跨臨界CO2制冷系統氣體冷卻器實驗研究

靳光亞，謝英柏，劉迎福，劉春濤

(華北電力大學 能源動力與機械工程學院，河北 保定 071003)

跨臨界CO2制冷系統氣體冷卻器實驗研究

靳光亞，謝英柏，劉迎福，劉春濤

(華北電力大學 能源動力與機械工程學院，河北 保定 071003)

對跨臨界CO2制冷系統氣體冷卻器進行了實驗研究。研究表明：隨著高壓壓力的變化，盡管氣體冷卻器進口的CO2溫度與冷卻水的換熱溫差變化范圍較大，但氣體冷卻器出口CO2溫度幾乎不變;系統的高壓壓力為9 MPa時，氣體冷卻器中CO2的壓降只有高壓壓力的1%左右，相對較小;隨著氣體冷卻器出口CO2溫度的升高，系統制冷量先呈線性減小，后逐漸趨于穩定，壓縮機耗功呈線性增加;實驗條件下，氣體冷卻器出口CO2溫度由30℃增至37℃時，系統的COP減小了約25%。

跨臨界CO2制冷系統;氣體冷卻器;實驗研究

0 引言

由于臭氧層破壞和溫室效應的不利影響，用自然工質替代合成工質越來越受到國內外制冷界的重視。已故國際制冷學會主席 G．Lorentzen［1］率先提出了CO2跨臨界循環的理論，認為CO2是“21世紀最具前景的制冷劑”。CO2作為制冷工質雖然具有其獨特的優勢［2］，但由于其臨界溫度較低 (31℃)，系統COP不高。因此通過完善系統循環方式、優化系統設備來提高系統的循環效率是推廣CO2跨臨界循環的關鍵，其中一個重要方向就是改進氣體冷卻器的設計［3，4］。

近年來許多學者對超臨界二氧化碳換熱進行了實驗研究［5～7］，結果表明管徑、壓力、浮升力、熱流密度、質量流量等參數的變化對換熱特性的影響很大。

但值得注意的是，與單純的換熱實驗相比，在實際的CO2制冷循環系統中，相關參數之間的相互影響過程非常復雜。例如調節冷卻水的溫度，最初改變的是制冷劑在氣體冷卻器出口的溫度，但同時會引起蒸發溫度、壓縮機吸排氣壓力、壓縮機吸排氣溫度等參數的明顯變化。因此對實際的跨臨界CO2制冷循環系統中的氣體冷卻器進行研究具有重要意義，可以揭示與氣體冷卻器相關的各參數間的變化關系，改進系統的控制和調節，為氣體冷卻器的優化設計提供依據。

1 實驗系統及實驗研究方法

本試驗系統的試驗裝置示意圖如圖1所示。該試驗裝置主要包括3個子系統:跨臨界CO2制冷循環系統、冷卻水系統和冷凍水系統。其中跨臨界CO2制冷循環系統為核心部分，包括壓縮機、氣體冷卻器 (氣冷器)、前置蒸發器、蒸發器、節流閥、內部熱交換器、氣液分離器、油分離器等設備。

氣體冷卻器的設計形式為套管式，外管為φ28×1 mm，內管由三根成正三角形排列的不銹無縫鋼管φ8.5×1.5 mm組成，換熱總管長為7.8 m，制冷劑走管內，冷卻水走管外，逆流換熱。蒸發器的設計理念是管殼式和套管式的結合，節流裝置采用天津大學自行設計的手動節流閥，壓縮機采用的是意大利Dorin公司的TCS340/4－D型活塞式CO2專用壓縮機，為單級、半封閉，理論排氣量3.5 m3/h。

系統采集的數據包括制冷系統壓力、溫度，冷凍水和冷卻水進出口溫度，壓縮機和加熱器的功率以及電流。采用WZP－BW管道式鉑電阻溫度計測量溫度，經標定其測量誤差為±0.1℃，壓力傳感器采用BP800系列擴散硅壓力變送器，其精度為0.5‰，冷卻水與冷凍水的流量利用轉子流量計測量，并采用重量法標定，誤差小于3%。數據采集系統的硬件采用北京研華科技公司生產的ADAM4018遠端熱電偶采集模塊以及ADAM4017模擬量遠端測量模塊，數據采集軟件部分采用的是北京三維力控科技有限公司生產的PCAuto工控軟件。

圖1 跨臨界CO2制冷系統試驗裝置圖Fig．1 Schematic diagram of the experimental apparatus

通過調節節流閥可以改變系統的高壓壓力，在保證蒸發溫度和冷卻水流量及溫度不變的情況下，測量氣冷器中CO2的溫度分布、冷卻水的溫度以及CO2在氣冷器中的壓降;在保證蒸發溫度不變的情況下，分析氣冷器出口CO2溫度對循環系統性能的影響。

2 實驗結果及討論

2.1 氣體冷卻器出口溫度對壓縮機吸、排氣壓力的影響

圖2給出了壓縮機吸、排氣壓力隨氣冷器出口溫度tc變化的關系。由圖可知，隨著氣冷器出口溫度tc的增加，壓縮機吸氣壓力ps基本保持恒定，而壓縮機排氣壓力pc增加較快。

當氣冷器出口溫度變化時，系統內的穩定過程如下:氣冷器出口溫度增加，節流閥前溫度跟著增加，手動調節節流閥開度，使之變小，以此維持節流后溫度不變，即蒸發溫度不變。由于節流閥開度變小，制冷劑流量變小，導致氣冷器中制冷劑量增加，因此排氣壓力變大。由于蒸發溫度維持不變，壓縮機吸氣壓力基本保持不變。

圖2 氣冷器出口溫度對吸、排氣壓力的影響Fig．2 Effect of gas cooler exit temperature on suction pressure and discharge pressure of compressor

2.2 氣體冷卻器內的溫度分布以及壓降

圖3給出了當冷卻水進口溫度為32℃時，CO2溫度tCO2和冷卻水溫度tsh沿氣冷器管長方向的分布情況，其中L表示氣冷器換熱管管長，x表示測點與氣冷器進口之間的距離。可以看到，隨著高壓壓力pc的升高，氣冷器進口的CO2溫度亦升高，冷卻水沿管長方向的溫度分布幾乎不變，即氣冷器中的各段換熱量和總換熱量幾乎不變。盡管不同壓力時氣冷器入口的CO2與冷卻水的溫差相差很大 (pc=8 MPa和pc=10 MPa時相差約30℃)，但氣冷器中的CO2的溫度變化趨勢相似，在氣冷器管長的大約1/6處溫度幾乎降到一致，此點之后CO2的溫度降低值很小。造成這一現象的主要原因是調節節流閥改變高壓壓力的同時，CO2的質量流量發生了變化。高壓壓力升高，CO2與冷卻水在氣冷器進口處的溫差增大，但是由于質量流量下降，換熱量幾乎不變。

圖3 CO2溫度和冷卻水溫度沿管長方向分布Fig．3 Temperature distribution of CO2and cooling water in gas cooler

圖4給出了氣冷器中的壓力損失Δp和相對壓力損失Δp/p隨高壓壓力pc變化的關系曲線。可以看到，隨著高壓壓力pc的升高，壓力損失減小。在pc為9 MPa時，氣體冷卻器中CO2的壓降只有高壓壓力的1%左右，相對較小。在氣冷器中隨著高壓壓力的升高，CO2的平均粘度有所增大，但是此時質量流量的減小引起的壓降減小量更大，所以隨著高壓壓力的升高，壓力損失的絕對值和相對值都減小。由此可見，在合理的壓降范圍內，可以通過適當地增加管長來減小氣冷器出口CO2與冷卻水的換熱溫差，從而提高氣冷器的換熱效率。

圖4 高壓壓力對壓力損失的影響Fig．4 Effect of heat rejection pressure on pressure drop

2.3 氣體冷卻器出口溫度對循環性能的影響

圖5給出了當蒸發溫度te為0℃時，制冷量Q0和壓縮機耗功Wc隨氣冷器出口CO2溫度tc變化的關系曲線。從圖中可以看出，隨著氣冷器出口溫度的升高，制冷量逐漸減小，最后趨于穩定。這是由于開始階段排氣壓力的升高引起的制冷量升高量，抵消不了氣冷器出口溫度升高引起的制冷量降低量;后來由于兩者產生的作用相互抵消，制冷量趨于穩定。這一點與傳統的亞臨界循環不同，在亞臨界循環中，隨著冷凝溫度的增加，單位質量制冷量和制冷劑的質量流量一直減小，導致制冷量也一直減小，但是由于跨臨界循環中氣冷器出口制冷劑焓值由壓力和溫度兩個參數共同決定，因此單位質量制冷量可能不變，甚至增大，從而導致系統制冷量不變。從圖中還可以看出，隨著氣冷器出口溫度的升高，壓縮機耗功一直增加，其原因在于隨著氣冷器出口溫度的升高，壓縮機排氣壓力一直增加，吸氣壓力保持不變，造成壓縮比增大，壓縮機耗功隨之增加。

圖5 氣冷器出口溫度對制冷量、壓縮機耗功的影響Fig．5 Effect of gas cooler exit temperature on refrigerating capacity and compressor work

圖6給出了系統的COP隨氣冷器出口CO2溫度變化的關系曲線，可以看到，隨著氣冷器出口CO2溫度的上升，開始階段，COP幾乎成線性減小，后來減小速率逐漸減小，這與文獻 ［3］的理論研究結果基本一致。循環的COP下降十分明顯，氣冷器出口CO2溫度由30℃增至37℃時，系統的COP減小了約25%。因此，提高跨臨界CO2制冷循環系統性能系數的一個重要方法，就是在合理的條件下盡可能降低氣冷器出口CO2溫度。

圖6 氣冷器出口CO2溫度對循環性能系數的影響Fig．6 Effect of gas cooler exit temperature on COP

3 結論

通過對跨臨界CO2制冷循環系統進行實驗研究，分析了氣體冷卻器中的壓力和溫度分布情況以及氣體冷卻器出口CO2溫度對吸排氣壓力、制冷量、壓縮機耗功和系統的性能系數的影響。

(1)在維持蒸發溫度不變的情況下，隨著氣冷器出口溫度的上升，系統的調節過程使CO2的質量流量發生了改變，從而引起壓縮機的排氣壓力升高，氣冷器換熱量則幾乎不變。

(2)套管式氣冷器中，超臨界CO2的相對壓降很小，在高壓壓力為9 MPa時，相對壓降在1%左右，因此可以在壓降允許范圍內考慮以增加換熱管長的方法提高換熱器的效率。

(3)氣冷器出口溫度的升高會導致制冷量的下降和壓縮機耗功的增加，對COP影響很大，因此在合理范圍內降低氣冷器出口溫度能明顯改善循環系統的性能。

［1］ Lorentzen G．Revival of carbon dioxide as a refrigerant［J］．International Journal of Refrigeration，1994，17(5):292－301．

［2］ Andy Pearson．Carbon dioxide—new uses for an old refrigerant［J］．Int J．Refrig，2005，28:1140 －1148．

［3］Liao SM，Zhao TS，Jakobsen A．A correlation of optimal heat rejection pressure in transcritical carbon dioxide cycles ［J］．Applied Thermal Engineering，2000，20(9):831－ 841．

［4］ Yin JianMin，Bullard CW，Hrnjak PS．R744 gas cooler development and validation ［J］．Int J．Refrig，2001，24(7):692－701．

［5］ Jong Kyu Kim，Hong Kyu Jeon，Joon Sik Lee．Wall temperature measurement and heat transfer correlation of turbulent supercritical carbon dioxide flow in vertical circular/non-circular tubes［J］．Nuclear Engineering and Design，2007，237(15－17):1795－1802．

［6］ Pietro Asinari，Luca Cecchinato，Ezio Fornasieri．Effects of thermal conduction in microchannel gas coolers for carbon dioxide ［J］．Int J．Refrig，2004，27(6):577－ 586．

［7］ Seok Ho Yoona，Ju Hyok Kimb，Yun Wook Hwangb et al．Heat transfer and pressure drop characteristics during the in-tube cooling process of carbon dioxide in the supercritical region ［J］．Int J．Refrig，2003，26(8):857－ 864．

Experimental Study of Gas Cooler in Trans-critical CO2Refrigeration System

Jin Guangya，Xie Yingbai，Liu Yingfu，Liu Chuntao
(School of Energy Power and Mechanical Engineering，North China Electric Power University，Baoding 071003，China)

In this paper，the gas cooler in trans-critical CO2refrigeration cycle system is studied experimentally．Research shows that:the temperature different between the inlet CO2and the cooling water changes in a wide range as the heat rejection pressure changes，but the outlet CO2temperature of the gas cooler is almost unchanged;the relative pressure drop is only about 1%when the heat rejection pressure is 9MPa in the system;with the increase of the outlet temperature of the gas cooler，the refrigeration effect decreases linearly first，and the latter becoming more and more stable，but the compression work is linearly increased;on the experimental conditions，the COP decreased about 25%when the outlet temperature of the gas cooler ranged from 30℃ to 37℃．

trans-critical CO2refrigeration system;gas cooler;experimental study

TB65

A

2010－12－14。

靳光亞 (1983－)，男，助理工程師，研究方向為制冷及暖通空調相關領域，E-mail:jinguangya@foxmail．com。