梯級吸排氣循環理論及應用

曹祥 張春路

(1 同濟大學機械工程博士后流動站 上海 201804；2 同濟大學機械與能源工程學院制冷與低溫工程研究所 上海 201804)

蒸氣壓縮式制冷/熱泵裝置被廣泛應用于生產生活的各個領域，其能耗問題愈發受到關注，我國對進一步提升制冷/熱泵裝置能效已制定了明確的規劃[1]。減少熱力過程中的不可逆損失是提升能效的關鍵，蒸氣壓縮制冷/熱泵循環中不可逆損失主要存在于非等熵壓縮、節流以及蒸發器與冷凝器的溫差傳熱過程中[2]。

一方面，現有多種技術方案可減少壓縮和節流過程不可逆損失，例如使用膨脹機[3]和噴射器[4]替代傳統的節流部件；也可以通過循環改進，使用中間補氣[5]、強化過冷[6]等措施，提高循環能效。

另一方面，降低蒸發器與冷凝器傳熱過程的不可逆損失主要通過提升傳熱能力和改善溫差場兩種方法實現。通過增加換熱面積和強化傳熱[7－8]等措施可改善蒸發器與冷凝器傳熱能力，從而在整體上縮小傳熱溫差。但傳熱損失不僅與傳熱溫差有關，還與溫差分布的均勻性相關。理論上來說換熱器的傳熱溫差場越均勻，傳熱效率越高[9]。目前，蒸氣壓縮式制冷/熱泵裝置大多工作在變溫熱源條件下，即被冷卻或加熱的換熱流體(例如空氣和水)溫度將隨傳熱過程變化。在變溫熱源條件下，最高效的循環是洛倫茲循環[10]。對于實際的蒸氣壓縮制冷/熱泵循環，理論上使用具有溫度滑移特性的非共沸工質有助于改善蒸發器與冷凝器溫差場均勻性、提升能效[11]。然而，非共沸工質存在溫度滑移范圍有限[12]、傳熱系數低[13]、制冷劑泄漏會發生組分滑移[14]等問題，因此在實際產品設計中仍以純工質和近共沸工質為主。

通過改進循環結構同樣可以降低變溫熱源條件下蒸發器與冷凝器的傳熱損失，例如梯級吸排氣循環[15]，原理圖如圖1所示。通過設置數個具有一定梯度的吸排氣壓力，在對換熱流體進行多級冷卻或加熱過程中，實現制冷劑溫度對熱源溫度梯形逼近的制冷熱泵循環。

圖1 梯級吸排氣循環原理Fig.1 Principle of stepped pressure cycle

本研究團隊對梯級吸排氣循環進行了全面研究，發現該循環節能潛力大，但實際節能效果受多種因素影響。因此本文將對梯級吸排氣循環理論進行深入剖析，并結合應用實例展示節能效果。

1 梯級吸排氣循環節能原理

洛倫茲循環作為變溫熱源條件下效率最高的制冷循環，可視作由無數個不同蒸發溫度和冷凝溫度的逆卡諾循環復合而成。梯級吸排氣循環正是受該思路的啟發，理論上可以通過構造無數組實際制冷循環，實現制冷劑溫度對換熱流體溫度的梯形逼近。梯級吸排氣循環在理論上已被證明其極限效率與洛倫茲循環相等[16]。

對于實際制冷熱泵系統，受限于非等熵壓縮節流過程和蒸發器與冷凝器換熱面積等條件，無法達到上述理論循環效率，但梯級吸排氣循環仍具備較大節能潛力。圖2所示的計算結果表明，在不增加換熱面積的條件下，采用雙級吸排氣循環風冷空調器的制冷COP 可提升約13%；采用更多級數的吸排氣壓力，COP 提升可達30%。這是由于梯級吸排氣循環不僅減小了蒸發器與冷凝器的傳熱損失，還使各個子循環的壓比減小，壓縮和節流過程的不可逆損失由此下降。例如在上述算例中，采用雙級吸排氣循環后，蒸發器與冷凝器的傳熱損失下降約14%，壓縮和節流過程損失也分別減少7.3%和12.4%。

圖2 梯級吸排氣循環提升風冷空調器能效的潛力[15]Fig.2 Cooling COP improvement of air-conditioner using stepped pressure cycle[15]

2 梯級吸排氣循環節能適用性

實際系統由于空間受限等問題，蒸發器與冷凝器換熱面積不易增加。根據傳熱學原理，如果換熱器的換熱單元數和換熱量相等，平均傳熱溫差也必然相同。如圖3所示，當制冷熱泵系統通過梯級吸氣形成高蒸發溫度Te2時，也會相應形成低蒸發溫度Te1，以維持平均傳熱溫差和制冷量不變，梯級排氣冷凝溫度變化與之類似。高蒸發溫度和低冷凝溫度對提高循環COP 有利，而低蒸發溫度和高冷凝溫度則會降低循環效率。因此，本節將深入分析有限換熱面積條件下梯級吸排氣循環的節能適用性。

圖3 蒸發器內制冷劑與換熱流體的溫度關系Fig.3 Temperature profiles in evaporators

本節以額定制冷能力3.5 kW 的房間空調器為例進行計算和循環對比分析，具體工況參數設定如表1所示。所用的計算模型中，換熱器采用基于對數平均溫差法(LMTD)模型，壓縮機采用等熵效率模型，節流過程為等焓節流，詳細說明參考文獻[15]。

表1 循環分析工況參數設定Tab.1 Conditions for cycle performance comparison

2.1 換熱流體條件

換熱流體條件是梯級吸排氣循環能否適用的決定性因素，尤其是換熱流體溫度變化幅度。圖4所示計算結果是在換熱流體出蒸發器溫度不變，僅改變其進出口間溫度變化幅度條件下獲得的，同時假設蒸發器出口制冷劑狀態為飽和氣體。由于簡單循環蒸發溫度必須低于換熱流體出口溫度，因而換熱流體的溫度變化幅度對其蒸發溫度和COP 影響較小。具備相同蒸發器面積的雙吸單排循環制冷COP 在不斷提高，相對簡單循環的制冷COP 提升幅度從1.26%上升至15.7%。這是由于雙級吸氣循環的高蒸發溫度Te2隨換熱流體溫差增大而顯著上升，但低蒸發溫度Te1下降較少。從傳熱角度分析，換熱流體溫度變化幅度越大時，蒸發器內的傳熱溫差分布越不均勻、可改善空間越大。因此在換熱流體溫度變化幅度較大的應用場景梯級吸排氣循環更具節能優勢。

圖4 蒸發器換熱流體溫度變化幅度對循環性能的影響Fig.4 Effect of HTF temperature glide in evaporator on cycles performance

2.2 制冷系統結構參數

制冷系統結構參數是影響梯級吸排氣循環節能效果的關鍵因素之一，例如蒸發器與冷凝器的傳熱能力越強，梯級吸排氣循環節能效果越顯著。

如圖5所示，在相同工況條件下，隨著蒸發器換熱面積增大，采用雙級吸氣的制冷循環節能效果不斷增強，較簡單循環的COP 提升幅度從2.5%升至9.2%。這是由于換熱能力強的蒸發器進口溫差大、出口溫差小，整體的換熱溫差場均勻性差，所以梯級吸氣改善溫差場均勻性的效果顯著。相反，當蒸發器與冷凝器傳熱能力較差時，換熱器各處的傳熱溫差都很大，雖然傳熱不可逆損失很大但溫差場均勻性尚可，因而梯級吸排氣循環節能效果較差。

圖5 蒸發器換熱面積對循環性能的影響Fig.5 Effect of evaporating heat transfer area on cycles performance

研究表明不同子循環之間的匹配優化對梯級吸排氣的節能效果十分重要。例如，當各子循環的換熱面積分配與所承擔的換熱負荷比例一致時，節能效果最顯著[15]，因而不同子循環之間的壓縮機排量比例也有相應的最優值[17]。總體上，當相關結構參數的匹配優化遵循溫差場均勻性最佳的原則時，梯級吸排氣循環的節能效果最優。

2.3 制冷循環設計參數

循環設計參數是影響梯級吸排氣的節能效果另一重要因素，例如冷凝器過冷度(冷凝器出口制冷劑溫度與其飽和溫度之差)。

圖6所示的計算結果表明，適當的過冷有利于提高循環COP，對于梯級排氣同樣存在一個最優的過冷度使循環COP 最大。然而，過冷度太大會損害梯級排氣循環相對于簡單循環的能效優勢，甚至出現梯級排氣循環的COP 低于簡單循環的情況。這是因為大過冷度使雙級排氣的低冷凝溫度Tc1顯著上升，接近于簡單循環冷凝溫度Tc0，同時，高冷凝溫度Tc2遠高于Tc0(圖7)。因此，梯級排氣循環宜設計較小的過冷度。

圖6 冷凝器過冷度對循環性能的影響Fig.6 Effect of subcooling on cycles performance

圖7 過冷度10 ℃時的冷凝器換熱過程Fig.7 Temperature profiles in condenser with 10 ℃subcooling

同理較大的蒸發器過熱度會影響梯級吸氣循環的節能效果，相關理論計算和實驗研究參見文獻[18]。

3 梯級吸排氣循環應用案例

目前，梯級吸排氣循環已有多個應用案例，均取得較好的節能效果。同時循環核心部件——具有多吸排氣壓力的新型壓縮機也進入了樣機實驗階段。

Zhang Ziyang 等[19]在直膨式全新風除濕機中采用了包括雙級吸氣在內的多種節能技術，將其名義工況下系統實測制冷COP 提升至5.42(圖8)。由于新風除濕機蒸發器的空氣進出溫差超過23 ℃，因此非常適合通過梯級吸氣技術提升能效。模擬結果表明，雙級吸氣技術使制冷循環COP 提升了10.4%。

圖8 基于雙級吸氣的直膨式高效新風機系統原理Fig.8 Principle of direct expansion outdoor air dehumidifier based on dual-suction pressure cycle

Wang Lei 等[20－21]使用梯級吸排氣技術有效提升了排風熱回收型新風機的能效。實驗結果顯示，采用雙級和三級吸排氣循環可使COP 提升17.1%和34.4%。Liu Hua 等[22]采用螺桿壓縮機的雙級吸排氣熱泵系統制取熱水，當熱水側進出水溫度為30 ℃/60 ℃時，系統實測制熱COP 達6.93，較簡單循環提升約9%。T.Ito 等[23]將兩臺風冷模塊冷水機組的水路串聯，形成了雙吸氣壓力，使冷水系統的能效提升了2.2%～3%。李偉釗等[24]實驗了一種復合熱管的四級吸排氣熱泵閉式干燥系統，系統的除濕能效比達到了3.75 kg/kWh，節能減排效果顯著。

實踐梯級吸排氣循環，一個重要的前提條件是壓縮機能提供多個不同的吸排氣壓力。對于大型的制冷熱泵系統，可通過并聯使用多臺壓縮機實現；而空間緊湊的系統，則需要使用具有多吸排氣壓力的新型壓縮機，例如Zhang Ziyang 等[19]使用的雙吸單排壓縮機以及Wang Lei 等[21]設計的雙吸雙排壓縮機。

圖9 具有多吸排氣壓力的新型壓縮機Fig.9 Novel compressors with multiple discharge and suction pressures

4 結論

本文深入分析了梯級吸排氣循環的基本原理及節能性，對現有應用研究成果進行分析，得到了如下結論:

1)對于實際制冷/熱泵裝置，梯級吸排氣循環可以有效降低蒸發器與冷凝器的傳熱不可逆損失和循環壓比，節能潛力大。

2)梯級吸排氣循環節能性受換熱流體條件、制冷系統結構參數和制冷循環設計參數的影響。在換熱流體溫度變化幅度較大、蒸發器與冷凝器傳熱能力強、冷凝器出口過冷度小等條件下，梯級吸排氣循環的節能效果較好。

3)目前，梯級吸排氣循環的節能效果已在新風處理、冷熱水機組、熱泵烘干等領域得到驗證及應用，具有多吸排氣壓力的壓縮機也正在實驗中。