跨臨界二氧化碳制冷系統優化方案的研究綜述

孫知曉 姚海清 張文科 莊兆意 孫文峰 李文靜 滿 意

（1.山東建筑大學熱能工程學院 濟南 250101；2.山東中瑞新能源科技有限公司 濟南 250101）

0 引言

隨著我國經濟的快速發展和國民生活水平的迅速提高，制冷空調與熱泵技術在生產生活中的應用也大大增加。我國已經是空調熱泵領域的使用和制造大國，無論是設備裝機容量還是制造使用的種類，均已位居世界前列。但是，在隨著空調熱泵的大范圍應用提高了人們生產生活質量的同時，隨之也產生了一系列環境能源問題，如大量的電能消耗、各類制冷劑泄露加重溫室效應和臭氧層破壞等。為此，研究者們開發了各類節能環保的綠色制冷方式和新式制冷劑。作為一種純天然制冷劑，二氧化碳（CO2）的臭氧消耗潛勢（ODP）為0，全球變暖潛能值（GWP）僅為1，具有無毒不可燃，臨界溫度低，來源廣泛等諸多優點。利用CO2作為制冷劑的跨臨界循環系統，對于節能減排，推進社會可持續發展，助力實現“碳達峰、碳中和”這一戰略目標具有重要意義[1,2]。

在跨臨界CO2循環循環過程中，定壓放熱過程位于臨界點以上的超臨界區域內，定壓吸熱過程在亞臨界區域內進行，循環過程會跨越CO2的臨界壓力，因此被稱為跨臨界循環，其典型循環系統如圖1所示，圖2 為該系統P-h圖[3]。典型跨臨界CO2制冷循環系統主要由壓縮機、氣體冷卻器、節流閥、蒸發器組成，與其他典型的亞臨界循環相比，由于放熱過程中不存在介質相變，因此循環系統中的高壓側換熱器由冷凝器換為氣體冷卻器[4]。跨臨界CO2制冷循環已成為當前研究應用的熱點，國內外學者對此開展了大量的研究，取得了頗多成果。

圖1 典型跨臨界CO2 循環系統圖Fig.1 A typical transcritical CO2 cycle system

圖2 典型跨臨界CO2 循環P-h 圖Fig.2 Temperature-entropy of a typical transcritical CO2 cycle

近年來，跨臨界CO2制冷循環系統因其在節能環保方面的優勢，成為了國內外專家學者研究的熱點問題。但是，對于此系統而言，由于系統運行壓力高，放熱溫度較高，且高低壓的壓差較大，使得其相較其他傳統制冷劑系統循環性能較低。由于CO2具有異于其他傳統制冷劑的各類特性，決定了可以在其循環系統的基本結構上加以優化和改進。跨臨界循環過程中CO2制冷劑要從超臨界區被節流到兩相區，因此該循環過程中產生的節流損失遠大于常規亞臨界循環，故跨臨界循環系統的性能系數通常低于常規系統[5]。為了提高跨臨界循環系統性能，可以采用帶有回熱器的回熱循環，或采用膨脹機或噴射器來代替節流閥，回收部分膨脹功以減少節流損失。另外，也可采用雙級壓縮循環來降低排氣溫度和減少壓縮機耗功，提高系統性能[6]。以下對上述幾種改進方案分別進行介紹。

1 帶回熱器的循環系統

該優化方案在典型循環系統的基礎上增設一個回熱器，使來自蒸發器中的低溫氣態制冷劑在進入壓縮機之前，先進行一次預熱。在回熱器內，流出蒸發器的低溫蒸汽與來自氣體冷卻器的超臨界氣體進行熱交換，低溫蒸汽在恒定壓力下被加熱到過熱段，而溫度較高的超臨界流體被定壓冷卻[7]。

圖3 即為帶回熱器的跨臨界CO2制冷循環系統圖。CO2制冷劑經回熱器過熱后，變為過熱蒸汽狀態1，進入壓縮機后被壓縮至超臨界狀態（1→2），在氣體冷卻器中定壓放熱（2→3），在回熱器高壓側放熱至狀態4，再經節流閥節流至兩相態（4→5），在蒸發器中定壓吸熱后（5→6），經回熱器加熱，返回壓縮機被重新壓縮，開啟新的循環過程[8]。圖4 為該循環系統的P-h圖。

圖3 帶回熱器的跨臨界CO2 循環系統圖Fig.3 Diagram of transcritical CO2 cycle system with regenerator

圖4 帶回熱器的跨臨界CO2 循環系統P-h 圖Fig.4 Temperature-entropy of transcritical CO2 circulation system with regenerator

目前，對于增設回熱器以提高跨臨界CO2制冷循環系統性能，國內外的學者們進行了許多的研究與優化。王洪利[8]等通過實驗，比較了帶回熱器與不帶回熱器兩種單級循環系統運行的性能效率。結果表明，回熱循環系統的平均性能較常規系統可提高約5%，且帶回熱循環最優排氣溫度稍高些。回熱器循環系統COPh和COPc分別提升了約11.4%和14.3%。其后續又針對雙級壓縮帶回熱器和不帶回熱器的循環系統建立了數學模型[9]，并基于Visual Basic 程序進行了性能分析。經分析得，相同條件下，雙級壓縮回熱循環系統平均性能較常規雙級壓縮循環高約5%～10%，最優中間壓力比常規系統低約5%～15%。李東哲[10]等通過基于Modelica 語言的仿真平臺Dymola，建立了帶有回熱器的循環系統模型，并進行了回熱器對系統影響的研究。結果表明，有回熱器可顯著降低壓縮機最優排氣壓力。在壓縮機最優排氣壓力下，隨著環境溫度上升，系統過熱度和再冷度下降；隨著水入口溫度上升，過熱度和再冷度上升。方健珉[11]等通過實驗研究，發現增設回熱器不僅有效提升了系統性能，還一定程度減小了系統中的制冷劑流量，繼而減少了節流過程中由過高的壓降所產生的不可逆損失，但同時會引起壓縮機排氣溫度的升高和壓縮機壓比增大。在不同的環境溫度下，系統性能的提升均會隨著回熱度的增加而減緩，故應選用適宜系統規格的回熱器。Ying Chen[12]等模擬了壓縮機最優排氣壓力，發現其與回熱器效率有關。由于回熱器內可能存在CO2相變，在臨界壓力附近區域比熱變化較大，因此傳統的熱交換效率表達式不再適用，并在文中采用了一種基于焓差的實用回熱器有效性表達式，用以回熱器設計計算。然而，回熱器對跨臨界循環系統性能的提升同時也存在負面影響。由于吸入溫度升高導致壓縮機容積效率降低、功耗增加，同時容易引起部件磨損、產生生成物、引起高溫燒毀等嚴重事故，故回熱器應謹慎設計使用[13]。

使用回熱器進行過冷是提高系統COP 最普遍的，也是最簡單的方法，回熱器的使用已經廣泛推廣到合理運行條件的系統上。雖然回熱器可能會造成壓縮機排氣溫度過高等負面問題，但其在降低壓縮機的最佳排氣壓力、減少系統的節流損失和增加循環的制冷量方面起到了重要的作用。在下一步的研究中，可針對過熱溫度與壓縮器吸氣溫度的最佳選值展開模擬計算，已達到獲取最優過熱溫度，提高系統總體性能的目的。

2 膨脹機取代節流閥的循環系統

從P-h圖可以看出，跨臨界CO2制冷循環節流過程中壓差很大，由此帶來的節流損失使該系統的循環效率比傳統系統低20%～30%，抵消了CO2優異的環境效益。1994年，G Lorentzen[14]提出了利用膨脹機替代節流閥，回收部分膨脹功以提升系統性能系數的方案。由于跨臨界CO2循環的容積比是2～4，遠小于常規制冷系統的20～30，而且經回收的膨脹功可以占到系統壓縮功的20%～30%，可以顯著減小節流損失，提升系統COP[15]。

圖5 為跨臨界CO2循環帶膨脹機系統的系統圖。與節流閥系統不同，來自氣體冷卻器出口的超臨界CO2流體進入膨脹機內做膨脹功，并通過連軸將其轉化為部分壓縮功加以利用，其實際膨脹過程（3～4）介于等熵膨脹（3～4h）和等焓膨脹（3～4s）之間。降壓后的CO2進入蒸發器內定壓吸熱，最后返回壓縮機，完成整個循環。如圖6 系統P-h圖所示。

圖5 帶膨脹機的跨臨界CO2 循環系統圖Fig.5 Diagram of transcritical CO2 cycle system with expander

圖6 帶膨脹機的跨臨界CO2 循環P-h 圖Fig.6 Temperature-entropy of transcritical CO2 cycle with expander

孫志利[16]對CO2單級壓縮加膨脹機循環與四種雙級壓縮循環進行了熱力學分析，證明利用膨脹機代替節流閥是提高系統COP 的重要途徑。楊俊蘭[17]等分別從系統的COP、效率、中間壓力以及排氣溫度等方面，對典型的雙級壓縮、膨脹機與高壓級壓縮機同軸連接以及膨脹機與低壓級壓縮機同軸連接三種循環系統進行熱力學分析，并進行了比較，證明帶膨脹機的單級循環的COP 高于雙級壓縮循環的COP。Simarpreet Singh[18]等通過CFD模擬方法，研究了渦旋式膨脹機內CO2制冷劑的流動特性。結果表明，通過進一步優化泄漏空間，可以減少內泄漏CO2，從而提高渦旋式膨脹機的整體效率。姜云濤[19]等在原有單缸滾動活塞膨脹機的基礎上，設計加工了一種新型雙缸膨脹機樣機，并對其性能進行了測試，測得其膨脹效率為28%～33%。

增設膨脹機有利于回收系統膨脹功，但在實際應用中可能存在膨脹機內工質不能完全排除等問題。由于膨脹機出口CO2為氣液兩相流體，膨脹機的余隙容積將會對其效率產生重要影響。在膨脹機的設計工作中應充分考慮跨臨界循環中CO2膨脹做功的特點，注意進出口控制合理，盡量減少摩擦、泄露及余隙容積等損失。理想情況下采用膨脹機可以完全回收節流損失，但在實際膨脹過程中，由于制冷劑的摩擦等因素，會產生不可逆損失，這部分損失可以通過提升設備的工藝水平而減小[20]，故研發高效可靠的CO2膨脹機是促使該系統成功應用的關鍵。此外，膨脹機的應用也受到系統容量的制約，對于小型熱泵系統，膨脹機的結構尺寸很小，加工成本高，且膨脹機內部泄露和摩擦損失等不可忽視，故小型熱泵系統中采用此方案需謹慎[5]。

3 增設噴射器的循環系統

在傳統的跨臨界熱泵系統中，節流閥前后壓差較大產生了大量節流損失，極大制約了系統COP的提升。該方案在跨臨界循環系統中增設噴射器，可回收一部分膨脹過程中損失的可用能，顯著減小節流損失，提高系統COP[21]。

圖7 噴射器結構圖Fig.7 Ejector structure diagram

噴射器是一種非容積型的節流機構，長期以來在能源動力領域、化工領域、建筑土木、廢氣污水的處理方面等有著重要的應用。它可以將工作流體的膨脹能轉化為動能，再將動能轉化為制冷劑的加壓能進行回收[22]。工作原理是以高壓流體為驅動，吸引低壓引射流體進入噴射器并與之混合，形成中壓混合流體并排出。噴射器通常由四部分組成：噴嘴及吸收室、混合段、喉部和擴壓段。該系統如圖8所示。圖中的1-2-5-6-3-4-1 循環過程表示了工作流熱力循環過程，10-7-6-3-8-9-10 循環過程表示了引射流熱力循環過程，各狀態點與圖9 的各狀態點相對應。

圖8 帶噴射器的跨臨界CO2 循環系統圖Fig.8 Diagram of Transcritical CO2 Cycle System with Ejector

圖9 帶噴射器的跨臨界CO2 循環系統圖P-h 圖Fig.9 Temperature-entropy of the transcritical CO2 cycle system with Ejector

李浩[23]等通過實驗研究發現，噴射器在不同工況下能夠提升系統COP 1.65%～12.60%；室外溫度對CO2噴射制冷系統的性能影響顯著，該系統在高溫環境下會出現明顯的性能衰減。鄒春妹[21]等通過實驗證明，隨著熱水體積流量的減小或其出口溫度的升高，引射比將逐漸減小，噴射器效率會逐漸提高。隨著噴射器的引入，系統高壓側的壓力顯著下降，這有利于系統安全穩定運行。Haida M[22]等構建了CO2兩相流噴射器的CFD 模型，并設計制造了一種帶有熱電偶的噴射器，用于研究超市制冷和空調應用的典型邊界條件下噴射器內壁的溫度分布，用以研究熱傳遞對噴射器性能的影響。李濤[24]等建立了CO2噴射制冷系統中噴射器的數學模型并進行分析，發現當工作流的流量等于擴壓段的出口蒸汽流量時，系統可以穩定運行；噴射循環的COP 隨蒸發溫度的升高而提高，但提高程度隨蒸發溫度的升高而減小。王征[25]等人利用渦流管對氣體膨脹具有較高效率的優勢，將渦流管與噴射器相結合，提出了一種新型制冷系統，有效提高了系統COP 約15%，該系統尤其以R744（CO2）作為工質時性能較優。

相較于膨脹閥節流，噴射器節流減少了節流前后的壓差，流體做功能力增加，壓縮機的功耗減少，相當于回收了使用膨脹閥節流損失的部分壓能，從而提高了跨臨界熱泵循環系統的COP[7]。在利用膨脹機工作時，CO2流體會達到兩相流狀態，可能會對膨脹機造成損壞，而噴射器系統中設有氣液分離器，不存在這一麻煩。此外，噴射器還具有無運動部件、結構簡單、易于加工、成本低廉、工作可靠、密封性好的優勢[23,26]。但由于噴射器內部存在超音速流動、湍流、卷吸混合、激波等非平衡、非定常的復雜現象，設備實際應用過程中還存在流體混合過程形成的不可逆損失等問題，長期以來限制了其更好的應用發展。隨著CFD 技術的發展，人們對噴射器的流場模擬也從最開始的二維逐漸擴展到三維，其內部流場模擬更加精確，對噴射器性能的提高也有重要意義，今后也需進一步研究噴射器和CO2熱泵系統之間的耦合，尋求既能使噴射器性能達到最優也能使跨臨界CO2系統COP 達到最佳的工況條件。

4 采用雙級壓縮的循環系統

影響壓縮機效率的因素有很多，對于跨臨界CO2制冷循環系統，高壓段和低壓段之間的泄漏問題是影響壓縮機效率的主要原因。在跨臨界CO2制冷循環中，壓縮機的壓縮比較小（2～4），但壓差比較大（一般在6MPa 左右），導致壓縮機高低壓段間的泄漏量增加，部件受力和形變都很大。因此，從提高系統效率和減少組件的應力和變形出發，跨臨界CO2制冷循環可以采用雙級壓縮系統[5]。

圖10 和圖11 分別表示為跨臨界CO2雙級壓縮制冷循環系統圖和P-h圖，該系統主要包括高、低壓級壓縮機，高、低壓級氣體冷卻器，節流閥和蒸發器。來自蒸發器的低溫低壓CO2制冷劑進入低壓級壓縮機，壓縮至中間壓力后，經低壓級氣體冷卻器一次冷卻后，被高壓級壓縮機吸入，壓縮為高溫高壓的超臨界CO2氣體，到達高壓級氣體冷卻器進行二次冷卻，節流閥節流至蒸發壓力后進入蒸發器蒸發吸熱，完成一個跨臨界循環過程[26]。

圖10 跨臨界CO2 雙級壓縮循環系統圖Fig.10 Transcritical CO2 two-stage compression cycle system diagram

圖11 跨臨界CO2 雙級壓縮循環P-h 圖Fig.11 Temperature-entropy of transcritical CO2 two-stage compression cycle

雙級壓縮循環可有效改善跨臨界CO2制冷循環的工況，降低系統節流損失，提高系統COP，國內外在此方面展開了不少研究。劉圣春[27,28]等，對跨臨界雙級壓縮循環的最優中間壓力進行了模擬分析，同時將單級壓縮循環與考慮最優中間壓力的雙級循環進行比較，找出了雙級壓縮循環的最優中間壓力與最優高壓之間的相關性，為雙級壓縮系統的設計計算提供理論指導。謝英柏[29]等，通過建立跨臨界雙級壓縮循環系統的熱力學模型，分析比較了雙級壓縮循環中完全冷卻和不完全冷卻兩種系統，得出結論：在最佳氣體冷卻器壓力下，系統COP 隨著高壓級壓縮機入口處CO2蒸汽過熱度的增加而逐漸降低。Eunsung Shin[30]等通過實驗，以室外空氣溫度、室外風速和二級壓縮機開度為變量，模擬分析了兩種不同蒸發溫度下雙級壓縮系統的性能特征，證明無論在結霜工況或無霜工況下，系統性能對第二級壓縮機的開度的變化都非常敏感。胡健[31]等提出一種循環分離法以簡化計算，將雙級壓縮循環分為兩個復疊的單級壓縮循環。高壓循環為跨臨界循環，以中間壓力為其蒸發壓力。低壓循環為亞臨界循環，中間壓力為其冷凝壓力。這種方法避免了循環過程中高壓和中間壓力同時優化，且對于不同的雙級壓縮循環，只需要單獨優化系統的中間壓力。上海交通大學楊軍[32]等設計了一種新型全封閉旋轉式CO2壓縮機，該壓縮機采用中間冷卻的雙級壓縮結構。研究表明，壓縮機容積效率基本與吸排氣壓縮比呈線性關系，壓縮機等熵效率在最佳壓縮比下達到最大值，壓縮機吸氣過熱度及二級吸氣溫度對壓縮機效率的影響很小。

采用雙級壓縮系統可以有效的緩解壓縮機容積效率所帶來的問題，提升系統效率和減小部件的應力變形。但由于二級壓縮機和氣體冷卻器的增設，也會加大系統體積和設備初投資，故應根據應用要求全面考慮。對于雙級壓縮系統高低壓縮機間的協調控制與一體化設計，應是下一步研究工作的重點內容。

5 結論

由于CO2作為純天然制冷劑具有良好的熱力性、安全性以及環境友好性，已受到學者們的廣泛關注。而對跨臨界CO2制冷循環系統進行優化，減小循環節流損失，不可逆損失，已成為國內外學者研究的熱點。本文在增設回熱器、膨脹機代替節流閥、增設噴射器和采用雙級壓縮循環幾個方面對國內外研究進行了總結，分析了幾類優化方案存在的問題，并對未來研究的發展動向作出展望：

（1）目前幾項優化方案的研究，對提高跨臨界系統性能起到了很大作用，但仍存在一些不足之處，如何進一步提升各組件效能，如改變回熱器的安裝位置、改變噴射器噴口形狀會對系統COP 帶來怎樣的影響，還需要深入研究。

（2）幾類優化方案并不互斥，如何高效有機將其結合，如帶回熱的噴射器系統，雙級壓縮系統中膨脹機的應用，并找到其最佳運行工況，可作為系統的具體應用方式進行研究。

（3）循環系統的經濟性。當前國內研究中，針對跨臨界CO2制冷系統實際運行經濟性問題有待于進一步研究，應結合具體工程案例進一步分析。

學界對跨臨界CO2制冷循環系統的研究正處于快速發展階段，此系統的各類商業應用都還處于起步階段，循環各部件的設計和研發還不夠完善，某些技術參數還不能和傳統制冷劑系統相比。但是，隨著各項研究的深入，跨臨界CO2制冷循環系統的運行性能和安全性將會有顯著提升。在國內外大力提倡節能、環保的大環境下，跨臨界CO2制冷循環系統在未來會有著很大的發展空間。