曹祥 張春路

(1 同濟(jì)大學(xué)機(jī)械工程博士后流動站 上海 201804；2 同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)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(yīng)用于生產(chǎn)生活的各個領(lǐng)域，其能耗問題愈發(fā)受到關(guān)注，我國對進(jìn)一步提升制冷/熱泵裝置能效已制定了明確的規(guī)劃[1]。減少熱力過程中的不可逆損失是提升能效的關(guān)鍵，蒸氣壓縮制冷/熱泵循環(huán)中不可逆損失主要存在于非等熵壓縮、節(jié)流以及蒸發(fā)器與冷凝器的溫差傳熱過程中[2]。

一方面，現(xiàn)有多種技術(shù)方案可減少壓縮和節(jié)流過程不可逆損失，例如使用膨脹機(jī)[3]和噴射器[4]替代傳統(tǒng)的節(jié)流部件；也可以通過循環(huán)改進(jìn)，使用中間補(bǔ)氣[5]、強(qiáng)化過冷[6]等措施，提高循環(huán)能效。

另一方面，降低蒸發(fā)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(shí)現(xiàn)。通過增加換熱面積和強(qiáng)化傳熱[7－8]等措施可改善蒸發(fā)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(guān)，還與溫差分布的均勻性相關(guān)。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?zé)嵩礂l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?zé)嵩礂l件下，最高效的循環(huán)是洛倫茲循環(huán)[10]。對于實(shí)際的蒸氣壓縮制冷/熱泵循環(huán)，理論上使用具有溫度滑移特性的非共沸工質(zhì)有助于改善蒸發(fā)器與冷凝器溫差場均勻性、提升能效[11]。然而，非共沸工質(zhì)存在溫度滑移范圍有限[12]、傳熱系數(shù)低[13]、制冷劑泄漏會發(fā)生組分滑移[14]等問題，因此在實(shí)際產(chǎn)品設(shè)計中仍以純工質(zhì)和近共沸工質(zhì)為主。

通過改進(jìn)循環(huán)結(jié)構(gòu)同樣可以降低變溫?zé)嵩礂l件下蒸發(fā)器與冷凝器的傳熱損失，例如梯級吸排氣循環(huán)[15]，原理圖如圖1所示。通過設(shè)置數(shù)個具有一定梯度的吸排氣壓力，在對換熱流體進(jìn)行多級冷卻或加熱過程中，實(shí)現(xiàn)制冷劑溫度對熱源溫度梯形逼近的制冷熱泵循環(huán)。

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

本研究團(tuán)隊(duì)對梯級吸排氣循環(huán)進(jìn)行了全面研究，發(fā)現(xiàn)該循環(huán)節(jié)能潛力大，但實(shí)際節(jié)能效果受多種因素影響。因此本文將對梯級吸排氣循環(huán)理論進(jìn)行深入剖析，并結(jié)合應(yīng)用實(shí)例展示節(jié)能效果。

1 梯級吸排氣循環(huán)節(jié)能原理

洛倫茲循環(huán)作為變溫?zé)嵩礂l件下效率最高的制冷循環(huán)，可視作由無數(shù)個不同蒸發(fā)溫度和冷凝溫度的逆卡諾循環(huán)復(fù)合而成。梯級吸排氣循環(huán)正是受該思路的啟發(fā)，理論上可以通過構(gòu)造無數(shù)組實(shí)際制冷循環(huán)，實(shí)現(xiàn)制冷劑溫度對換熱流體溫度的梯形逼近。梯級吸排氣循環(huán)在理論上已被證明其極限效率與洛倫茲循環(huán)相等[16]。

對于實(shí)際制冷熱泵系統(tǒng)，受限于非等熵壓縮節(jié)流過程和蒸發(fā)器與冷凝器換熱面積等條件，無法達(dá)到上述理論循環(huán)效率，但梯級吸排氣循環(huán)仍具備較大節(jié)能潛力。圖2所示的計算結(jié)果表明，在不增加換熱面積的條件下，采用雙級吸排氣循環(huán)風(fēng)冷空調(diào)器的制冷COP 可提升約13%；采用更多級數(shù)的吸排氣壓力，COP 提升可達(dá)30%。這是由于梯級吸排氣循環(huán)不僅減小了蒸發(fā)器與冷凝器的傳熱損失，還使各個子循環(huán)的壓比減小，壓縮和節(jié)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(huán)后，蒸發(fā)器與冷凝器的傳熱損失下降約14%，壓縮和節(jié)流過程損失也分別減少7.3%和12.4%。

圖2 梯級吸排氣循環(huán)提升風(fēng)冷空調(diào)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(huán)節(jié)能適用性

實(shí)際系統(tǒng)由于空間受限等問題，蒸發(fā)器與冷凝器換熱面積不易增加。根據(jù)傳熱學(xué)原理，如果換熱器的換熱單元數(shù)和換熱量相等，平均傳熱溫差也必然相同。如圖3所示，當(dāng)制冷熱泵系統(tǒng)通過梯級吸氣形成高蒸發(fā)溫度Te2時，也會相應(yīng)形成低蒸發(fā)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(fā)溫度和低冷凝溫度對提高循環(huán)COP 有利，而低蒸發(fā)溫度和高冷凝溫度則會降低循環(huán)效率。因此，本節(jié)將深入分析有限換熱面積條件下梯級吸排氣循環(huán)的節(jié)能適用性。

圖3 蒸發(fā)器內(nèi)制冷劑與換熱流體的溫度關(guān)系Fig.3 Temperature profiles in evaporators

本節(jié)以額定制冷能力3.5 kW 的房間空調(diào)器為例進(jìn)行計算和循環(huán)對比分析，具體工況參數(shù)設(shè)定如表1所示。所用的計算模型中，換熱器采用基于對數(shù)平均溫差法(LMTD)模型，壓縮機(jī)采用等熵效率模型，節(jié)流過程為等焓節(jié)流，詳細(xì)說明參考文獻(xiàn)[15]。

表1 循環(huán)分析工況參數(shù)設(shè)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(huán)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(jié)果是在換熱流體出蒸發(fā)器溫度不變，僅改變其進(jìn)出口間溫度變化幅度條件下獲得的，同時假設(shè)蒸發(fā)器出口制冷劑狀態(tài)為飽和氣體。由于簡單循環(huán)蒸發(fā)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(fā)溫度和COP 影響較小。具備相同蒸發(fā)器面積的雙吸單排循環(huán)制冷COP 在不斷提高，相對簡單循環(huán)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(huán)的高蒸發(fā)溫度Te2隨換熱流體溫差增大而顯著上升，但低蒸發(fā)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(fā)器內(nèi)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(yīng)用場景梯級吸排氣循環(huán)更具節(jié)能優(yōu)勢。

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

2.2 制冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)

制冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)是影響梯級吸排氣循環(huán)節(jié)能效果的關(guān)鍵因素之一，例如蒸發(fā)器與冷凝器的傳熱能力越強(qiáng)，梯級吸排氣循環(huán)節(jié)能效果越顯著。

如圖5所示，在相同工況條件下，隨著蒸發(fā)器換熱面積增大，采用雙級吸氣的制冷循環(huán)節(jié)能效果不斷增強(qiáng)，較簡單循環(huán)的COP 提升幅度從2.5%升至9.2%。這是由于換熱能力強(qiáng)的蒸發(fā)器進(jìn)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(dāng)蒸發(fā)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(huán)節(jié)能效果較差。

圖5 蒸發(fā)器換熱面積對循環(huán)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(huán)之間的匹配優(yōu)化對梯級吸排氣的節(jié)能效果十分重要。例如，當(dāng)各子循環(huán)的換熱面積分配與所承擔(dān)的換熱負(fù)荷比例一致時，節(jié)能效果最顯著[15]，因而不同子循環(huán)之間的壓縮機(jī)排量比例也有相應(yīng)的最優(yōu)值[17]?？傮w上，當(dāng)相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)的匹配優(yōu)化遵循溫差場均勻性最佳的原則時，梯級吸排氣循環(huán)的節(jié)能效果最優(yōu)。

2.3 制冷循環(huán)設(shè)計參數(shù)

循環(huán)設(shè)計參數(shù)是影響梯級吸排氣的節(jié)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(jié)果表明，適當(dāng)?shù)倪^冷有利于提高循環(huán)COP，對于梯級排氣同樣存在一個最優(yōu)的過冷度使循環(huán)COP 最大。然而，過冷度太大會損害梯級排氣循環(huán)相對于簡單循環(huán)的能效優(yōu)勢，甚至出現(xiàn)梯級排氣循環(huán)的COP 低于簡單循環(huán)的情況。這是因?yàn)榇筮^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(huán)冷凝溫度Tc0，同時，高冷凝溫度Tc2遠(yuǎn)高于Tc0(圖7)。因此，梯級排氣循環(huán)宜設(shè)計較小的過冷度。

圖6 冷凝器過冷度對循環(huán)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(fā)器過熱度會影響梯級吸氣循環(huán)的節(jié)能效果，相關(guān)理論計算和實(shí)驗(yàn)研究參見文獻(xiàn)[18]。

3 梯級吸排氣循環(huán)應(yīng)用案例

目前，梯級吸排氣循環(huán)已有多個應(yīng)用案例，均取得較好的節(jié)能效果。同時循環(huán)核心部件——具有多吸排氣壓力的新型壓縮機(jī)也進(jìn)入了樣機(jī)實(shí)驗(yàn)階段。

Zhang Ziyang 等[19]在直膨式全新風(fēng)除濕機(jī)中采用了包括雙級吸氣在內(nèi)的多種節(jié)能技術(shù)，將其名義工況下系統(tǒng)實(shí)測制冷COP 提升至5.42(圖8)。由于新風(fēng)除濕機(jī)蒸發(fā)器的空氣進(jìn)出溫差超過23 ℃，因此非常適合通過梯級吸氣技術(shù)提升能效。模擬結(jié)果表明，雙級吸氣技術(shù)使制冷循環(huán)COP 提升了10.4%。

圖8 基于雙級吸氣的直膨式高效新風(fēng)機(jī)系統(tǒng)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(shù)有效提升了排風(fēng)熱回收型新風(fēng)機(jī)的能效。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，采用雙級和三級吸排氣循環(huán)可使COP 提升17.1%和34.4%。Liu Hua 等[22]采用螺桿壓縮機(jī)的雙級吸排氣熱泵系統(tǒng)制取熱水，當(dāng)熱水側(cè)進(jìn)出水溫度為30 ℃/60 ℃時，系統(tǒng)實(shí)測制熱COP 達(dá)6.93，較簡單循環(huán)提升約9%。T.Ito 等[23]將兩臺風(fēng)冷模塊冷水機(jī)組的水路串聯(lián)，形成了雙吸氣壓力，使冷水系統(tǒng)的能效提升了2.2%～3%。李偉釗等[24]實(shí)驗(yàn)了一種復(fù)合熱管的四級吸排氣熱泵閉式干燥系統(tǒng)，系統(tǒng)的除濕能效比達(dá)到了3.75 kg/kWh，節(jié)能減排效果顯著。

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

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

4 結(jié)論

本文深入分析了梯級吸排氣循環(huán)的基本原理及節(jié)能性，對現(xiàn)有應(yīng)用研究成果進(jìn)行分析，得到了如下結(jié)論:

1)對于實(shí)際制冷/熱泵裝置，梯級吸排氣循環(huán)可以有效降低蒸發(fā)器與冷凝器的傳熱不可逆損失和循環(huán)壓比，節(jié)能潛力大。

2)梯級吸排氣循環(huán)節(jié)能性受換熱流體條件、制冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)和制冷循環(huán)設(shè)計參數(shù)的影響。在換熱流體溫度變化幅度較大、蒸發(fā)器與冷凝器傳熱能力強(qiáng)、冷凝器出口過冷度小等條件下，梯級吸排氣循環(huán)的節(jié)能效果較好。

3)目前，梯級吸排氣循環(huán)的節(jié)能效果已在新風(fēng)處理、冷熱水機(jī)組、熱泵烘干等領(lǐng)域得到驗(yàn)證及應(yīng)用，具有多吸排氣壓力的壓縮機(jī)也正在實(shí)驗(yàn)中。