天津商業(yè)大學(xué)天津市制冷技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 寧靜紅 李慧宇 彭 苗

0 引言

當(dāng)代環(huán)境危機(jī)和自然資源危機(jī)嚴(yán)重危害著人類健康和生態(tài)環(huán)境?；貧w自然，開發(fā)高效、綠色環(huán)?？照{(diào)制冷系統(tǒng)已成為當(dāng)前國際社會共同關(guān)注的問題。開展自然工質(zhì)替代的理論和應(yīng)用研究，不僅是全球環(huán)境保護(hù)的需要，對我國制冷和空調(diào)行業(yè)來說，也是機(jī)遇和挑戰(zhàn)，應(yīng)積極開發(fā)擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品和設(shè)備，為構(gòu)建低碳經(jīng)濟(jì)、和諧社會做出貢獻(xiàn)。

自然界天然存在的物質(zhì)CO2(ODP＝0，GWP＝1)；具有優(yōu)良的經(jīng)濟(jì)性，良好的安全性和化學(xué)穩(wěn)定性；適應(yīng)各種潤滑油及常用機(jī)械零部件材料，高溫下不會分解產(chǎn)生有害氣體；CO2的冷卻潛熱較大、單位容積制熱高、運(yùn)動粘度低、導(dǎo)熱系數(shù)高、液體密度和蒸汽密度的比值小，CO2節(jié)流后各回路間制冷劑的分配較均勻；CO2優(yōu)良的流動和傳熱特性，使整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，系統(tǒng)的初投資少。CO2跨臨界循環(huán)氣體冷卻器所具有的較高排氣溫度和較大的溫度滑移和冷卻介質(zhì)的溫升過程相匹配，使其在熱泵循環(huán)方面具有其它工質(zhì)亞臨界循環(huán)等溫冷凝過程無法比擬的優(yōu)勢。挪威SINTEF研究所P.Neksa,J.Petterson等人[1]對熱泵熱水器的特性進(jìn)行的分析研究表明，CO2熱泵熱水器不僅具有較高的供熱系數(shù)，而且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，生產(chǎn)的熱水溫度高。我國天津大學(xué)熱能研究所也于2000年建立起我國第一臺CO2跨臨界熱泵循環(huán)實(shí)驗(yàn)臺，并對提高CO2跨臨界循環(huán)的性能進(jìn)行研究[2]。E.L.Schmidt等人對CO2熱泵在干燥方面應(yīng)用的可行性進(jìn)行了分析與討論[3]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，日本市場已有16種不同類型的CO2熱泵熱水器[4]。Jorn Stene[5]設(shè)計(jì)了與溫度滑移相匹配的三段逆流式氣體冷卻器的CO2熱泵系統(tǒng)。

R290（丙烷）價格低廉，ODP＝0，GWP 很小，不需要合成，與普通潤滑油和機(jī)械結(jié)構(gòu)材料具有兼容性，不改變自然界碳?xì)浠衔锏暮?，對溫室效?yīng)沒有直接影響；丙烷的單位容積制冷量較大，丙烷的主要物理性質(zhì)如標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)、凝固點(diǎn)、臨界溫度、臨界壓力等參數(shù)與R22極其相近，可采用R22系統(tǒng)，可以不對原機(jī)和生產(chǎn)線進(jìn)行改造，直接灌裝丙烷，屬于直接替代物。E.Halimic等人[6]對蒸氣壓縮制冷循環(huán)用R401A,R290和R134a制冷工質(zhì)的熱力性能進(jìn)行分析，得到R290表現(xiàn)出良好的性能。Mahmoud Ghodbane[7]對汽車空調(diào)中使用R290替代制冷劑R134a進(jìn)行了研究，得出R290汽車空調(diào)系統(tǒng)較R134a汽車空調(diào)系統(tǒng)的性能有所改善。

Kaushik[8]等研究得出制冷循環(huán)內(nèi)部的不可逆性比外部的不可逆性更為明顯，在相同的工況下，復(fù)疊式制冷循環(huán)較單級制冷循環(huán)的能效比高。Sarkal et al[9]提出同時制冷與供熱的CO2/NH3復(fù)疊式制冷熱泵系統(tǒng)。Souvik等人[10]對同時制冷與供熱的CO2/R290復(fù)疊式制冷熱泵系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化研究，系統(tǒng)中CO2用于高溫循環(huán)，R290為低溫循環(huán)，提出系統(tǒng)達(dá)到最優(yōu)運(yùn)行性能的中間溫度與壓力參數(shù)，并分析了制冷與供熱空間溫度、換熱器的傳熱溫差、高低溫循環(huán)的性能等對CO2/R290復(fù)疊式制冷熱泵系統(tǒng)性能的影響。本文對高溫循環(huán)為CO2跨臨界循環(huán)，低溫循環(huán)為R290亞臨界循環(huán)的復(fù)疊式系統(tǒng)進(jìn)行分析，對自然工質(zhì)CO2/R290復(fù)疊式制冷熱泵系統(tǒng)的性能優(yōu)化進(jìn)行研究，為開發(fā)同時制冷的自然工質(zhì)CO2/R290復(fù)疊式熱泵系統(tǒng)提供理論基礎(chǔ)。

1 CO2/R290復(fù)疊式系統(tǒng)

在熱泵系統(tǒng)的循環(huán)中，冷卻介質(zhì)吸收高溫高壓的氣體工質(zhì)散發(fā)的熱量，為環(huán)境空間供暖或提供生活熱水，而低溫低壓的液體工質(zhì)吸收的熱量由水源或空氣源提供，被降溫的水或空氣沒有得到充分的利用；而在制冷系統(tǒng)的循環(huán)中，低溫低壓的液體工質(zhì)吸收被冷卻空間或冷卻介質(zhì)的熱量，用于物品的冷凍冷藏等需制冷負(fù)荷的環(huán)境空間，高溫高壓氣體工質(zhì)散發(fā)的熱量由冷卻水或空氣帶走，散發(fā)到大氣中，造成對環(huán)境空間的廢熱污染，同時，冷卻水循環(huán)需要設(shè)置冷卻水塔，冷卻空氣需設(shè)置強(qiáng)制對流冷風(fēng)機(jī)等。如果將制熱和制冷系統(tǒng)疊加，構(gòu)成一個復(fù)疊式循環(huán)，在提供熱負(fù)荷為環(huán)境空間供暖或提供生活熱水的同時，提供冷負(fù)荷滿足制冷空間的需要，可以減少設(shè)備的投資，降低能量消耗，減少對環(huán)境的污染，提高系統(tǒng)的性能。

高溫循環(huán)為CO2跨臨界循環(huán)熱泵，CO2在氣體冷卻器中與冷卻介質(zhì)進(jìn)行熱交換，冷卻降溫的同時提供熱負(fù)荷；低溫循環(huán)為R290亞臨界循環(huán)，R290在蒸發(fā)器中吸收被冷卻介質(zhì)（冷卻空間）放出的熱量，蒸發(fā)沸騰的同時提供冷負(fù)荷，CO2和R290在熱交換器中進(jìn)行熱量交換，疊加成自然工質(zhì)CO2/R290復(fù)疊式循環(huán)系統(tǒng)，可以為需要冷、熱源的不同環(huán)境空間，提供熱源的同時提供冷源，滿足-40℃到60℃范圍的溫度要求，提高單一制冷或供熱系統(tǒng)的性能。

如圖1所示的是在CO2高溫循環(huán)和R290低溫循環(huán)設(shè)置經(jīng)濟(jì)器(economical heat exchanger,簡稱EHE)的CO2/R290復(fù)疊式制冷循環(huán)圖。圖2是帶經(jīng)濟(jì)器的CO2/R290循環(huán)的T-S圖。自氣體冷卻器來的CO2氣體分成兩支流，一支流經(jīng)節(jié)流閥，壓力降至中間壓力，流入經(jīng)濟(jì)器，在經(jīng)濟(jì)器的盤管外，與另一支直接流入經(jīng)濟(jì)器盤管內(nèi)的CO2氣體進(jìn)行熱交換，吸收高溫氣體的熱量，成為過熱蒸氣，進(jìn)入CO2壓縮機(jī)的補(bǔ)氣口。同時，未經(jīng)節(jié)流的CO2氣體過冷，焓值降低，制冷量增加。自冷凝蒸發(fā)器來的R290液體分成兩支流，一支R290液體流經(jīng)節(jié)流閥，壓力降至中間壓力，成為低溫兩相流體，流入經(jīng)濟(jì)器，在經(jīng)濟(jì)器的盤管外，與另一支直接流入經(jīng)濟(jì)器盤管內(nèi)的R290液體進(jìn)行熱交換，吸收高溫液體的熱量，成為過熱蒸氣，進(jìn)入R290壓縮機(jī)的補(bǔ)氣口。同時，未經(jīng)節(jié)流的R290液體過冷，焓值降低，制冷量增加。

圖3所示的是在CO2高溫循環(huán)和R290低溫循環(huán)設(shè)置內(nèi)部熱交換器（Internalheat exchanger,簡稱IHE）的CO2/R290復(fù)疊式制冷循環(huán)圖，圖4是設(shè)內(nèi)部熱交換器CO2/R290循環(huán)的T-S圖。在CO2高溫循環(huán)中來自冷凝蒸發(fā)器的CO2氣體，在進(jìn)入壓縮機(jī)前先經(jīng)過內(nèi)部熱交換器，在內(nèi)部熱交換器中與來自氣體冷卻器的CO2氣體進(jìn)行熱量交換，使CO2氣體進(jìn)一步過冷，過冷的CO2氣體經(jīng)過節(jié)流閥后焓值降低，CO2在冷凝蒸發(fā)器中吸收的熱量增加。來自R290蒸發(fā)器的低溫氣體，在進(jìn)入壓縮機(jī)前先經(jīng)過內(nèi)部熱交換器，在內(nèi)部熱交換器中與來自冷凝蒸發(fā)器的R290液體進(jìn)行熱量交換，使R290液體過冷，過冷的R290液體經(jīng)過節(jié)流閥后其焓值降低，使R290在蒸發(fā)器中吸收的熱量增加，R290循環(huán)的制冷量增加。

2 熱力性能計(jì)算

對高、低溫循環(huán)壓縮機(jī)的效率為70%，R290循環(huán)的蒸發(fā)溫度-40℃，制冷量為3kW,CO2氣體冷卻器的出口溫度為40℃，氣體冷卻器的高壓壓力為10MPa,冷凝蒸發(fā)器的傳熱溫差為5℃的CO2/R290復(fù)疊式制冷熱泵循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行熱力計(jì)算。

CO2氣體冷卻器的熱負(fù)荷為：

式中：QK——CO2氣體冷卻器的熱負(fù)荷（kW）；

mH——CO2循環(huán)制冷劑的質(zhì)量流量（kg/s）；

h4H——CO2氣體冷卻器入口的焓值(kJ/kg)；

h5H——CO2氣體冷卻器出口的焓值(kJ/kg)。

R290蒸發(fā)器的熱負(fù)荷為：

式中：Q0——R290蒸發(fā)器的熱負(fù)荷（kW）；

mL——R290循環(huán)制冷劑的質(zhì)量流量（kg/s）；

h1L——R290蒸發(fā)器出口的焓值(kJ/kg)；

h8L——R290蒸發(fā)器入口的焓值(kJ/kg)。

CO2/R290復(fù)疊式制冷熱泵循環(huán)的性能系數(shù)為：

式中：NH-CO2高溫循環(huán)壓縮機(jī)的功率消耗，kW；

NL-R290低溫循環(huán)壓縮機(jī)的功率消耗，kW。

2.1 設(shè)置經(jīng)濟(jì)器的循環(huán)

高溫循環(huán)經(jīng)濟(jì)器的熱平衡方程為：

式中：m6H——CO2循環(huán)流經(jīng)節(jié)流閥進(jìn)入經(jīng)濟(jì)器的制冷劑質(zhì)量流量（kg/s）；

h3H——壓縮機(jī)補(bǔ)氣后的焓值(kJ/kg)；

m1H——循環(huán)未流經(jīng)節(jié)流閥進(jìn)入經(jīng)濟(jì)器的制冷劑質(zhì)量流量（kg/s）；

h2H——壓縮機(jī)補(bǔ)氣前的焓值(kJ/kg)；

h7H——CO2循環(huán)未流經(jīng)節(jié)流閥進(jìn)入經(jīng)濟(jì)器的制冷劑過冷后的焓值(kJ/kg)。

低溫循環(huán)經(jīng)濟(jì)器的熱平衡方程為：

式中：m6L——R290循環(huán)流經(jīng)節(jié)流閥進(jìn)入經(jīng)濟(jì)器的制冷劑質(zhì)量流量（kg/s）；

h3L——R290壓縮機(jī)補(bǔ)氣后的焓值(kJ/kg)；

h5L——冷凝蒸發(fā)器出口的R290液體的焓值(kJ/kg)；

m1L——R290循環(huán)未流經(jīng)節(jié)流閥進(jìn)入經(jīng)濟(jì)器的制冷劑質(zhì)量流量（kg/s）；

h2L——R290壓縮機(jī)補(bǔ)氣前的焓值(kJ/kg)；

h7L——R290循環(huán)未流經(jīng)節(jié)流閥進(jìn)入經(jīng)濟(jì)器的制冷劑過冷后的焓值(kJ/kg)。

2.2 設(shè)置內(nèi)部熱交換器的循環(huán)

高溫循環(huán)熱交換器的熱平衡方程為：

式中：h1H——CO2壓縮機(jī)入口的焓值(kJ/kg)；

低溫循環(huán)熱交換器的熱平衡方程為：

高溫循環(huán)CO2流體的過冷度為：

式中：△tH——高溫循環(huán)CO2流體的過冷度（℃）。

低溫循環(huán)R290液體的過冷度為：

式中：△tL——低溫循環(huán)R290流體的過冷度（℃）。

2.3 性能分析

圖5中所示的是CO2高溫循環(huán)和R290低溫循環(huán)分別設(shè)有經(jīng)濟(jì)器的CO2/R290復(fù)疊式循環(huán)的COP隨R290低溫循環(huán)冷凝溫度的變化關(guān)系。1是CO2高溫循環(huán)和R290低溫循環(huán)均不設(shè)有經(jīng)濟(jì)器的CO2/R290復(fù)疊式循環(huán)；2是CO2高溫循環(huán)設(shè)有經(jīng)濟(jì)器、R290低溫循環(huán)不設(shè)經(jīng)濟(jì)的CO2/R290復(fù)疊式循環(huán)；3是CO2高溫循環(huán)不設(shè)經(jīng)濟(jì)器、R290低溫循環(huán)設(shè)有經(jīng)濟(jì)器的CO2/R290復(fù)疊式循環(huán)；4是CO2高溫循環(huán)和R290低溫循環(huán)均設(shè)有經(jīng)濟(jì)器的CO2/R290復(fù)疊式循環(huán)?？梢钥闯?，隨著R290低溫循環(huán)冷凝溫度的變化，1循環(huán)的COP存在最大值；2循環(huán)的COP沒有明顯的變化；3循環(huán)的COP隨R290低溫循環(huán)冷凝溫度的升高而有所增加；4循環(huán)的COP隨R290低溫循環(huán)冷凝溫度的升高也略有增加。并且，2循環(huán)較1循環(huán)的COP增大，3循環(huán)較2循環(huán)的COP增大，4循環(huán)較3循環(huán)的COP又有所增大。

由此得出，R290低溫循環(huán)或CO2高溫循環(huán)設(shè)置經(jīng)濟(jì)器，均使CO2/R290復(fù)疊式循環(huán)的COP增大。但是，在CO2高溫循環(huán)設(shè)置經(jīng)濟(jì)器，CO2/R290復(fù)疊式循環(huán)沒有明顯的最佳運(yùn)行工況，且其性能不如在R290低溫循環(huán)設(shè)置經(jīng)濟(jì)器的CO2/R290復(fù)疊式循環(huán)COP增大的效果明顯。而CO2高溫循環(huán)和R290低溫循環(huán)均設(shè)置經(jīng)濟(jì)器使CO2/R290復(fù)疊式循環(huán)的COP增大的更為明顯。

圖6中所示的是CO2高溫循環(huán)和R290低溫循環(huán)分別設(shè)有內(nèi)部熱交換器的CO2/R290復(fù)疊式循環(huán)的COP隨R290低溫循環(huán)冷凝溫度的變化關(guān)系。1是CO2高溫循環(huán)和R290低溫循環(huán)均無過冷；2是CO2高溫循環(huán)無過冷，R290低溫循環(huán)過冷度為 8℃；3是CO2高溫循環(huán)過冷度為8℃，R290低溫循環(huán)無過冷；4是CO2高溫循環(huán)過冷度為8℃，R290低溫循環(huán)過冷度為8℃?？梢钥闯?，隨著R290低溫循環(huán)冷凝溫度的變化，CO2/R290復(fù)疊式循環(huán)存在最大的COP，獲得最大COP時對應(yīng)的R290低溫循環(huán)冷凝溫度為最佳冷凝溫度。2循環(huán)較1循環(huán)的COP增加，3循環(huán)較2循環(huán)的COP增加，4循環(huán)較3循環(huán)的COP又有明顯的增大，由此看出，R290低溫循環(huán)或CO2高溫循環(huán)設(shè)置內(nèi)部熱交換器，均使CO2/R290復(fù)疊式循環(huán)的COP增大。但是，相同的過冷度下，CO2高溫循環(huán)設(shè)置內(nèi)部熱交換器較R290低溫循環(huán)設(shè)置內(nèi)部熱交換器，使CO2/R290復(fù)疊式循環(huán)COP增大的效果明顯。而CO2高溫循環(huán)和R290低溫循環(huán)均設(shè)置內(nèi)部熱交換器，高溫循環(huán)和低溫循環(huán)同時過冷，使CO2/R290復(fù)疊式循環(huán)的COP增大的更為明顯。

圖7中a所示的是CO2高溫循環(huán)和R290低溫循環(huán)均設(shè)置內(nèi)部熱交換器，CO2高溫循環(huán)和R290低溫循環(huán)過冷8℃的復(fù)疊式循環(huán)的COP隨R290循環(huán)冷凝溫度的變化曲線，b所示的是CO2高溫循環(huán)和R290低溫循環(huán)均帶經(jīng)濟(jì)器的復(fù)疊式循環(huán)的COP隨R290循環(huán)冷凝溫度的變化曲線。圖8中a所示的是CO2高溫循環(huán)和R290低溫循環(huán)均設(shè)置內(nèi)部熱交換器，CO2高溫循環(huán)和R290低溫循環(huán)過冷8℃的復(fù)疊式循環(huán)的制熱量隨R290循環(huán)冷凝溫度的變化曲線，b所示的是CO2高溫循環(huán)和R290低溫循環(huán)均帶經(jīng)濟(jì)器的復(fù)疊式循環(huán)的制熱量隨R290循環(huán)冷凝溫度的變化曲線。

可以看出，在相同的R290循環(huán)冷凝溫度下，CO2高溫循環(huán)和R290低溫循環(huán)均帶經(jīng)濟(jì)器的復(fù)疊式循環(huán)較CO2高溫循環(huán)和R290低溫循環(huán)均帶內(nèi)部熱交換器的復(fù)疊式循環(huán)的COP和制熱量都有明顯的增大。如果增加CO2高溫循環(huán)和R290低溫循環(huán)過冷度，需增加內(nèi)部熱交換器的換熱面積，造成設(shè)備的外形尺寸加大、耗材增多、投資增加。因此，相比之下，CO2高溫循環(huán)和R290低溫循環(huán)均帶經(jīng)濟(jì)器的CO2/R290復(fù)疊式循環(huán)的性能好、耗材少、投資小。目前，市場上已經(jīng)有帶經(jīng)濟(jì)器的螺桿式制冷壓縮機(jī)產(chǎn)品，可研制開發(fā)帶經(jīng)濟(jì)器的渦旋式制冷壓縮機(jī)產(chǎn)品，渦旋式制冷壓縮機(jī)所具有的優(yōu)良性能，對于高效節(jié)能的CO2/R290制冷熱泵雙效系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用有很好的推動作用。

3 結(jié)論

1）R290低溫循環(huán)或CO2高溫循環(huán)設(shè)置經(jīng)濟(jì)器，均使CO2/R290復(fù)疊式循環(huán)的COP增大，CO2高溫循環(huán)和R290低溫循環(huán)均設(shè)置經(jīng)濟(jì)器使CO2/R290復(fù)疊式循環(huán)的COP增大得更為明顯。

2）290低溫循環(huán)或CO2高溫循環(huán)設(shè)置內(nèi)部熱交換器，均使CO2/R290復(fù)疊式循環(huán)的COP增大，而CO2高溫循環(huán)和R290低溫循環(huán)均設(shè)置內(nèi)部熱交換器，使CO2/R290復(fù)疊式循環(huán)的COP增大得更為明顯。

3）CO2高溫循環(huán)和R290低溫循環(huán)均帶經(jīng)濟(jì)器的CO2/R290復(fù)疊式循環(huán)較CO2高溫循環(huán)和R290低溫循環(huán)均帶內(nèi)部熱交換器的復(fù)疊式循環(huán)的性能好、耗材少、投資小。

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