帶回熱器CO2跨臨界熱泵系統的性能分析

楊俊蘭，李金芮，白 楊，姬 旭

（天津城建大學 能源與安全工程學院，天津 300384）

0 引言

近年來，由于臭氧層不斷遭受破壞，全球變暖加劇，傳統制冷劑的使用受到限制。CO2作為一種無毒、分解物不破壞臭氧層、不可燃不易爆炸的自然工質[1]，其單位制冷能力遠遠超過R134a，可以減小系統的體積[2]，但是CO2臨界溫度低，高壓側壓力高，循環中產生的節流損失較大，使得CO2跨臨界循環的COP較低[3]。近年來回熱器作為一種提高CO2跨臨界循環系統性能的有效措施被廣泛應用，許多研究者對帶回熱器和不帶回熱器的CO2跨臨界循環的性能進行了對比分析，表明許多帶回熱器系統的制冷和制熱性能均高于不帶回熱器的系統[4-11]。JONEYDI等[12]研究發現回熱器的加入使帶膨脹機的CO2跨臨界循環性能下降。KLEIN等[13]分析了回熱器對使用不同制冷劑的制冷系統的影響。趙玲華等[14]對帶回熱器的跨臨界CO2空氣源熱泵系統在不同壓縮機頻率下運行時的特性進行了實驗研究，找到了適合該系統的最優的壓縮機頻率。TORRELLA等[15]發現系統加入回熱器后對壓縮機功耗的影響很小。郭興龍等[16]對膨脹機和噴射器的CO2跨臨界熱泵熱水器熱力循環進行了比較。研究者對多種CO2跨臨界雙級壓縮制冷循環進行了比較和分析，發現氣體冷卻器出口溫度和低壓級壓縮機效率是影響系統COP的主要因素[17-18]。ZHANG等[6]發現只有在高于氣體冷卻器出口轉變溫度、低于排氣轉變壓力時，回熱器的使用才能提高系統制熱性能系數。葉祖樑[19]等發現在氣冷器出口溫度較高時，回熱器效率的增大才能提升系統性能。還有學者研究了回熱器的結構對于系統性能的影響[20-21]。

前人對CO2帶回熱器的循環特性進行了研究，比較了不同系統在有無回熱器時的性能差異，但對于多種不同型式的帶回熱器循環進行研究的較少，本文建立了5種帶回熱器跨臨界二氧化碳熱泵系統的模型，分析了加入回熱器后系統的性能隨各種參數的變化規律，探究了不同系統的適用條件，對于CO2跨臨界循環系統的優化有一定的參考意義。

1 帶回熱器的CO2跨臨界循環方式

圖1，2分別示出單級帶節流閥回熱器循環（SCV+IHE）的原理和P-h曲線。

圖1 SCV+IHE原理Fig.1 Schematic diagram of SCV+IHE

圖2 SCV+IHE P-h曲線Fig.2 Pressure-enthalpy diagram of SCV+IHE

SCV+IHE循環主要由壓縮機、氣體冷卻器、節流閥、蒸發器和回熱器組成，在氣體冷卻器出口與壓縮機入口之間增設回熱器，可以使節流閥前的高溫制冷劑與來自蒸發器的低溫制冷劑進行內部熱交換，使高溫制冷劑過冷，低溫制冷劑過熱。回熱器的增加，使相同條件下SCV+IHE系統的制冷量和制熱量較SCV系統都得到增加，從而使COP增大。

圖3，4分別示出單級帶膨脹機回熱器循環（SCE+IHE）的原理和P-h曲線。將SCV+IHE循環中的節流閥替換為膨脹機即為SCE+IHE循環。由于CO2跨臨界循環膨脹過程的膨脹比較小，而膨脹功較大，在膨脹機中可以進行膨脹降壓并進行功回收，彌補一部分壓縮機耗功，從而提高系統性能。

圖3 SCE+IHE原理Fig.3 Schematic diagram of SCE+IHE

圖4 SCE+IHE P-h曲線Fig.4 Pressure-enthalpy diagram of SCE+IHE

圖5，6分別示出單級帶噴射器回熱器循環（SCEJ+IHE）的原理和P-h曲線。將SCV+IHE循環中的節流閥替換為噴射器即為SCEJ+IHE循環。其中，工作流熱力循環過程為1-2-3-4-5-6-7-8-1，引射流熱力循環過程為11-12-7-8-9-10-11，高壓CO2流體在噴射器中膨脹能先被轉化為動能，動能再被轉化為壓力勢能，使壓縮機入口壓力升高，從而減少了壓縮機耗功，使COP增大。

圖5 SCEJ+IHE原理Fig.5 Schematic diagram of SCEJ+IHE

圖6 SCEJ+IHE P-h曲線Fig.6 Pressure-enthalpy diagram of SCEJ+IHE

圖7～10分別示出雙級帶節流閥回熱器循環（TSCV+IHE）和雙級帶膨脹機回熱器循環（TSCE+IHE）的原理和P-h曲線。

圖7 TSCV+IHE原理Fig.7 Schematic diagram of TSCV+IHE

圖8 TSCV+IHE P-h曲線Fig.8 Pressure-enthalpy diagram of TSCV+IHE

圖9 TSCE+IHE原理Fig.9 Schematic diagram of TSCE+IHE

圖10 TSCE+IHE P-h曲線Fig.10 Pressure-enthalpy diagram of TSCE+IHE

在雙級壓縮循環循環中，CO2流體先后經過兩次壓縮和放熱過程。雙級壓縮可以減少壓縮機的進出口壓差，增大壓縮機容積效率，減小部件的應力變形，起到提高系統性能和保護的作用。

2 模型建立

通過上述介紹，建立CO2跨臨界循環的熱力學模型，為了便于分析，做了如下假設：

（1）系統在穩態條件下進行；

（2）忽略換熱器和其他管道的壓降和熱損失；

（3）壓縮機等熵效率取為70%；

（4）膨脹機的效率取為60%；

（5）蒸發溫度的變化范圍為-10～10 ℃，高壓壓力為8～15 MPa，氣體冷卻器出口溫度為32～50 ℃，吸氣過熱度為0～20 ℃，雙級壓縮中間壓力

（6）高壓級和低壓級氣體冷卻器出口溫度相等。

基于以上假設，根據各壓焓圖可建立熱力學模型。其中：

制冷系數：

制熱系數：

式中 qc——系統制冷量，kJ/kg；

qh——系統制熱量，kJ/kg；

wt——壓縮機耗功，kJ/kg。

各循環的 qc，qh，wt的計算方式見表1。

表1 qc，qh，wt計算式Tab.1 Calculation formula for qc，qh and wt

3 結果與分析

3.1 吸氣過熱度tg對COP的影響

在蒸發溫度te為5 ℃、高壓壓力pg為9.5 MPa、氣體冷卻器出口溫度tc為40 ℃的條件下，5種CO2跨臨界循環的制冷系數COPc和制熱系數COPh隨tg的變化如圖11，12所示。從圖中可以看出，5種循環中COPc最大的是TSCE+IHE循環，并且SCV+IHE、SCEJ+IHE、TSCE+IHE、TSCV+IHE 4種循環的COPc均隨tg的升高而增大，其中TSCV+IHE的COPc變化最明顯，而SCE+IHE的COPc則隨tg的升高而減小，逐漸低于 TSCV+IHE 循環，與 JONEYDI等[8]的研究結果相符合。COPh最大的是SCE+IHE循環，SCV+IHE、SCE+IHE、SCEJ+IHE、TSCV+IHE 循環的COPh均隨tg的升高而增大，變化最明顯的也是TSCV+IHE循環，SCE+IHE、TSCE+IHE循環的COPh則隨tg的升高有不同程度得減小。可以發現，在帶膨脹機的系統中加入回熱器對中COPc和COPh都有害無利，這是由于加入回熱器之后，雖然增加，也保持不變，但是氣體冷卻器出口的氣體經過內部過冷后溫度降低，能量減少，使之在膨脹機中轉化的膨脹功減少，qc的增加量彌補不了膨脹功的減少量，導致系統COPc和COPh都降低。

圖11 COPc隨tg的變化Fig.11 COPc variation with tg

圖12 COPh隨tg的變化Fig.12 COPh variation with tg

3.2 蒸發溫度te對COP的影響

在 pg為 9.5 MPa、tg為 6 ℃、tc為 40 ℃的條件下，5種CO2跨臨界循環的COPc和COPh隨te的變化如圖13，14所示。從圖中可以看出，5種循環的COPc和COPh隨te的上升均有不同程度的增加。SCEJ+IHE循環的COPc變化最不明顯，在-10～0 ℃范圍內，SCEJ+IHE循環的COPc高于SCV+IHE、SCE+IHE、TSCV+IHE 循環，COPh高于SCV+IHE、TSCE+IHE、TSCV+IHE循環。這是由于噴射器是將工作流的膨脹能轉換成動能，再將動能轉換為壓力勢能，蒸發溫度越低，膨脹過程中的節流損失越大，噴射器回收的膨脹功就越多，進而提高壓縮機入口制冷劑的壓力，降低壓比，減小壓縮機耗功。因此，SCEJ+IHE循環適用于蒸發溫度較低的情況。

圖13 COPc隨te的變化Fig.13 COPc variation with te

圖14 COPh隨te的變化Fig.14 COPh variation with te

3.3 氣體冷卻器出口溫度tc對COP的影響

在te為5 ℃、tg為6 ℃、pg為9.5 MPa的條件下，5種CO2跨臨界循環的COPc和COPh隨tc的變化如圖15，16所示。可以看出，5種循環的COPc和COPh均隨氣體冷卻器出口溫度的升高而降低，這是因為在相同的條件下，氣體冷卻器出口溫度越高，在氣體冷卻器中放出的熱量越少，即qh越小；同時，氣體冷卻器出口溫度升高會使蒸發器入口焓值增大，使制冷量qc減少。從圖中還可以看出，SCEJ+IHE循環的COP隨tc的增大下降得最快。

圖15 COPc隨tc的變化Fig.15 COPc variation with tc

圖16 COPh隨tc的變化Fig.16 COPh variation with tc

3.4 高壓壓力對COP的影響

在 te為 5 ℃、tg為 6 ℃、tc為 40 ℃的條件下，5種CO2跨臨界循環的COPc和COPh隨pg的變化如圖17，18所示。可以看出，5種CO2跨臨界循環的COP都是隨著高壓壓力的增大先增大后減小，均出現了最優高壓壓力。最優高壓壓力的存在，是由于循環過程中產生了不可逆的節流損失，當高壓壓力對于壓縮功的影響和對節流損失的影響的代數和達到最大時，將得到最大的COP，此時的高壓壓力成為最優高壓壓力。這種節流損失往往在帶有節流閥的循環中出現，在帶有膨脹機的系統中，如果膨脹機的效率為100%，則不會出現節流損失，不會存在最優高壓壓力，本文中膨脹機的效率設為60%，即存在40%的節流損失，因此仍產生最優高壓壓力現象。回熱器的加入，可以減少節流損失的不可逆性，回收一部分熱量，從而提高系統的COP。

圖17 COPc隨pg的變化Fig.17 COPc variation with pg

圖18 COPh隨pg的變化Fig.18 COPh variation with pg

從圖中還可以看出，雙級壓縮的最優高壓壓力比單級壓縮低0.5～1 MPa左右，最優高壓均出現在9.5～10.5 MPa范圍內。相同高壓壓力下，帶膨脹機的循環均表現出良好的性能。

3.5 蒸發溫度te對最優高壓壓力pk的影響

本文在不同蒸發溫度和氣體冷卻器出口溫度下尋找最優高壓壓力時，設置的高壓壓力間隔為0.1 MPa，范圍為8～13 MPa，在此范圍下輸入不同的蒸發溫度和氣體冷卻器出口溫度，找到每個溫度下使COP最大的高壓壓力，即最優高壓壓力，從而得到最優高壓壓力與te和tc的關系曲線。

在 tg為 6 ℃、tc為 40 ℃的條件下，5種 CO2跨臨界循環的最優制冷高壓pkc和最優制熱高壓pkh隨te的變化如圖19，20所示。可以看出，5種循環的pkc和pkh均隨te的增大有不同程度的降低，SCEJ+IHE循環的變化最小。這是由于SCEJ+IHE循環蒸發器中的制冷劑流量較小，再經過引射流增壓和氣液分離器分流后弱化了蒸發溫度對壓縮機入口氣體物性的影響，在壓縮機做功相同的情況下，其出口物性的變化也不明顯，所以達到最大COP的高壓壓力幾乎不變。圖中還可以發現，在蒸發溫度為-15～15 ℃的范圍內，SCV+IHE和TSCV+IHE循環的pkc和pkh均高于其他3種循環。TSCE+IHE循環的pkh最低，pkc在te高于0 ℃時也達到最低。因此使用膨脹機代替節流閥是降低高壓壓力，提高運行安全性的有效途徑。

圖19 pkc隨te的變化Fig.19 pkc variation with te

圖20 pkh隨te的變化Fig.20 pkh variation with te

3.6 氣體冷卻器出口溫度tc對最優高壓壓力pk的影響

在tg為 6 ℃、te為 5 ℃的條件下，5種 CO2跨臨界循環的pkc和pkh隨的變化如圖21，22所示。可以看出，5種循環的pkc和pkh均隨tc的增大而升高，且變化幅度相似。因此，為了降低最優高壓壓力，或者在一定高壓壓力下提高系統的性能，提高安全性，應設法降低tc。

圖21 pkc隨tc的變化Fig.21 pkc variation with tc

圖22 pkh隨tc的變化Fig.22 pkh variation with tc

4 結論

本文對5種帶回熱器的CO2跨臨界循環進行了熱力學分析，所得結論如下：

（1）在相同條件下，對于制冷性能，TSCE循環的最好，可達到3.2，SCV循環的最差；對于制熱性能，SCE循環的最好，可達到3.83，TSCV循環的最差。

（2）回熱器對SCE+IHE循環的制冷性能和TSCE+IHE循環的制熱性能有不利影響，過熱度為20 ℃時，其COP數值分別降低了0.1和0.5，所以回熱器不宜與膨脹機應用于同一系統中；但回熱器對其他循環的性能提高均有幫助，提升最大的是TSCV+IHE循環，過熱度平均每提升5 ℃，COP提升約0.1。

（3）帶膨脹機的兩種循環在高壓壓力較低的條件下仍表現出很好的性能，其最優高壓壓力也比較低，均在9.5 MPa左右，可以兼顧性能的同時保證系統安全性。

（4）在蒸發溫度和氣體冷卻器出口溫度較低的情況下，SCEJ+IHE循環均表現出良好的性能，且該循環最優高壓壓力受蒸發溫度影響較小，可在低蒸發溫度條件下發揮該系統的優勢，適用于低溫冷凍機或冰蓄熱等場合。

（5）5種循環的蒸發溫度升高和氣體冷卻器出口溫度減小，都有助于降低最優高壓壓力，使系統更加安全穩定運行。