機械過冷CO2跨臨界制冷循環性能理論分析

代寶民 劉圣春 孫志利 齊海峰 陳啟 王曉明 馬一太

（1天津商業大學天津市制冷技術重點實驗室 天津 300134；2天津三電汽車空調有限公司 天津 300385；3天津市計量監督檢測科學研究院 天津 300192；4天津大學熱能研究所 天津 300072）

氣候變化是當今人類社會面臨的重大挑戰，氟氯烴（CFCs）和氫氟氯烴（HCFCs）類物質破壞臭氧層并且具有較高的溫室效應已被或將逐漸被禁用。國際社會制定了相應的政策法規應對這一全球性問題，溫室效應問題已經引起了全球各國的密切關注。在這樣的形勢下，自然工質成為當今制冷空調行業的研究熱點。在眾多自然工質中，CO2由于其安全環保的優勢最具代表性和競爭力。然而，由于CO2的臨界溫度為31.1℃，而臨界壓力高達7.38 MPa，運行壓力較高、節流損失大，造成CO2跨臨界循環效率低于常規制冷劑系統，這是限制其推廣應用的最主要原因。

對氣體冷卻器出口的CO2流體進行過冷，隨著過冷度的增加，節流損失降低，循環冷量增加，提升循環COP。CO2制冷循環的過冷可通過內部換熱器［1-2］、機械［3-4］、熱電［5-6］等方式實現。 一些學者對機械過冷用于CO2循環進行了理論研究，即通過輔助蒸氣壓縮制冷循環對主循環（CO2跨臨界制冷循環）氣體冷卻器出口的CO2進行冷卻。She Xiaohui等［7］提出在CO2主循環設置膨脹機，輸出的膨脹功驅動輔助循環的壓縮機對CO2進行過冷，計算結果表明 COP提升了49.2%。R.Llopis等［3］對 CO2跨臨界機械過冷循環進行了熱力學分析，表明COP和制冷量最高分別提升了20%和28.8%，并且降低了最優高壓。雖然機械過冷循環需要一套輔助制冷循環，增加了成本，但輔助制冷循環的容量明顯小于主循環［8］，R.Llopis 等［3］的分析結果表明輔助循環壓縮機的功耗不到主循環的20%。B.A.Qureshi等［9］認為投資回報期的長短取決于制冷系統的容量大小，對于制冷量大于100 kW的系統，安裝輔助循環的回報期小于3年。機械過冷不僅能夠增加制冷量，而且可以降低主循環的運行高壓，降低壓縮機排氣壓力，延長壓縮機的使用壽命［8］。

相對其它幾種過冷方式，機械過冷更容易實現，是提高CO2跨臨界制冷循環能效、拓寬其使用范圍的可行措施。然而，到目前為止僅有少量理論分析研究的公開發表，對其循環特性的研究有待進一步開展。本文對主循環和輔助循環的匹配特性進行研究，為提高CO2跨臨界制冷循環的效率提供理論支撐。

1 模型建立

采用輔助蒸氣壓縮制冷循環對氣體冷卻器出口的CO2進行過冷，可提高CO2跨臨界制冷循環效率，循環整體T-S圖和系統原理分別如圖1和圖2所示。可以看到，圖1中循環1-2-3-4-1為無過冷循環，即CO2跨臨界制冷循環；循環1-2-3″-4″-1為有過冷循環A，即主循環；循環 1′-2′-3′-4′-1′為輔助循環 B，制冷工質可選擇常規制冷劑。受環境溫度的限制（假設為35℃），CO2氣體冷卻器的出口溫度較高，為降低節流前CO2的溫度，可通過循環B的蒸發過程（4′-1′）將CO2過冷過程的放出熱量通過循環B轉移至冷卻水或大氣環境，實現CO2過冷。該換熱過程發生在過冷器中，類似于機械過冷制冷循環中的冷凝蒸發器，但機械過冷部分僅發生在循環A的過冷段。因此，本文將該過冷器稱為CO2冷卻蒸發器，將這種蒸氣壓縮輔助過冷循環（機械過冷循環）稱為CO2跨臨界過冷區域機械過冷制冷循環。

圖1 機械過冷CO2跨臨界制冷循環T-S圖Fig.1 T-S diagram of CO2transcritical refrigeration cycle with mechanical subcolling

圖2 機械過冷CO2跨臨界制冷循環系統原理Fig.2 The principle of CO2transcritical refrigeration cycle with mechanical subcooling system

本文基于以下假設進行分析：1）循環在穩態工況下運行；2）換熱器和管路中壓降和熱損失忽略不計；3）蒸發器出口為飽和氣態，輔助循環冷凝器出口為飽和液態；4）主循環氣體冷卻器出口CO2溫度與環境溫差為5℃；5）輔助循環冷凝溫度與環境溫差為10℃；6）冷卻蒸發器最小換熱溫差為5℃。

1）主循環

壓縮機：

式中：ηm，CO2和 ηe，CO2分別為 CO2壓縮機的機械效率和電機效率，均取0.9。

式中：ηs，CO2為 CO2壓縮機的等熵效率，取 0.8。

氣體冷卻器：

節流閥：

無過冷：

有過冷：

蒸發器：

無過冷：

有過冷：

2）輔助循環

壓縮機：

式中：ηm，Aux和ηe，Aux分別為輔助循環壓縮機的機械效率和電機效率。

式中：ηs，Aux是輔助循環壓縮機的等熵效率。

冷凝器：

節流閥：

冷卻蒸發器：

3）循環整體

無過冷：

有過冷：

2 結果和討論

由于 R152a的 GWP較低（＝124），相對于R1234yf等人工合成制冷劑價格便宜以獲取，綜合性能較好。因此，本文首先選擇輔助循環的工質為R152a對循環的性能展開分析討論。

2.1 排氣壓力和過冷度的影響

如圖3所示為蒸發溫度TE＝0℃，環境溫度TA＝30℃工況條件下，過冷循環性能系數COP隨排氣壓力ph和過冷度TSC的變化規律。可以看到COP隨ph和TSC均先急劇增大后緩慢減小，當ph＝8.34 MPa，TSC＝13.9 ℃時，COP取得最大值 2.84。ph和TSC共同影響循環整體性能，對應的ph和TSC為最優ph和最優TSC。 由 F.Kauf［10］的分析結果可知，當氣體冷卻器出口溫度一定時，由于CO2超臨界區域的S形等溫線和壓縮過程線共同作用，CO2跨臨界制冷循環存在最優ph。

圖3 COP隨排氣壓力和過冷度的變化Fig.3 Variation of COP with discharge pressure and subcooling temperture

圖4所示為循環COP、制冷量QEva，SC、循環總功耗WCom，SC、主循環壓縮機功率WCom，CO2和輔助循環壓縮機功率WCom，Aux隨過冷度的變化規律。由于環境溫度、排氣壓力不變，主循環壓縮機功率不隨過冷度變化；而隨過冷度增加，輔助循環的蒸發溫度逐漸降低，導致壓縮機功耗迅速增加，總功耗急劇增大，但制冷量呈線性增加趨勢，最終共同作用結果顯示循環COP先增加后降低，在最優過冷度處取得最大COP。為了保證比較基準的合理性，下文的分析均基于最優工況的結果進行討論。

圖4 性能參數隨過冷度的變化Fig.4 Variation of performance parameters with subcooling temperature

2.2 最大COP的變化特性

如圖5（a）所示為基本循環（下標用BASE表示）和有過冷循環（下標用SC表示）最大COP隨環境溫度和蒸發溫度的變化規律。從圖中可知：COPBASE和COPSC均隨環境溫度升高而急劇下降，隨蒸發溫度的升高而增加；當環境溫度為20～40℃時，COPSC＞COPBASE。圖 5（b）所示為 COP的提升率，定義為（COPSC-COPBASE）/COPBASE×100%，可知與基本循環相比，過冷循環COP提升率隨環境溫度的升高基本呈線性增加，且隨蒸發溫度的增加而逐漸降低，當環境溫度為40℃，蒸發溫度為-15℃時，COP提升率高達43.8%；而對環境溫度為20℃，蒸發溫度為5℃的工況，COP提升率僅為6.2%。綜上所述，對于較高環境溫度和較低蒸發溫度的工況，通過蒸氣壓縮輔助制冷循環進行過冷處理可明顯改善CO2跨臨界制冷循環的性能。

圖5 最大COP隨環境溫度和蒸發溫度的變化Fig.5 Variation of maximum COP with ambient temperature and evaporation temperature

2.3 最優排氣壓力和過冷度的變化特性

圖6所示為過冷循環和基本循環最優排氣壓力的變化。由圖6可知，最優高壓隨環境溫度的升高線性增加，而蒸發溫度對最優高壓的影響不明顯，尤其是過冷循環，當環境溫度為40℃時，蒸發溫度由5℃降至-15℃，最優高壓僅升高了0.12 MPa，而對基本循環升高了0.69 MPa。此外，當環境溫度低于22℃時，最優高壓基本不受過冷與否的影響，當環境溫度高于22℃時，過冷區域機械過冷制冷循環的降壓優勢逐漸凸顯，并且環境溫度越高，蒸發溫度越低，降壓效果越顯著。當環境溫度 ＝40℃，蒸發溫度 ＝-15℃時，過冷循環的最優排氣壓力由12.28 MPa降至10.27 MPa，降低了2.01 MPa。因此，從降低運行高壓的角度而言，過冷循環同樣更適用于環境溫度較高的工況。

圖6 最優排氣壓力隨環境溫度和蒸發溫度的變化Fig.6 Variation of optimal discharge pressure with ambient temperature and evaporation temperature

圖7所示為最優過冷度隨環境溫度和蒸發溫度的變化。可知過冷度隨環境溫度的升高和蒸發溫度的降低逐漸增加，當蒸發溫度為-15℃的工況，環境溫度高于28℃時，最優過冷溫度均高于20℃，說明循環需要較大的過冷度達到最優工況，并且環境溫度越高、蒸發溫度越低時，對應的最優過冷度越高。

圖7 最優過冷度隨環境溫度和蒸發溫度的變化Fig.7 Variation relationship of optimal subcooled temperature with ambient temperature and evaporating temperature

即使環境溫度不高，也需要較大的過冷度以達到最佳能效。因此，可以推斷CO2過冷區域機械過冷制冷循環更適用于蒸發溫度要求較低應用場所，如商用冷凍冷藏行業。

2.4 壓縮機排氣溫度和功耗的變化特性

圖8所示為基本循環和過冷循環在最優工況下的壓縮機排氣溫度。可知排氣溫度隨環境溫度的升高和蒸發溫度的降低呈線性增加趨勢。當環境溫度＜22℃時，過冷對排氣溫度的影響不明顯，當環境溫度＞22℃時，過冷循環的排氣溫度低于基本循環，并且環境溫度越高、蒸發溫度越低，排氣溫度的降低越明顯，在環境溫度＝40℃、蒸發溫度＝-15℃時，排氣溫度降低了17.5℃。

圖8 排氣溫度隨環境溫度的變化Fig.8 Variation of discharge temperature

圖9所示為輔助循環和主循環壓縮機功率在不同工況下的變化規律。輔助循環相對主循環的功耗隨環境溫度升高急劇增加，并且蒸發溫度越高，功耗比隨環境溫度變化越劇烈，對于蒸發溫度為5℃的工況，當環境溫度由20℃增加至40℃時，功耗比由0.11增加至0.29。當環境溫度低于31℃時，功耗比隨蒸發溫度的降低而增加，但當環境溫度高于31℃時，蒸發溫度越高功耗比越大。此外，輔助循環的容量相對于主循環較小，文中研究工況范圍內輔助循環壓縮機的相對功耗≤0.3，并且與圖5（b）比較可知，當環境溫度為40℃、蒸發溫度為-15℃時，相對基本循環，輔助循環壓縮機的相對功耗量為0.29，但COP提升量高達43.8%，表現了很好的經濟性。

因此，對于環境溫度較高、蒸發溫度較低的運行工況，在保證制冷量不變的前提下，可通過輔助制冷循環提升循環效率，從而減小了CO2壓縮機的容量，使循環高效經濟運行。

2.5 輔助循環工質選擇的影響

筆者選取了11種工質作為輔助循環的制冷劑，其物理、安全和環保特性如表1所示。除R134a和R32外，其它9種制冷劑的GWP＜150，屬于低GWP制冷劑，而R32的GWP＝675，是一些非共沸混合制冷劑的重要組元，也是目前替代HCFCs呼聲較高的制冷劑，雖然R134a GWP高達1 370，但考慮其廣泛應用于制冷空調領域，本文也將其作為輔助循環工質進行分析。

圖9 輔助循環和主循環壓縮機功耗比值Fig.9 Power consumption ratio of auxiliary cycle and main cycle compressor

圖10所示為當蒸發溫度＝0℃、環境溫度＝30℃時，基本循環和采用不同輔助循環制冷劑的過冷循環在最優工況下的COP。可知無論輔助循環采用何種制冷劑，過冷循環COP均遠高于基本循環。對于采用11種不同輔助循環制冷劑的循環整體性能，制冷劑為R41的COP明顯低于采用其它10種制冷劑的循環，這是由于R41的臨界溫度較低僅為44.1℃，而此時冷凝溫度為40℃，R41節流后進入蒸發器的制冷劑干度較高，輔助循環效率較低，導致循環真題效率偏低。但對于采用其它10種工質作為輔助循環制冷劑的循環，其性能差異不大，COP最高的為 R717，其次為R152a和RE170。

圖10 不同輔助循環制冷劑的過冷循環COPFig.10 Subcooled cycle′s COP of different auxiliary cycle refrigerant

表1 制冷劑的物理性質、安全及環保特性Tab.1 The physical properties，safety and environmental characteristics of refrigerant

3 結論

采用蒸氣壓縮輔助制冷循環對CO2跨臨界制冷循環的氣體冷卻器出口CO2流體進一步冷卻，可提高CO2制冷循環的性能。本文首先對輔助循環采用R152a的循環的熱力學性能進行理論分析，對不同環境溫度、不同蒸發溫度條件下循環的運行規律進行討論并與基本CO2跨臨界制冷循環進行比較，最后對輔助循環采用其它制冷劑的循環性能進行分析，得到如下結論：

1）排氣壓力和過冷度對CO2跨臨界過冷區域機械過冷制冷循環的性能影響顯著，循環存在最大COP，對應最優排氣壓力和最優過冷度。

2）環境溫度越高、蒸發溫度越低，過冷區域機械過冷循環的性能提升越明顯，在環境溫度＝40℃，蒸發溫度＝-15℃的工況，COP提升率高達43.8%。

3）過冷區域機械過冷循環可顯著降低CO2跨臨界循環的排氣壓力和溫度，當環境溫度為40℃，蒸發溫度為-15℃時，排氣壓力和溫度分別降低了2.01 MPa和17.5℃；

4）在本文研究工況范圍內，輔助循環壓縮機功耗相對主循環壓縮機較小，均小于0.3，在保證制冷量不變的前提下可減小CO2壓縮機的容量，循環高效經濟運行。

5）輔助循環采用不同制冷劑對循環整體性能均有顯著提升作用，除了R41的提升程度較低外，其它10種工質的提升程度差異不明顯，最高的為R717。

6）CO2過冷區域機械過冷制冷循環更適用于環境溫度較高、蒸發溫度較低應用場所。

本文受天津商業大學國家基金培育（160121）和天津市高等學校自然科學研究項目資助。（The project was supported by the Cultivation National Project of Tianjin University of Commerce（No.160121）and Natural Science Research Project of Tianjin Higher Learning Institution.）

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