跨臨界CO2循環中過冷強化技術的發展綜述

（西安交通大學 能源與動力工程學院，西安 710049）

0 引言

近年來，溫室效應加重，人們的環保節能意識逐漸地增強，能源作為國之根本，如何環保地使用能源是大家廣泛關注的話題。在這種情景下，自然工質的使用受到各行各界的青睞，其中CO2由于其超低的GWP指數和高安全性能得到廣泛使用。使用跨臨界CO2熱泵供暖時，CO2放熱過程具有較大的溫度滑移。因此，循環適用于進出口溫差較大的熱泵熱水器系統，能將常溫水加熱至90 ℃［1-2］。并且系統性能穩定性高，無污染，還可廣泛應用于烘干領域。

但是CO2高達7.38 MPa的臨界壓力，使得跨臨界循環運行使用時的運行壓力較大、節流損失高，且在超臨界區溫度與壓力完全解耦，因此在高回水溫度工況下循環的效率會低于一般的制冷劑系統。因此，如何提高跨臨界CO2循環的效率是關鍵問題。在氣體冷卻器出口對制冷劑CO2進行過冷處理，以此來降低膨脹閥前的制冷劑溫度，從而改善系統COP的做法頗受歡迎。常見的過冷方式可分成3類:（1）在系統循環中增添回熱器；（2）使用帶經濟器的循環；（3）使用雙系統循環，在氣冷器之后添加輔助制冷循環，從而對制冷劑工質起到過冷效果。本篇綜述的主體內容基于近年來的各種研究進展，著重介紹跨臨界CO2循環中使用到的過冷方式的發展變化。

1 過冷器結構形式的變化

1.1 帶回熱器的跨臨界CO2循環

回熱器就是CO2制冷劑重新回歸大眾視野后最早實施使用的過冷裝置，在氣體冷卻器的出口添加回熱器，使經過氣體冷卻器之后的高壓CO2制冷劑氣體和經過蒸發器之后的低溫低壓制冷劑進行換熱，提供過冷，使得膨脹閥進口與出口的制冷劑焓值得以大幅度降低，制冷循環的制冷性能加強。

Lorentzen等指出將回熱器用于制冷系統的方法十分便利［3］，制冷劑通過節流裝置對制冷劑進行冷卻，降低節流損失，以此來增加系統循環的COP。但是，使用回熱器也會帶來一定的消極影響，如提升了壓縮機出口的排氣溫度。不過相關的實驗研究［4-5］明確表明了回熱器對跨臨界CO2循環的增益性，回熱器的特定吸入量減少了制冷劑的質量流率，但是回熱器的使用也增加了比制冷量以及降低了最佳工作壓力。在一定工況范圍內，增益的影響較大，系統循環性能得到提升。

Cavallini等對回熱器在跨臨界CO2循環中進行過冷首先進行了模擬［6］，使用的循環是帶有中間冷卻的單級節流循環雙級壓縮，結果帶有回熱器的循環的COP值提升了7.6%。在其后期的試驗驗證當中［5］，實驗測量得到了20%的循環性能提升，COP值差異的可能原因是壓縮機的吸氣溫度升高導致的中間冷卻器更高的散熱。Aprea等［4］試驗測量了跨臨界CO2制冷機中回熱器的影響，與基本循環相比，COP增量在10%左右。Sánchez等［7］測量了帶密閉壓縮機的循環，測量得到了當使用回熱器的時候，循環的COP值最高可增加到6.7%。通過上述研究資料表明，在適宜的工況下，使用回熱器均可改善跨臨界系統性能，在跨臨界CO2循環中使用回熱器是值得推崇的。

下面將介紹3種較為經典的帶回熱器過冷的循環系統（3種不同分布方式回熱器的跨臨界循環）［8］，將回熱器放置在氣體冷卻器出口、儲液罐出口以及使用雙回熱器。

常規回熱器布置形式如圖1所示，氣體冷卻器出口的制冷劑直接與壓縮機入口的制冷劑進行換熱，使得閥前的制冷劑被冷卻，壓縮機入口制冷劑吸氣過熱度提升。2個膨脹閥第一個閥起控制排氣壓力的作用，第二個閥則用來控制吸氣過熱度。該循環相比無回熱器的循環，系統單位容積制冷量提高，循環的COP增加，系統性能提高。

圖1 回熱器在氣冷器出口的跨臨界循環Fig.1 Internal heat exchanger at the exit of gas cooler

對于回熱器在儲液罐出口的跨臨界循環如圖2所示，制冷劑工質離開氣冷器之后節流進入到儲液罐，經過儲液罐后，與蒸發器出口的制冷劑氣體進行換熱被冷卻，實現過冷，蒸發器出口吸氣過熱度增加。

使用雙回熱器的跨臨界CO2系統如圖3所示，該循環使用2個回熱器，對氣冷器出口的制冷劑進行了2次過冷。第1次是在氣冷器出口處，氣冷器出口的工質與經過第2個回熱器的工質進行換熱，經過節流裝置和儲液器后，進入第2個回熱器與蒸發器出口的工質進行換熱，再次進行過冷。

圖3 雙回熱器系統的跨臨界循環Fig.3 Double internal heat exchanger systemx

Sánchez試驗測試了不同工況下3種帶回熱器的跨臨界CO2循環系統性能參數［8］。在蒸發溫度為5 ℃的工況下，3種帶回熱器的循環系統COP為1.44，1.38，1.47，相較于基礎循環 COP=1.30，雙回熱器系統的COP提升能達到10.8%。由于雙回熱器系統進行了2次過冷，過冷效果更好，膨脹閥進口與出口的制冷劑焓值下降更多，系統效益提升更大。但是回熱器也使得壓縮機的排氣溫度更高，在Torrella等的實驗評估中［9］，在 -15 ℃的蒸發溫度下，制冷量的最大增量為12%，而壓縮機的排氣溫度也提升了10 ℃。Cao等試驗分析了回熱器對跨臨界CO2熱泵系統的影響［10-11］，從能量角度分析了回熱器對熱泵系統的影響，在最佳排氣壓力下COP增長可以達到6.65%，總功耗降低了6.22%。

使用回熱器進行過冷是最普遍的過冷方法，也是提高系統性能最簡單的方法，回熱器的使用已經廣泛推廣到合理運行條件的系統上。但另一方面，使用回熱器進行過冷所獲得的過冷度較低，系統性能的增益十分有限。

1.2 帶經濟器的跨臨界CO2循環

在跨臨界CO2循環中，還有一種過冷的方法是帶經濟器的循環，帶經濟器的循環使用兩級壓縮并且在循環當中添加經濟器。主要形式有2種，在經濟器前節流和在經濟器之后進行節流。如圖4所示，在這個經濟器前節流的循環當中，制冷劑經過兩級壓縮之后進入氣冷器，從氣冷器出來的制冷劑氣流分成兩部分，主氣流和輔助氣流。輔助氣流從氣冷器出來之后直接進入到膨脹閥節流至中間壓力并且在經濟器中蒸發吸熱，來給制冷劑主氣流提供冷量，產生過冷。從而降低閥前焓值、提升制冷量與系統性能。如圖5所示，與經濟器前節流方法不同的是，該循環中，氣冷器出來的制冷劑液體全部獲得一定過冷效果后流出經濟器，此時的制冷劑分兩路，一路經過主回路膨脹閥1節流后進入蒸發器，另一路則經過補氣路膨脹閥2節流至中間壓力后再進入經濟器吸熱蒸發，隨后經補氣口進入壓縮機。還有一種帶閃蒸罐的跨臨界循環如圖6所示，高壓氣體經過氣冷器節流至中間壓力進入閃蒸罐，從閃蒸罐出來的氣體進入到回熱器用于冷卻從過冷器出來的高壓氣體，提供過冷，閃蒸罐收集的制冷劑液體進入到第二個回熱器，和從蒸發器出來的氣體進行換熱，實現第二次的過冷，由狀態點4變成狀態點5，然后被節流到蒸發壓力繼續參與循環。此類循環由于進行了兩次過冷，制冷劑過冷程度較高。

圖4 經濟器前節流系統Fig.4 The throttling system before the economizer

圖5 經濟器后節流系統Fig.5 The throttling system after the economizer

Torrella等研究發現，使用這類循環所帶來的COP增益取決于經濟器的換熱器效率和閃蒸罐的效率［12］。較早有關于帶經濟器循環的研究是Cavallini等的理論研究［6］，他們分析了此類分流循環在制冷目的工況下的性能，模擬研究認為在帶有回熱器的特定工況下，COP值可以達到3.25。將這類循環與兩級循環帶中間冷卻器和回熱器在蒸發器出口的循環進行對比參考，發現帶經濟器的循環的COP增量可以達到15.2%。接著，Cecchinato等從理論上優化了跨臨界條件下的兩級分流循環［13］，并且對比了此類循環和其他CO2兩級壓縮循環在不同的蒸發溫度下的性能。結果顯示在蒸發溫度為4 ℃時，帶過冷器的循環會比基本的兩級循環COP值提升9.5%，帶閃蒸罐的循環COP提升8.9%。當蒸發溫度為-30 ℃時，COP的增益更高，均達到了19.4%。Bake等試驗測試了不同工況下帶經濟器的CO2熱泵系統性能［14-15］，結果表明，帶經濟器系統始終比基本循環系統的COP值高出7%以上。系統循環當中工質通過膨脹閥之前的溫度和焓值明顯降低，通過蒸發器后的焓差增加，帶經濟器的系統性能明顯提高。相比于之前所講的單一使用回熱器的循環，系統性能的提升更大。

在使用帶經濟器以及閃蒸罐的循環基礎上，如何能夠得到最優的COP值，往往還取決于其他因素。Baek等從理論和試驗上對中間補氣的帶經濟器和閃蒸罐CO2熱泵循環進行了相關分析［16］，發現對此類循環，存在最佳氣缸容積比0.7。在最佳容積比的條件下，有補氣的帶閃蒸罐的循環相比于沒有補氣的循環，制熱能力和COP值分別提高了10.4%和6.7%。對于帶經濟器的循環，壓縮機中間補氣的循環制熱能力和COP值分別提高了18.3%和9.4%。可見，對于此類經濟器循環，對壓縮機進行補氣能提高循環性能。補氣對帶經濟器的循環所帶來的增益，還有許多學者進行了相關研究，例如Wang等針對補氣壓力對經濟器制冷循環性能的影響進行實驗研究［17］，驗證了隨著補氣壓力的變化，系統制冷量存在最優值。相關研究的內容主要集中于補氣參數對系統性能的影響［18-20］，如補氣壓力或者補氣孔口的位置，是否存在最優的參數值使得循環系統獲得最優COP值。使用帶經濟器的循環進行過冷是一種較為優化的過冷方式，獲得的過冷量較高，COP值提升較為明顯，并且過冷量也易于調節。

1.3 雙系統過冷

使用輔助循環來幫助主循環中的制冷劑過冷是這幾年所研究的較為熱門的過冷方式，通過在氣冷器或者冷凝器之后添加一個輔助系統來給制冷劑提供過冷度，在本文稱之為雙系統過冷，其方式諸如添加熱電模塊、常規的蒸氣壓縮循環以及其他循環，都能發揮良好的過冷作用，使循環的性能效益提高。

在氣冷器出口進行過冷可以使用熱電模塊進行，使用熱電元件進行過冷的優點是其在冷熱表面的低溫差下運行，能夠表現出高性能，并且是一種容易利用膨脹過程回收能量的機制［21］。如圖7所示，通過在氣體冷卻器之后添加一個熱電模塊來實現對氣冷器出口的制冷劑氣體進行過冷，提供過冷度。2008年，Radermacher團隊首次就跨臨界CO2循環中熱電模塊過冷的影響進行研究［27］，將熱電模塊集成到循環系統的過冷器當中。熱電模塊過冷改善了循環性能，與基本循環相比COP增量達到了15%，并且提高了系統容量。Sarkar從理論上模擬分析了帶熱電模塊的CO2熱泵系統［28］，熱電過冷器在氣冷器后進一步冷卻制冷劑，可以使得循環在特定工況下COP值增益達到20%以上，最優排氣壓力降低在15%以上。

圖7 帶熱電模塊的循環系統Fig.7 The cycle system with thermoelectric module

跨臨界CO2循環系統常用的過冷方式還有機械過冷，如圖8所示，在氣冷器之后添加一個蒸氣壓縮循環，利用循環的制冷效果來對經過氣冷器的制冷劑氣體進行過冷，達到提升循環性能的目的。相比于添加熱電模塊，能達到更良好的過冷效果。

圖8 帶輔助蒸氣壓縮循環的循環系統Fig.8 The cycle system with auxiliary vapor compression cycle

此類過冷方式在跨臨界CO2循環系統中的理論研究在2015年由Hafner等首次提出［29］，他們對R290輔助系統在跨臨界CO2循環系統中的性能提升進行了模擬分析。隨后Llopis等對R290輔助系統的跨臨界CO2循環進行了實驗研究［30］，結果顯示循環的COP和制冷量增量最大能達到20%和28.8%，氣冷器出口的溫度越高，加入過冷器后的性能提升程度就越明顯。系統的最優排氣壓力出現了較為明顯的降低，有利于系統安全。雖然機械過冷方式需要額外的輔助循環，但是其提供過冷度的方式更容易完成，可行性高。此外，Llopis團隊還試驗研究了集成式機械過冷跨臨界CO2循環的最佳工況［24］，得到環境溫度為 25，30.4，35.1 ℃以及蒸發溫度介于-15.6，-4.1 ℃之間的最優工況，在特定工況下達到系統的最優COP。

2019年Llopis團隊提出一種配備熱電模塊的新型過冷系統［31］，并構建計算模型進行系統性能分析。在最佳工況下，與基本的循環系統相比使用20個熱電模塊可以提升系統COP19.7%。如果與帶有內部換熱器的循環相比，COP的提升值為12.2%。如果能夠在一定程度上改進熱電模塊的制冷系統，那過冷程度將會得到加強，預計能使得COP值提升24%，并且增加33.3%的制冷能力。深入分析熱電模塊的和跨臨界CO2循環的組合來優化工作條件，這對系統過冷強化技術的發展帶來新的思路。

在輔助循環所使用的制冷劑方面，也有學者進行了相應的研究，研究不同制冷劑在并行系統中的影響。Llopis等研究比較了5種不同工質的過冷系統［32］，指出5種情況下系統整體的COP并沒有太大差別，這種情況也反應出在整個系統中，輔助循環功耗的占比并不大，只占據著較小一部分的能量產出。這也在一定程度上體現了此類并行系統的可靠性和經濟性，輔助循環的增加并不會使得總能耗變化太大。Dai等也試驗研究了在機械過冷當中使用不同制冷劑對系統性能的影響［33］，作為機械過冷的制冷劑，相同的特定工況下使用R717可獲得最佳效果，系統COP為2.85，而R41效果最差，COP值為2.67，差距僅有6.7%。因此，輔助循環中不同制冷劑對系統性能的影響差距并不大。

除單一制冷劑外，Dai等還提出了一種非共沸混合工質機械過冷跨臨界CO2循環［34］。在蒸發溫度為-40 ℃、環境溫度為35 ℃時，使用R32/R152a（40/60）輔助循環COP可提升46%，CO2排氣壓力可降低2.758 MPa。因此，當選取合理溫度滑移的混合工質作為輔助循環的制冷劑時，能明顯提高整體循環的性能，降低排氣壓力。在溫暖和炎熱的氣候地區及冷凍冷藏等低溫應用領域，采用非共沸混合制冷劑機械過冷跨臨界CO2制冷循環整體性能的提升更加顯著。

不僅限于基本的并行系統，Song從理論上和試驗上研究了一種新型R134a和跨臨界CO2的組合系統［35-38］。如圖9所示，采用一個亞臨界R134a制冷循環作為并行系統的輔助過冷器，間接耦合在主路的氣體冷卻器出口，使用R134a循環中的蒸發器與經過氣體冷卻器之后待冷卻的CO2間接換熱的方式來達到過冷效果。與其他循環不同的一點是，該過冷的方法并沒有使輔助循環與主循環直接進行換熱，而是利用循環水作為一種中間介質來進行換熱在輔助循環提供過冷度的情況下，CO2工質膨脹前的狀態點左移，整個系統的制熱量和制冷量都得到了顯著提高，極大地改善了跨臨界CO2循環在此高回水溫度工作條件下的性能。Song等試驗測試了不同工況下R134a組合系統性能［39］，在進回水溫度為50/70 ℃的情況下，相比于標準系統COP提升可達32%，制熱能力也大幅度提升。將R134a蒸氣壓縮制冷循環用于輔助過冷循環是十分具有潛力的方式，可保證輔助循環的蒸發溫度在10℃以上。

圖9 帶R134a過冷器的并行式跨臨界CO2熱泵系統Fig.9 Parallel transcritical CO2 heat pump system with R134a subcooler

2 過冷強化技術發展分析

圖10示出了跨臨界CO2循環系統中過冷強化技術的發展變化。從添加回熱器到使用經濟器進行過冷，發展到如今很常用的并聯系統，跨臨界CO2循環中的過冷強化技術結構逐漸由簡單變向復雜變化。在系統循環當中添加回熱器是簡單易行的方法，在1993年被首次提出使用于制冷系統，后經研究被驗證能夠提高跨臨界CO2系統性能，在最佳工況下COP增值能夠達到10%以上，也成為了最普遍的過冷方式。除了添加回熱器之外，使用經濟器進行過冷的研究也從2005年開始逐漸增加，經過幾年的研究發展也證實了添加經濟器是良好的過冷方式，提高跨臨界CO2系統性能。添加經濟器的方法受到廣泛使用，而不是單一地使用回熱器。2008年，Radermacher團隊提出了在跨臨界CO2循環系統中使用熱電模塊過冷，將過冷方法推向一種使用輔助模塊的新模式。短短幾年的時間內，Llopis團隊提出了帶輔助循環的跨臨界CO2循環機械過冷系統模型并進行了試驗驗證，COP的增益可以達到20%以上，相比于使用熱電模塊效率更高，可靠性更強。在此基礎上，許多學者也開始研究雙系統過冷方式，如新型的跨臨界CO2組合系統。使用輔助循環的雙系統過冷方式在結構上雖然最為復雜，但結構最為穩定，系統性能良好。

圖10 跨臨界CO2系統過冷強化技術研究示意Fig.10 Schematic diagram of development of subcooling enhancement technology for transcritical CO2 system

3 結語

在氣冷器出口對CO2制冷劑進行過冷能夠降低膨脹閥進口與出口制冷劑的焓值，進而提高跨臨界CO2循環系統性能。過冷方式有使用回熱器、經濟器以及雙系統過冷，3種強化方式都能提升系統的COP，提高系統整體性能。

使用回熱器是最基本的過冷方式，單一使用回熱器進行過冷就可以提升系統COP達到10%。但同時也會提高排氣溫度，降低壓縮機的可靠性。相比于單一使用回熱器，使用經濟器以及機械過冷方式能夠帶來更大的系統增益。在特定工況下使用熱電模塊進行過冷，COP在最佳情況下也能提升至25.6%。而使用輔助循環以及新型組合系統柜可以使得系統循環的COP提升28.8%及以上，并且提升系統可靠性，可行性更高。對于輔助循環當中所使用的制冷劑工質，尤其是混合物制冷劑，以及系統最優工況的優化則有待進一步研究。