徐希愛，張晶，孫承良(山東神舟制冷設(shè)備有限公司，山東 濟(jì)南 250200)

0 引言

在經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的背景下，環(huán)境問題日益突出，尤其是臭氧層破壞、全球氣候變暖越發(fā)嚴(yán)峻，人們也因此更加關(guān)注節(jié)能環(huán)保。隨著制冷技術(shù)的發(fā)展，制冷系統(tǒng)、空調(diào)及熱泵系統(tǒng)產(chǎn)品運(yùn)用越來越廣泛，雖然給人們的生產(chǎn)生活帶來許多便利，但也帶來了巨大的能耗及系列環(huán)境問題，如：在能耗方面，民用建筑中的空調(diào)能耗越來越大；冷庫由于需要較低的溫度，使得制冷系統(tǒng)能耗更大。而在環(huán)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(yán)重的環(huán)境問題。

二氧化碳跨臨界循環(huán)系統(tǒng)是基于布雷頓循環(huán)原理的基礎(chǔ)上進(jìn)行的能量轉(zhuǎn)換。二氧化碳是制冷劑中非常環(huán)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(shí)還具有無毒、不可燃、單位容積制冷量大、來源廣泛等優(yōu)勢。因此，二氧化碳制冷劑引起了人們的關(guān)注和重視。尤其是隨著我國制造技術(shù)水平的提高，二氧化碳制冷系統(tǒng)發(fā)展迅速，更是掀起了關(guān)于二氧化碳跨臨界循環(huán)系統(tǒng)研究的熱潮，該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)緊湊、成本低、高效率等優(yōu)勢，因此被認(rèn)為是新能源領(lǐng)域最具有應(yīng)用前景的能量轉(zhuǎn)化系統(tǒng)。

二氧化碳跨臨界循環(huán)系統(tǒng)的循環(huán)過程主要由壓縮機(jī)、氣體冷卻器、膨脹閥和蒸發(fā)組成，目前對(duì)于二氧化碳跨臨界循環(huán)系統(tǒng)性能的研究，大多數(shù)是從這幾個(gè)構(gòu)成要素分析，如為了提高壓縮機(jī)的進(jìn)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(tǒng)中增設(shè)了回?zé)崞?，使得制熱和制冷性能均有了顯著的提升[1]。但由于目前對(duì)于循環(huán)系統(tǒng)的研究僅停留在各參數(shù)的定性分析上，缺乏實(shí)際性的指導(dǎo)作用。基于此，本文在這些研究的基礎(chǔ)上，具體從溫度、流量、壓力等方面，通過建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，探討關(guān)于二氧化碳臨界循環(huán)系統(tǒng)性能的影響。

1 二氧化碳跨臨界循環(huán)系統(tǒng)原理及構(gòu)成

CO2跨臨界循環(huán)系統(tǒng)主要由CO2制冷循環(huán)系統(tǒng)、冷凍水循環(huán)系統(tǒng)、冷卻水循環(huán)系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)四個(gè)部分組成。

1.1 壓縮機(jī)

壓縮機(jī)是循環(huán)系統(tǒng)的核心所在，直接影響整個(gè)制冷系統(tǒng)的運(yùn)行效率及穩(wěn)定性，且影響非常大。由于CO2跨臨界制冷循環(huán)系統(tǒng)的壓力較高，且壓差較大，因此對(duì)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)部件的強(qiáng)度要求非常高，于是對(duì)壓縮機(jī)的運(yùn)行要求也較高，要耐高溫，同時(shí)管材、閥門等方面要有較高的強(qiáng)度。目前應(yīng)用比較廣泛的是活塞式壓縮機(jī)，主要因?yàn)槠浼夹g(shù)較成熟，且適用范圍廣，在家用冰箱、房間空調(diào)等中小制冷量范圍中廣泛運(yùn)用。

1.2 換熱器

換熱器主要是由盤管和散熱片構(gòu)成，在CO2跨臨界制冷循環(huán)系統(tǒng)中，換熱器有多種結(jié)構(gòu)形式，按照功能來劃分，可分為氣體冷卻器、蒸發(fā)器其其他內(nèi)部換熱器；按照結(jié)構(gòu)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(huán)系統(tǒng)的壓力較高，因此也對(duì)換熱器材質(zhì)的承壓能力有較高的要求，需要保證在高壓工況下的運(yùn)行效率。

1.3 回?zé)崞?/h3>

回?zé)崞髦饕δ苁菍?shí)現(xiàn)熱量交換，換熱對(duì)象主要是蒸發(fā)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(jī)的進(jìn)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(tǒng)COP，也能夠減少節(jié)流損失。

2 數(shù)學(xué)模型構(gòu)建及實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

基于系統(tǒng)方法論基礎(chǔ)上，不考慮CO2跨臨界制冷循環(huán)系統(tǒng)工質(zhì)運(yùn)動(dòng)情況，可通過構(gòu)建數(shù)學(xué)模型的方式，將整個(gè)系統(tǒng)看作是一個(gè)有機(jī)整體，而這個(gè)整體是由一些典型模塊構(gòu)成。然后在此基礎(chǔ)上，結(jié)合各模塊信息，對(duì)經(jīng)過物流的單元模塊的輸出變量計(jì)算，進(jìn)而計(jì)算出整個(gè)系統(tǒng)的物流變量及能流變量。在構(gòu)建完數(shù)學(xué)模型后，對(duì)CO2跨臨界循環(huán)系統(tǒng)性能影響進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，從冷卻溫度、循環(huán)流量、分流率、循環(huán)壓力等方面對(duì)系統(tǒng)的循環(huán)效率影響進(jìn)行分析[3]。

3 結(jié)果與討論

3.1 冷卻溫度

為分析冷卻溫度對(duì)系統(tǒng)循環(huán)效率的影響，給出不同的循環(huán)最低溫度，如圖1所示。

圖1 不同循環(huán)最低溫度對(duì)循環(huán)效率影響的趨勢

觀察圖1可得知，循環(huán)最低溫度對(duì)系統(tǒng)循環(huán)效率的影響主要呈現(xiàn)出兩種趨勢，一種是在臨界溫度以下，此時(shí)隨著分流率的增長，循環(huán)效率呈下降的趨勢；另一種是臨界溫度以上，此時(shí)系統(tǒng)循環(huán)效率的變化較為復(fù)雜，分流率增長變化的影響并不大。另外，還可發(fā)現(xiàn)當(dāng)分流率處于0.65～0.80之間時(shí)，此時(shí)系統(tǒng)循環(huán)效率在臨近溫度附近呈現(xiàn)出局部峰值，意味著分流率的增加使得循環(huán)效率升高?？偟膩砜矗h(huán)最低溫度在低于臨界溫度時(shí)，分率小幅降低，但循環(huán)效率顯著提升，但在分流率增加至0.95時(shí)，循環(huán)效率會(huì)呈單調(diào)降低的趨勢。而循環(huán)最低溫度高于臨界溫度時(shí)，只有分流率在0.7～0.75之間時(shí)，系統(tǒng)循環(huán)效率才有所提升。

循環(huán)最低溫度除了會(huì)影響系統(tǒng)循環(huán)效率外，也對(duì)總回?zé)崃慨a(chǎn)生影響，具體如圖2所示。觀察圖2可得知，循環(huán)最低溫度對(duì)總回?zé)崃康挠绊戁厔?，基本與循環(huán)效率的影響趨勢一致，這意味著在不改變旋轉(zhuǎn)機(jī)械性能的情況下，系統(tǒng)的效率也取決于系統(tǒng)的回?zé)嵝阅?。通常?duì)高溫回?zé)崞鞒隹跍囟龋话闶强刂圃?55 ℃以下。但考慮有時(shí)系統(tǒng)的回?zé)釡囟炔⒉荒軌蜻_(dá)到這一理想效果，甚至超出這一限制，這使得系統(tǒng)效率受到影響，因此，為了確保系統(tǒng)效率的提升，就需要合理進(jìn)行回?zé)崞骱拖到y(tǒng)運(yùn)行參數(shù)的優(yōu)化。

圖2 不同循環(huán)最低溫度對(duì)總回?zé)崃坑绊懙内厔?/p>

3.2 分流率

通常情況下，不同循環(huán)最低溫度對(duì)應(yīng)不同的最優(yōu)分流率，且最優(yōu)分流率會(huì)隨著最低循環(huán)溫度的上升而變大，這意味著系統(tǒng)循環(huán)效率會(huì)有所降低。主要因?yàn)樵谘h(huán)溫度最低時(shí)，為了減少進(jìn)入主壓縮機(jī)的工質(zhì)，此時(shí)系統(tǒng)會(huì)通過降低分流率的方式完成，如此可促使回?zé)崞骰責(zé)嵝阅苌仙?，進(jìn)而減少鋪壓縮機(jī)的功耗，因此有利于提升系統(tǒng)的性能。而如果循環(huán)最低溫度處于最高溫度時(shí)，就會(huì)增加回?zé)崞鞲邷爻隹谔幍臏囟龋@會(huì)降低系統(tǒng)的回?zé)崃?，此時(shí)就會(huì)增加進(jìn)入鋪壓縮機(jī)的工質(zhì)，從而使得壓縮困難，最終使得系統(tǒng)最佳循環(huán)效率降低[4]。

3.3 循環(huán)流量

在一回路運(yùn)行參數(shù)無限制條件下，系統(tǒng)循環(huán)效率會(huì)隨著循環(huán)工作流量的減小而逐漸增大，這表明了在回?zé)崮芰ο嗟鹊臈l件下，循環(huán)系統(tǒng)運(yùn)行的初始溫度較高。考慮二回系統(tǒng)的運(yùn)行溫度有所限制，其最高溫度限制在525 ℃以下，因此在實(shí)際二回路系統(tǒng)中，會(huì)存有一個(gè)最優(yōu)的運(yùn)行工質(zhì)流量，而當(dāng)這一最優(yōu)工質(zhì)流量的減小，相應(yīng)的系統(tǒng)的循環(huán)效率也會(huì)降低。

3.4 循環(huán)壓力

不同循環(huán)壓力對(duì)應(yīng)不同的分流率，因此會(huì)對(duì)系統(tǒng)循環(huán)效率產(chǎn)生影響。在不改變循環(huán)工作流量的條件下，最優(yōu)分流率會(huì)隨著循環(huán)最大壓力的升高而減小，這是因?yàn)樽畲髩毫Φ纳呤沟没責(zé)崞鲀蓚?cè)的工作壓力差變大，此時(shí)容易引起地傳熱夾點(diǎn)問題。同時(shí)，隨著循環(huán)最大壓力的升高，也會(huì)對(duì)系統(tǒng)循環(huán)效率峰值產(chǎn)生影響，會(huì)呈現(xiàn)出現(xiàn)增加后降低的趨勢，這因?yàn)榉至髀实臏p小使得回?zé)崞鲓A點(diǎn)問題產(chǎn)生，進(jìn)而使得循環(huán)效率難以提升。

4 結(jié)語

文章介紹了CO2跨臨界循環(huán)系統(tǒng)的原理及構(gòu)成，并在此基礎(chǔ)上對(duì)影響該系統(tǒng)效率的因素進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

(1) CO2跨臨界循環(huán)系統(tǒng)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(tǒng)性能的提升，需從這幾個(gè)方面的進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。

(2)在CO2跨臨界循環(huán)系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行中，分流率、循環(huán)溫度等參數(shù)均對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行效率產(chǎn)生影響。其中，在反應(yīng)堆堆型固定時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行的效率主要取決于系統(tǒng)的回?zé)嵝阅?，此時(shí)就需要通過優(yōu)化回?zé)崞鬟\(yùn)行參數(shù)及系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)的方式，來提升系統(tǒng)效率；另外，系統(tǒng)循環(huán)效率也受到工質(zhì)流量大小的影響，主要表現(xiàn)為分流率的增大使得系統(tǒng)最優(yōu)工質(zhì)流量減小，此時(shí)循環(huán)效率會(huì)降低。