二氧化碳跨臨界循環系統性能的影響因素

徐希愛，張晶，孫承良(山東神舟制冷設備有限公司，山東 濟南 250200)

0 引言

在經濟快速發展的背景下，環境問題日益突出，尤其是臭氧層破壞、全球氣候變暖越發嚴峻，人們也因此更加關注節能環保。隨著制冷技術的發展，制冷系統、空調及熱泵系統產品運用越來越廣泛，雖然給人們的生產生活帶來許多便利，但也帶來了巨大的能耗及系列環境問題，如：在能耗方面，民用建筑中的空調能耗越來越大；冷庫由于需要較低的溫度，使得制冷系統能耗更大。而在環境方面，由于人工合成的制冷劑普遍具有較高的全球變暖潛能值GWP和臭氧消耗潛能值ODP，容易引起嚴重的環境問題。

二氧化碳跨臨界循環系統是基于布雷頓循環原理的基礎上進行的能量轉換。二氧化碳是制冷劑中非常環保的純天然制冷劑，其全球變暖潛能值GWP僅為1，臭氧消耗潛能值ODP則為0，同時還具有無毒、不可燃、單位容積制冷量大、來源廣泛等優勢。因此，二氧化碳制冷劑引起了人們的關注和重視。尤其是隨著我國制造技術水平的提高，二氧化碳制冷系統發展迅速，更是掀起了關于二氧化碳跨臨界循環系統研究的熱潮，該系統具有結構緊湊、成本低、高效率等優勢，因此被認為是新能源領域最具有應用前景的能量轉化系統。

二氧化碳跨臨界循環系統的循環過程主要由壓縮機、氣體冷卻器、膨脹閥和蒸發組成，目前對于二氧化碳跨臨界循環系統性能的研究，大多數是從這幾個構成要素分析，如為了提高壓縮機的進氣溫度，并降低氣體冷卻器出來的二氧化碳制冷劑溫度，在系統中增設了回熱器，使得制熱和制冷性能均有了顯著的提升[1]。但由于目前對于循環系統的研究僅停留在各參數的定性分析上，缺乏實際性的指導作用。基于此，本文在這些研究的基礎上，具體從溫度、流量、壓力等方面，通過建立相應的數學模型，探討關于二氧化碳臨界循環系統性能的影響。

1 二氧化碳跨臨界循環系統原理及構成

CO2跨臨界循環系統主要由CO2制冷循環系統、冷凍水循環系統、冷卻水循環系統及數據采集控制系統四個部分組成。

1.1 壓縮機

壓縮機是循環系統的核心所在，直接影響整個制冷系統的運行效率及穩定性，且影響非常大。由于CO2跨臨界制冷循環系統的壓力較高，且壓差較大，因此對系統運動部件的強度要求非常高，于是對壓縮機的運行要求也較高，要耐高溫，同時管材、閥門等方面要有較高的強度。目前應用比較廣泛的是活塞式壓縮機，主要因為其技術較成熟，且適用范圍廣，在家用冰箱、房間空調等中小制冷量范圍中廣泛運用。

1.2 換熱器

換熱器主要是由盤管和散熱片構成，在CO2跨臨界制冷循環系統中，換熱器有多種結構形式，按照功能來劃分，可分為氣體冷卻器、蒸發器其其他內部換熱器；按照結構來劃分，可分為板式、管翅式、微通道式這幾種[2]。而由于CO2跨臨界制冷循環系統的壓力較高，因此也對換熱器材質的承壓能力有較高的要求，需要保證在高壓工況下的運行效率。

1.3 回熱器

回熱器主要功能是實現熱量交換，換熱對象主要是蒸發器出口的高溫氣體和氣體冷卻器出口的超臨界CO2制冷劑，以此提高壓縮機的進氣溫度和降低氣體冷卻器出來的CO2制冷劑溫度，從而減少有害過熱，提高系統COP，也能夠減少節流損失。

2 數學模型構建及實驗設計

基于系統方法論基礎上，不考慮CO2跨臨界制冷循環系統工質運動情況，可通過構建數學模型的方式，將整個系統看作是一個有機整體，而這個整體是由一些典型模塊構成。然后在此基礎上，結合各模塊信息，對經過物流的單元模塊的輸出變量計算，進而計算出整個系統的物流變量及能流變量。在構建完數學模型后，對CO2跨臨界循環系統性能影響進行實驗設計，從冷卻溫度、循環流量、分流率、循環壓力等方面對系統的循環效率影響進行分析[3]。

3 結果與討論

3.1 冷卻溫度

為分析冷卻溫度對系統循環效率的影響，給出不同的循環最低溫度，如圖1所示。

圖1 不同循環最低溫度對循環效率影響的趨勢

觀察圖1可得知，循環最低溫度對系統循環效率的影響主要呈現出兩種趨勢，一種是在臨界溫度以下，此時隨著分流率的增長，循環效率呈下降的趨勢；另一種是臨界溫度以上，此時系統循環效率的變化較為復雜，分流率增長變化的影響并不大。另外，還可發現當分流率處于0.65～0.80之間時，此時系統循環效率在臨近溫度附近呈現出局部峰值，意味著分流率的增加使得循環效率升高。總的來看，循環最低溫度在低于臨界溫度時，分率小幅降低，但循環效率顯著提升，但在分流率增加至0.95時，循環效率會呈單調降低的趨勢。而循環最低溫度高于臨界溫度時，只有分流率在0.7～0.75之間時，系統循環效率才有所提升。

循環最低溫度除了會影響系統循環效率外，也對總回熱量產生影響，具體如圖2所示。觀察圖2可得知，循環最低溫度對總回熱量的影響趨勢，基本與循環效率的影響趨勢一致，這意味著在不改變旋轉機械性能的情況下，系統的效率也取決于系統的回熱性能。通常對高溫回熱器出口溫度，一般是控制在355 ℃以下。但考慮有時系統的回熱溫度并不能夠達到這一理想效果，甚至超出這一限制，這使得系統效率受到影響，因此，為了確保系統效率的提升，就需要合理進行回熱器和系統運行參數的優化。

圖2 不同循環最低溫度對總回熱量影響的趨勢

3.2 分流率

通常情況下，不同循環最低溫度對應不同的最優分流率，且最優分流率會隨著最低循環溫度的上升而變大，這意味著系統循環效率會有所降低。主要因為在循環溫度最低時，為了減少進入主壓縮機的工質，此時系統會通過降低分流率的方式完成，如此可促使回熱器回熱性能上升，進而減少鋪壓縮機的功耗，因此有利于提升系統的性能。而如果循環最低溫度處于最高溫度時，就會增加回熱器高溫出口處的溫度，這會降低系統的回熱量，此時就會增加進入鋪壓縮機的工質，從而使得壓縮困難，最終使得系統最佳循環效率降低[4]。

3.3 循環流量

在一回路運行參數無限制條件下，系統循環效率會隨著循環工作流量的減小而逐漸增大，這表明了在回熱能力相等的條件下，循環系統運行的初始溫度較高。考慮二回系統的運行溫度有所限制，其最高溫度限制在525 ℃以下，因此在實際二回路系統中，會存有一個最優的運行工質流量，而當這一最優工質流量的減小，相應的系統的循環效率也會降低。

3.4 循環壓力

不同循環壓力對應不同的分流率，因此會對系統循環效率產生影響。在不改變循環工作流量的條件下，最優分流率會隨著循環最大壓力的升高而減小，這是因為最大壓力的升高使得回熱器兩側的工作壓力差變大，此時容易引起地傳熱夾點問題。同時，隨著循環最大壓力的升高，也會對系統循環效率峰值產生影響，會呈現出現增加后降低的趨勢，這因為分流率的減小使得回熱器夾點問題產生，進而使得循環效率難以提升。

4 結語

文章介紹了CO2跨臨界循環系統的原理及構成，并在此基礎上對影響該系統效率的因素進行分析，得出以下結論：

(1) CO2跨臨界循環系統性能受溫度、流量、分流率、壓力等多方面的影響，要想確保系統性能的提升，需從這幾個方面的進行參數優化。

(2)在CO2跨臨界循環系統實際運行中，分流率、循環溫度等參數均對系統的運行效率產生影響。其中，在反應堆堆型固定時，系統運行的效率主要取決于系統的回熱性能，此時就需要通過優化回熱器運行參數及系統運行參數的方式，來提升系統效率；另外，系統循環效率也受到工質流量大小的影響，主要表現為分流率的增大使得系統最優工質流量減小，此時循環效率會降低。