE+IHE原理Fig.3 Schematic diagram of SCE+IHE

圖4 SCE+IHE P-h曲線Fig.4 Pressure-enthalpy diagram of SCE+IHE

圖5，6分別示出單級(jí)帶噴射器回?zé)崞餮h(huán)（SCEJ+IHE）的原理和P-h曲線。將SCV+IHE循環(huán)中的節(jié)流閥替換為噴射器即為SCEJ+IHE循環(huán)。其中，工作流熱力循環(huán)過程為1-2-3-4-5-6-7-8-1，引射流熱力循環(huán)過程為11-12-7-8-9-10-11，高壓CO2流體在噴射器中膨脹能先被轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，動(dòng)能再被轉(zhuǎn)化為壓力勢(shì)能，使壓縮機(jī)入口壓力升高，從而減少了壓縮機(jī)耗功，使COP增大。

圖5 SCEJ+IHE原理Fig.5 Schematic diagram of SCEJ+IHE

圖6 SCEJ+IHE P-h曲線Fig.6 Pressure-enthalpy diagram of SCEJ+IHE

圖7～10分別示出雙級(jí)帶節(jié)流閥回?zé)崞餮h(huán)（TSCV+IHE）和雙級(jí)帶膨脹機(jī)回?zé)崞餮h(huán)（TSCE+IHE）的原理和P-h曲線。

圖7 TSCV+IHE原理Fig.7 Schematic diagram of TSCV+IHE

圖8 TSCV+IHE P-h曲線Fig.8 Pressure-enthalpy diagram of TSCV+IHE

圖9 TSCE+IHE原理Fig.9 Schematic diagram of TSCE+IHE

圖10 TSCE+IHE P-h曲線Fig.10 Pressure-enthalpy diagram of TSCE+IHE

在雙級(jí)壓縮循環(huán)循環(huán)中，CO2流體先后經(jīng)過兩次壓縮和放熱過程。雙級(jí)壓縮可以減少壓縮機(jī)的進(jìn)出口壓差，增大壓縮機(jī)容積效率，減小部件的應(yīng)力變形，起到提高系統(tǒng)性能和保護(hù)的作用。

2 模型建立

通過上述介紹，建立CO2跨臨界循環(huán)的熱力學(xué)模型，為了便于分析，做了如下假設(shè)：

（1）系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)條件下進(jìn)行；

（2）忽略換熱器和其他管道的壓降和熱損失；

（3）壓縮機(jī)等熵效率取為70%；

（4）膨脹機(jī)的效率取為60%；

（5）蒸發(fā)溫度的變化范圍為-10～10 ℃，高壓壓力為8～15 MPa，氣體冷卻器出口溫度為32～50 ℃，吸氣過熱度為0～20 ℃，雙級(jí)壓縮中間壓力

（6）高壓級(jí)和低壓級(jí)氣體冷卻器出口溫度相等。

基于以上假設(shè)，根據(jù)各壓焓圖可建立熱力學(xué)模型。其中：

制冷系數(shù)：

制熱系數(shù)：

式中 qc——系統(tǒng)制冷量，kJ/kg；

qh——系統(tǒng)制熱量，kJ/kg；

wt——壓縮機(jī)耗功，kJ/kg。

各循環(huán)的 qc，qh，wt的計(jì)算方式見表1。

表1 qc，qh，wt計(jì)算式Tab.1 Calculation formula for qc，qh and wt

3 結(jié)果與分析

3.1 吸氣過熱度tg對(duì)COP的影響

在蒸發(fā)溫度te為5 ℃、高壓壓力pg為9.5 MPa、氣體冷卻器出口溫度tc為40 ℃的條件下，5種CO2跨臨界循環(huán)的制冷系數(shù)COPc和制熱系數(shù)COPh隨tg的變化如圖11，12所示。從圖中可以看出，5種循環(huán)中COPc最大的是TSCE+IHE循環(huán)，并且SCV+IHE、SCEJ+IHE、TSCE+IHE、TSCV+IHE 4種循環(huán)的COPc均隨tg的升高而增大，其中TSCV+IHE的COPc變化最明顯，而SCE+IHE的COPc則隨tg的升高而減小，逐漸低于 TSCV+IHE 循環(huán)，與 JONEYDI等[8]的研究結(jié)果相符合。COPh最大的是SCE+IHE循環(huán)，SCV+IHE、SCE+IHE、SCEJ+IHE、TSCV+IHE 循環(huán)的COPh均隨tg的升高而增大，變化最明顯的也是TSCV+IHE循環(huán)，SCE+IHE、TSCE+IHE循環(huán)的COPh則隨tg的升高有不同程度得減小?？梢园l(fā)現(xiàn)，在帶膨脹機(jī)的系統(tǒng)中加入回?zé)崞鲗?duì)中COPc和COPh都有害無利，這是由于加入回?zé)崞髦螅m然增加，也保持不變，但是氣體冷卻器出口的氣體經(jīng)過內(nèi)部過冷后溫度降低，能量減少，使之在膨脹機(jī)中轉(zhuǎn)化的膨脹功減少，qc的增加量彌補(bǔ)不了膨脹功的減少量，導(dǎo)致系統(tǒng)COPc和COPh都降低。

圖11 COPc隨tg的變化Fig.11 COPc variation with tg

圖12 COPh隨tg的變化Fig.12 COPh variation with tg

3.2 蒸發(fā)溫度te對(duì)COP的影響

在 pg為 9.5 MPa、tg為 6 ℃、tc為 40 ℃的條件下，5種CO2跨臨界循環(huán)的COPc和COPh隨te的變化如圖13，14所示。從圖中可以看出，5種循環(huán)的COPc和COPh隨te的上升均有不同程度的增加。SCEJ+IHE循環(huán)的COPc變化最不明顯，在-10～0 ℃范圍內(nèi)，SCEJ+IHE循環(huán)的COPc高于SCV+IHE、SCE+IHE、TSCV+IHE 循環(huán)，COPh高于SCV+IHE、TSCE+IHE、TSCV+IHE循環(huán)。這是由于噴射器是將工作流的膨脹能轉(zhuǎn)換成動(dòng)能，再將動(dòng)能轉(zhuǎn)換為壓力勢(shì)能，蒸發(fā)溫度越低，膨脹過程中的節(jié)流損失越大，噴射器回收的膨脹功就越多，進(jìn)而提高壓縮機(jī)入口制冷劑的壓力，降低壓比，減小壓縮機(jī)耗功。因此，SCEJ+IHE循環(huán)適用于蒸發(fā)溫度較低的情況。

圖13 COPc隨te的變化Fig.13 COPc variation with te

圖14 COPh隨te的變化Fig.14 COPh variation with te

3.3 氣體冷卻器出口溫度tc對(duì)COP的影響

在te為5 ℃、tg為6 ℃、pg為9.5 MPa的條件下，5種CO2跨臨界循環(huán)的COPc和COPh隨tc的變化如圖15，16所示?？梢钥闯觯?種循環(huán)的COPc和COPh均隨氣體冷卻器出口溫度的升高而降低，這是因?yàn)樵谙嗤臈l件下，氣體冷卻器出口溫度越高，在氣體冷卻器中放出的熱量越少，即qh越??；同時(shí)，氣體冷卻器出口溫度升高會(huì)使蒸發(fā)器入口焓值增大，使制冷量qc減少。從圖中還可以看出，SCEJ+IHE循環(huán)的COP隨tc的增大下降得最快。

圖15 COPc隨tc的變化Fig.15 COPc variation with tc

圖16 COPh隨tc的變化Fig.16 COPh variation with tc

3.4 高壓壓力對(duì)COP的影響

在 te為 5 ℃、tg為 6 ℃、tc為 40 ℃的條件下，5種CO2跨臨界循環(huán)的COPc和COPh隨pg的變化如圖17，18所示?？梢钥闯觯?種CO2跨臨界循環(huán)的COP都是隨著高壓壓力的增大先增大后減小，均出現(xiàn)了最優(yōu)高壓壓力。最優(yōu)高壓壓力的存在，是由于循環(huán)過程中產(chǎn)生了不可逆的節(jié)流損失，當(dāng)高壓壓力對(duì)于壓縮功的影響和對(duì)節(jié)流損失的影響的代數(shù)和達(dá)到最大時(shí)，將得到最大的COP，此時(shí)的高壓壓力成為最優(yōu)高壓壓力。這種節(jié)流損失往往在帶有節(jié)流閥的循環(huán)中出現(xiàn)，在帶有膨脹機(jī)的系統(tǒng)中，如果膨脹機(jī)的效率為100%，則不會(huì)出現(xiàn)節(jié)流損失，不會(huì)存在最優(yōu)高壓壓力，本文中膨脹機(jī)的效率設(shè)為60%，即存在40%的節(jié)流損失，因此仍產(chǎn)生最優(yōu)高壓壓力現(xiàn)象。回?zé)崞鞯募尤?，可以減少節(jié)流損失的不可逆性，回收一部分熱量，從而提高系統(tǒng)的COP。

圖17 COPc隨pg的變化Fig.17 COPc variation with pg

圖18 COPh隨pg的變化Fig.18 COPh variation with pg

從圖中還可以看出，雙級(jí)壓縮的最優(yōu)高壓壓力比單級(jí)壓縮低0.5～1 MPa左右，最優(yōu)高壓均出現(xiàn)在9.5～10.5 MPa范圍內(nèi)。相同高壓壓力下，帶膨脹機(jī)的循環(huán)均表現(xiàn)出良好的性能。

3.5 蒸發(fā)溫度te對(duì)最優(yōu)高壓壓力pk的影響

本文在不同蒸發(fā)溫度和氣體冷卻器出口溫度下尋找最優(yōu)高壓壓力時(shí)，設(shè)置的高壓壓力間隔為0.1 MPa，范圍為8～13 MPa，在此范圍下輸入不同的蒸發(fā)溫度和氣體冷卻器出口溫度，找到每個(gè)溫度下使COP最大的高壓壓力，即最優(yōu)高壓壓力，從而得到最優(yōu)高壓壓力與te和tc的關(guān)系曲線。

在 tg為 6 ℃、tc為 40 ℃的條件下，5種 CO2跨臨界循環(huán)的最優(yōu)制冷高壓pkc和最優(yōu)制熱高壓pkh隨te的變化如圖19，20所示?？梢钥闯?，5種循環(huán)的pkc和pkh均隨te的增大有不同程度的降低，SCEJ+IHE循環(huán)的變化最小。這是由于SCEJ+IHE循環(huán)蒸發(fā)器中的制冷劑流量較小，再經(jīng)過引射流增壓和氣液分離器分流后弱化了蒸發(fā)溫度對(duì)壓縮機(jī)入口氣體物性的影響，在壓縮機(jī)做功相同的情況下，其出口物性的變化也不明顯，所以達(dá)到最大COP的高壓壓力幾乎不變。圖中還可以發(fā)現(xiàn)，在蒸發(fā)溫度為-15～15 ℃的范圍內(nèi)，SCV+IHE和TSCV+IHE循環(huán)的pkc和pkh均高于其他3種循環(huán)。TSCE+IHE循環(huán)的pkh最低，pkc在te高于0 ℃時(shí)也達(dá)到最低。因此使用膨脹機(jī)代替節(jié)流閥是降低高壓壓力，提高運(yùn)行安全性的有效途徑。

圖19 pkc隨te的變化Fig.19 pkc variation with te

圖20 pkh隨te的變化Fig.20 pkh variation with te

3.6 氣體冷卻器出口溫度tc對(duì)最優(yōu)高壓壓力pk的影響

在tg為 6 ℃、te為 5 ℃的條件下，5種 CO2跨臨界循環(huán)的pkc和pkh隨的變化如圖21，22所示?？梢钥闯觯?種循環(huán)的pkc和pkh均隨tc的增大而升高，且變化幅度相似。因此，為了降低最優(yōu)高壓壓力，或者在一定高壓壓力下提高系統(tǒng)的性能，提高安全性，應(yīng)設(shè)法降低tc。

圖21 pkc隨tc的變化Fig.21 pkc variation with tc

圖22 pkh隨tc的變化Fig.22 pkh variation with tc

4 結(jié)論

本文對(duì)5種帶回?zé)崞鞯腃O2跨臨界循環(huán)進(jìn)行了熱力學(xué)分析，所得結(jié)論如下：

（1）在相同條件下，對(duì)于制冷性能，TSCE循環(huán)的最好，可達(dá)到3.2，SCV循環(huán)的最差；對(duì)于制熱性能，SCE循環(huán)的最好，可達(dá)到3.83，TSCV循環(huán)的最差。

（2）回?zé)崞鲗?duì)SCE+IHE循環(huán)的制冷性能和TSCE+IHE循環(huán)的制熱性能有不利影響，過熱度為20 ℃時(shí)，其COP數(shù)值分別降低了0.1和0.5，所以回?zé)崞鞑灰伺c膨脹機(jī)應(yīng)用于同一系統(tǒng)中；但回?zé)崞鲗?duì)其他循環(huán)的性能提高均有幫助，提升最大的是TSCV+IHE循環(huán)，過熱度平均每提升5 ℃，COP提升約0.1。

（3）帶膨脹機(jī)的兩種循環(huán)在高壓壓力較低的條件下仍表現(xiàn)出很好的性能，其最優(yōu)高壓壓力也比較低，均在9.5 MPa左右，可以兼顧性能的同時(shí)保證系統(tǒng)安全性。

（4）在蒸發(fā)溫度和氣體冷卻器出口溫度較低的情況下，SCEJ+IHE循環(huán)均表現(xiàn)出良好的性能，且該循環(huán)最優(yōu)高壓壓力受蒸發(fā)溫度影響較小，可在低蒸發(fā)溫度條件下發(fā)揮該系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，適用于低溫冷凍機(jī)或冰蓄熱等場(chǎng)合。

（5）5種循環(huán)的蒸發(fā)溫度升高和氣體冷卻器出口溫度減小，都有助于降低最優(yōu)高壓壓力，使系統(tǒng)更加安全穩(wěn)定運(yùn)行。