CO2/R290制冷熱泵雙效系統的性能優化

天津商業大學天津市制冷技術重點實驗室 寧靜紅 李慧宇 彭 苗

0 引言

當代環境危機和自然資源危機嚴重危害著人類健康和生態環境。回歸自然，開發高效、綠色環保空調制冷系統已成為當前國際社會共同關注的問題。開展自然工質替代的理論和應用研究，不僅是全球環境保護的需要，對我國制冷和空調行業來說，也是機遇和挑戰，應積極開發擁有自主知識產權的產品和設備，為構建低碳經濟、和諧社會做出貢獻。

自然界天然存在的物質CO2(ODP＝0，GWP＝1)；具有優良的經濟性，良好的安全性和化學穩定性；適應各種潤滑油及常用機械零部件材料，高溫下不會分解產生有害氣體；CO2的冷卻潛熱較大、單位容積制熱高、運動粘度低、導熱系數高、液體密度和蒸汽密度的比值小，CO2節流后各回路間制冷劑的分配較均勻；CO2優良的流動和傳熱特性，使整個系統結構緊湊，系統的初投資少。CO2跨臨界循環氣體冷卻器所具有的較高排氣溫度和較大的溫度滑移和冷卻介質的溫升過程相匹配，使其在熱泵循環方面具有其它工質亞臨界循環等溫冷凝過程無法比擬的優勢。挪威SINTEF研究所P.Neksa,J.Petterson等人[1]對熱泵熱水器的特性進行的分析研究表明，CO2熱泵熱水器不僅具有較高的供熱系數，而且系統結構緊湊，生產的熱水溫度高。我國天津大學熱能研究所也于2000年建立起我國第一臺CO2跨臨界熱泵循環實驗臺，并對提高CO2跨臨界循環的性能進行研究[2]。E.L.Schmidt等人對CO2熱泵在干燥方面應用的可行性進行了分析與討論[3]。據統計，日本市場已有16種不同類型的CO2熱泵熱水器[4]。Jorn Stene[5]設計了與溫度滑移相匹配的三段逆流式氣體冷卻器的CO2熱泵系統。

R290（丙烷）價格低廉，ODP＝0，GWP 很小，不需要合成，與普通潤滑油和機械結構材料具有兼容性，不改變自然界碳氫化合物的含量，對溫室效應沒有直接影響；丙烷的單位容積制冷量較大，丙烷的主要物理性質如標準沸點、凝固點、臨界溫度、臨界壓力等參數與R22極其相近，可采用R22系統，可以不對原機和生產線進行改造，直接灌裝丙烷，屬于直接替代物。E.Halimic等人[6]對蒸氣壓縮制冷循環用R401A,R290和R134a制冷工質的熱力性能進行分析，得到R290表現出良好的性能。Mahmoud Ghodbane[7]對汽車空調中使用R290替代制冷劑R134a進行了研究，得出R290汽車空調系統較R134a汽車空調系統的性能有所改善。

Kaushik[8]等研究得出制冷循環內部的不可逆性比外部的不可逆性更為明顯，在相同的工況下，復疊式制冷循環較單級制冷循環的能效比高。Sarkal et al[9]提出同時制冷與供熱的CO2/NH3復疊式制冷熱泵系統。Souvik等人[10]對同時制冷與供熱的CO2/R290復疊式制冷熱泵系統進行優化研究，系統中CO2用于高溫循環，R290為低溫循環，提出系統達到最優運行性能的中間溫度與壓力參數，并分析了制冷與供熱空間溫度、換熱器的傳熱溫差、高低溫循環的性能等對CO2/R290復疊式制冷熱泵系統性能的影響。本文對高溫循環為CO2跨臨界循環，低溫循環為R290亞臨界循環的復疊式系統進行分析，對自然工質CO2/R290復疊式制冷熱泵系統的性能優化進行研究，為開發同時制冷的自然工質CO2/R290復疊式熱泵系統提供理論基礎。

1 CO2/R290復疊式系統

在熱泵系統的循環中，冷卻介質吸收高溫高壓的氣體工質散發的熱量，為環境空間供暖或提供生活熱水，而低溫低壓的液體工質吸收的熱量由水源或空氣源提供，被降溫的水或空氣沒有得到充分的利用；而在制冷系統的循環中，低溫低壓的液體工質吸收被冷卻空間或冷卻介質的熱量，用于物品的冷凍冷藏等需制冷負荷的環境空間，高溫高壓氣體工質散發的熱量由冷卻水或空氣帶走，散發到大氣中，造成對環境空間的廢熱污染，同時，冷卻水循環需要設置冷卻水塔，冷卻空氣需設置強制對流冷風機等。如果將制熱和制冷系統疊加，構成一個復疊式循環，在提供熱負荷為環境空間供暖或提供生活熱水的同時，提供冷負荷滿足制冷空間的需要，可以減少設備的投資，降低能量消耗，減少對環境的污染，提高系統的性能。

高溫循環為CO2跨臨界循環熱泵，CO2在氣體冷卻器中與冷卻介質進行熱交換，冷卻降溫的同時提供熱負荷；低溫循環為R290亞臨界循環，R290在蒸發器中吸收被冷卻介質（冷卻空間）放出的熱量，蒸發沸騰的同時提供冷負荷，CO2和R290在熱交換器中進行熱量交換，疊加成自然工質CO2/R290復疊式循環系統，可以為需要冷、熱源的不同環境空間，提供熱源的同時提供冷源，滿足-40℃到60℃范圍的溫度要求，提高單一制冷或供熱系統的性能。

如圖1所示的是在CO2高溫循環和R290低溫循環設置經濟器(economical heat exchanger,簡稱EHE)的CO2/R290復疊式制冷循環圖。圖2是帶經濟器的CO2/R290循環的T-S圖。自氣體冷卻器來的CO2氣體分成兩支流，一支流經節流閥，壓力降至中間壓力，流入經濟器，在經濟器的盤管外，與另一支直接流入經濟器盤管內的CO2氣體進行熱交換，吸收高溫氣體的熱量，成為過熱蒸氣，進入CO2壓縮機的補氣口。同時，未經節流的CO2氣體過冷，焓值降低，制冷量增加。自冷凝蒸發器來的R290液體分成兩支流，一支R290液體流經節流閥，壓力降至中間壓力，成為低溫兩相流體，流入經濟器，在經濟器的盤管外，與另一支直接流入經濟器盤管內的R290液體進行熱交換，吸收高溫液體的熱量，成為過熱蒸氣，進入R290壓縮機的補氣口。同時，未經節流的R290液體過冷，焓值降低，制冷量增加。

圖3所示的是在CO2高溫循環和R290低溫循環設置內部熱交換器（Internalheat exchanger,簡稱IHE）的CO2/R290復疊式制冷循環圖，圖4是設內部熱交換器CO2/R290循環的T-S圖。在CO2高溫循環中來自冷凝蒸發器的CO2氣體，在進入壓縮機前先經過內部熱交換器，在內部熱交換器中與來自氣體冷卻器的CO2氣體進行熱量交換，使CO2氣體進一步過冷，過冷的CO2氣體經過節流閥后焓值降低，CO2在冷凝蒸發器中吸收的熱量增加。來自R290蒸發器的低溫氣體，在進入壓縮機前先經過內部熱交換器，在內部熱交換器中與來自冷凝蒸發器的R290液體進行熱量交換，使R290液體過冷，過冷的R290液體經過節流閥后其焓值降低，使R290在蒸發器中吸收的熱量增加，R290循環的制冷量增加。

2 熱力性能計算

對高、低溫循環壓縮機的效率為70%，R290循環的蒸發溫度-40℃，制冷量為3kW,CO2氣體冷卻器的出口溫度為40℃，氣體冷卻器的高壓壓力為10MPa,冷凝蒸發器的傳熱溫差為5℃的CO2/R290復疊式制冷熱泵循環系統進行熱力計算。

CO2氣體冷卻器的熱負荷為：

式中：QK——CO2氣體冷卻器的熱負荷（kW）；

mH——CO2循環制冷劑的質量流量（kg/s）；

h4H——CO2氣體冷卻器入口的焓值(kJ/kg)；

h5H——CO2氣體冷卻器出口的焓值(kJ/kg)。

R290蒸發器的熱負荷為：

式中：Q0——R290蒸發器的熱負荷（kW）；

mL——R290循環制冷劑的質量流量（kg/s）；

h1L——R290蒸發器出口的焓值(kJ/kg)；

h8L——R290蒸發器入口的焓值(kJ/kg)。

CO2/R290復疊式制冷熱泵循環的性能系數為：

式中：NH-CO2高溫循環壓縮機的功率消耗，kW；

NL-R290低溫循環壓縮機的功率消耗，kW。

2.1 設置經濟器的循環

高溫循環經濟器的熱平衡方程為：

式中：m6H——CO2循環流經節流閥進入經濟器的制冷劑質量流量（kg/s）；

h3H——壓縮機補氣后的焓值(kJ/kg)；

m1H——循環未流經節流閥進入經濟器的制冷劑質量流量（kg/s）；

h2H——壓縮機補氣前的焓值(kJ/kg)；

h7H——CO2循環未流經節流閥進入經濟器的制冷劑過冷后的焓值(kJ/kg)。

低溫循環經濟器的熱平衡方程為：

式中：m6L——R290循環流經節流閥進入經濟器的制冷劑質量流量（kg/s）；

h3L——R290壓縮機補氣后的焓值(kJ/kg)；

h5L——冷凝蒸發器出口的R290液體的焓值(kJ/kg)；

m1L——R290循環未流經節流閥進入經濟器的制冷劑質量流量（kg/s）；

h2L——R290壓縮機補氣前的焓值(kJ/kg)；

h7L——R290循環未流經節流閥進入經濟器的制冷劑過冷后的焓值(kJ/kg)。

2.2 設置內部熱交換器的循環

高溫循環熱交換器的熱平衡方程為：

式中：h1H——CO2壓縮機入口的焓值(kJ/kg)；

低溫循環熱交換器的熱平衡方程為：

高溫循環CO2流體的過冷度為：

式中：△tH——高溫循環CO2流體的過冷度（℃）。

低溫循環R290液體的過冷度為：

式中：△tL——低溫循環R290流體的過冷度（℃）。

2.3 性能分析

圖5中所示的是CO2高溫循環和R290低溫循環分別設有經濟器的CO2/R290復疊式循環的COP隨R290低溫循環冷凝溫度的變化關系。1是CO2高溫循環和R290低溫循環均不設有經濟器的CO2/R290復疊式循環；2是CO2高溫循環設有經濟器、R290低溫循環不設經濟的CO2/R290復疊式循環；3是CO2高溫循環不設經濟器、R290低溫循環設有經濟器的CO2/R290復疊式循環；4是CO2高溫循環和R290低溫循環均設有經濟器的CO2/R290復疊式循環。可以看出，隨著R290低溫循環冷凝溫度的變化，1循環的COP存在最大值；2循環的COP沒有明顯的變化；3循環的COP隨R290低溫循環冷凝溫度的升高而有所增加；4循環的COP隨R290低溫循環冷凝溫度的升高也略有增加。并且，2循環較1循環的COP增大，3循環較2循環的COP增大，4循環較3循環的COP又有所增大。

由此得出，R290低溫循環或CO2高溫循環設置經濟器，均使CO2/R290復疊式循環的COP增大。但是，在CO2高溫循環設置經濟器，CO2/R290復疊式循環沒有明顯的最佳運行工況，且其性能不如在R290低溫循環設置經濟器的CO2/R290復疊式循環COP增大的效果明顯。而CO2高溫循環和R290低溫循環均設置經濟器使CO2/R290復疊式循環的COP增大的更為明顯。

圖6中所示的是CO2高溫循環和R290低溫循環分別設有內部熱交換器的CO2/R290復疊式循環的COP隨R290低溫循環冷凝溫度的變化關系。1是CO2高溫循環和R290低溫循環均無過冷；2是CO2高溫循環無過冷，R290低溫循環過冷度為 8℃；3是CO2高溫循環過冷度為8℃，R290低溫循環無過冷；4是CO2高溫循環過冷度為8℃，R290低溫循環過冷度為8℃。可以看出，隨著R290低溫循環冷凝溫度的變化，CO2/R290復疊式循環存在最大的COP，獲得最大COP時對應的R290低溫循環冷凝溫度為最佳冷凝溫度。2循環較1循環的COP增加，3循環較2循環的COP增加，4循環較3循環的COP又有明顯的增大，由此看出，R290低溫循環或CO2高溫循環設置內部熱交換器，均使CO2/R290復疊式循環的COP增大。但是，相同的過冷度下，CO2高溫循環設置內部熱交換器較R290低溫循環設置內部熱交換器，使CO2/R290復疊式循環COP增大的效果明顯。而CO2高溫循環和R290低溫循環均設置內部熱交換器，高溫循環和低溫循環同時過冷，使CO2/R290復疊式循環的COP增大的更為明顯。

圖7中a所示的是CO2高溫循環和R290低溫循環均設置內部熱交換器，CO2高溫循環和R290低溫循環過冷8℃的復疊式循環的COP隨R290循環冷凝溫度的變化曲線，b所示的是CO2高溫循環和R290低溫循環均帶經濟器的復疊式循環的COP隨R290循環冷凝溫度的變化曲線。圖8中a所示的是CO2高溫循環和R290低溫循環均設置內部熱交換器，CO2高溫循環和R290低溫循環過冷8℃的復疊式循環的制熱量隨R290循環冷凝溫度的變化曲線，b所示的是CO2高溫循環和R290低溫循環均帶經濟器的復疊式循環的制熱量隨R290循環冷凝溫度的變化曲線。

可以看出，在相同的R290循環冷凝溫度下，CO2高溫循環和R290低溫循環均帶經濟器的復疊式循環較CO2高溫循環和R290低溫循環均帶內部熱交換器的復疊式循環的COP和制熱量都有明顯的增大。如果增加CO2高溫循環和R290低溫循環過冷度，需增加內部熱交換器的換熱面積，造成設備的外形尺寸加大、耗材增多、投資增加。因此，相比之下，CO2高溫循環和R290低溫循環均帶經濟器的CO2/R290復疊式循環的性能好、耗材少、投資小。目前，市場上已經有帶經濟器的螺桿式制冷壓縮機產品，可研制開發帶經濟器的渦旋式制冷壓縮機產品，渦旋式制冷壓縮機所具有的優良性能，對于高效節能的CO2/R290制冷熱泵雙效系統的實際應用有很好的推動作用。

3 結論

1）R290低溫循環或CO2高溫循環設置經濟器，均使CO2/R290復疊式循環的COP增大，CO2高溫循環和R290低溫循環均設置經濟器使CO2/R290復疊式循環的COP增大得更為明顯。

2）290低溫循環或CO2高溫循環設置內部熱交換器，均使CO2/R290復疊式循環的COP增大，而CO2高溫循環和R290低溫循環均設置內部熱交換器，使CO2/R290復疊式循環的COP增大得更為明顯。

3）CO2高溫循環和R290低溫循環均帶經濟器的CO2/R290復疊式循環較CO2高溫循環和R290低溫循環均帶內部熱交換器的復疊式循環的性能好、耗材少、投資小。

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