CO2/R290制冷热泵双效系统的性能优化

天津商业大学天津市制冷技术重点实验室 宁静红 李慧宇 彭 苗

0 引言

当代环境危机和自然资源危机严重危害着人类健康和生态环境。回归自然，开发高效、绿色环保空调制冷系统已成为当前国际社会共同关注的问题。开展自然工质替代的理论和应用研究，不仅是全球环境保护的需要，对我国制冷和空调行业来说，也是机遇和挑战，应积极开发拥有自主知识产权的产品和设备，为构建低碳经济、和谐社会做出贡献。

自然界天然存在的物质CO2(ODP＝0，GWP＝1)；具有优良的经济性，良好的安全性和化学稳定性；适应各种润滑油及常用机械零部件材料，高温下不会分解产生有害气体；CO2的冷却潜热较大、单位容积制热高、运动粘度低、导热系数高、液体密度和蒸汽密度的比值小，CO2节流后各回路间制冷剂的分配较均匀；CO2优良的流动和传热特性，使整个系统结构紧凑，系统的初投资少。CO2跨临界循环气体冷却器所具有的较高排气温度和较大的温度滑移和冷却介质的温升过程相匹配，使其在热泵循环方面具有其它工质亚临界循环等温冷凝过程无法比拟的优势。挪威SINTEF研究所P.Neksa,J.Petterson等人[1]对热泵热水器的特性进行的分析研究表明，CO2热泵热水器不仅具有较高的供热系数，而且系统结构紧凑，生产的热水温度高。我国天津大学热能研究所也于2000年建立起我国第一台CO2跨临界热泵循环实验台，并对提高CO2跨临界循环的性能进行研究[2]。E.L.Schmidt等人对CO2热泵在干燥方面应用的可行性进行了分析与讨论[3]。据统计，日本市场已有16种不同类型的CO2热泵热水器[4]。Jorn Stene[5]设计了与温度滑移相匹配的三段逆流式气体冷却器的CO2热泵系统。

R290（丙烷）价格低廉，ODP＝0，GWP 很小，不需要合成，与普通润滑油和机械结构材料具有兼容性，不改变自然界碳氢化合物的含量，对温室效应没有直接影响；丙烷的单位容积制冷量较大，丙烷的主要物理性质如标准沸点、凝固点、临界温度、临界压力等参数与R22极其相近，可采用R22系统，可以不对原机和生产线进行改造，直接灌装丙烷，属于直接替代物。E.Halimic等人[6]对蒸气压缩制冷循环用R401A,R290和R134a制冷工质的热力性能进行分析，得到R290表现出良好的性能。Mahmoud Ghodbane[7]对汽车空调中使用R290替代制冷剂R134a进行了研究，得出R290汽车空调系统较R134a汽车空调系统的性能有所改善。

Kaushik[8]等研究得出制冷循环内部的不可逆性比外部的不可逆性更为明显，在相同的工况下，复叠式制冷循环较单级制冷循环的能效比高。Sarkal et al[9]提出同时制冷与供热的CO2/NH3复叠式制冷热泵系统。Souvik等人[10]对同时制冷与供热的CO2/R290复叠式制冷热泵系统进行优化研究，系统中CO2用于高温循环，R290为低温循环，提出系统达到最优运行性能的中间温度与压力参数，并分析了制冷与供热空间温度、换热器的传热温差、高低温循环的性能等对CO2/R290复叠式制冷热泵系统性能的影响。本文对高温循环为CO2跨临界循环，低温循环为R290亚临界循环的复叠式系统进行分析，对自然工质CO2/R290复叠式制冷热泵系统的性能优化进行研究，为开发同时制冷的自然工质CO2/R290复叠式热泵系统提供理论基础。

1 CO2/R290复叠式系统

在热泵系统的循环中，冷却介质吸收高温高压的气体工质散发的热量，为环境空间供暖或提供生活热水，而低温低压的液体工质吸收的热量由水源或空气源提供，被降温的水或空气没有得到充分的利用；而在制冷系统的循环中，低温低压的液体工质吸收被冷却空间或冷却介质的热量，用于物品的冷冻冷藏等需制冷负荷的环境空间，高温高压气体工质散发的热量由冷却水或空气带走，散发到大气中，造成对环境空间的废热污染，同时，冷却水循环需要设置冷却水塔，冷却空气需设置强制对流冷风机等。如果将制热和制冷系统叠加，构成一个复叠式循环，在提供热负荷为环境空间供暖或提供生活热水的同时，提供冷负荷满足制冷空间的需要，可以减少设备的投资，降低能量消耗，减少对环境的污染，提高系统的性能。

高温循环为CO2跨临界循环热泵，CO2在气体冷却器中与冷却介质进行热交换，冷却降温的同时提供热负荷；低温循环为R290亚临界循环，R290在蒸发器中吸收被冷却介质（冷却空间）放出的热量，蒸发沸腾的同时提供冷负荷，CO2和R290在热交换器中进行热量交换，叠加成自然工质CO2/R290复叠式循环系统，可以为需要冷、热源的不同环境空间，提供热源的同时提供冷源，满足-40℃到60℃范围的温度要求，提高单一制冷或供热系统的性能。

如图1所示的是在CO2高温循环和R290低温循环设置经济器(economical heat exchanger,简称EHE)的CO2/R290复叠式制冷循环图。图2是带经济器的CO2/R290循环的T-S图。自气体冷却器来的CO2气体分成两支流，一支流经节流阀，压力降至中间压力，流入经济器，在经济器的盘管外，与另一支直接流入经济器盘管内的CO2气体进行热交换，吸收高温气体的热量，成为过热蒸气，进入CO2压缩机的补气口。同时，未经节流的CO2气体过冷，焓值降低，制冷量增加。自冷凝蒸发器来的R290液体分成两支流，一支R290液体流经节流阀，压力降至中间压力，成为低温两相流体，流入经济器，在经济器的盘管外，与另一支直接流入经济器盘管内的R290液体进行热交换，吸收高温液体的热量，成为过热蒸气，进入R290压缩机的补气口。同时，未经节流的R290液体过冷，焓值降低，制冷量增加。

图3所示的是在CO2高温循环和R290低温循环设置内部热交换器（Internalheat exchanger,简称IHE）的CO2/R290复叠式制冷循环图，图4是设内部热交换器CO2/R290循环的T-S图。在CO2高温循环中来自冷凝蒸发器的CO2气体，在进入压缩机前先经过内部热交换器，在内部热交换器中与来自气体冷却器的CO2气体进行热量交换，使CO2气体进一步过冷，过冷的CO2气体经过节流阀后焓值降低，CO2在冷凝蒸发器中吸收的热量增加。来自R290蒸发器的低温气体，在进入压缩机前先经过内部热交换器，在内部热交换器中与来自冷凝蒸发器的R290液体进行热量交换，使R290液体过冷，过冷的R290液体经过节流阀后其焓值降低，使R290在蒸发器中吸收的热量增加，R290循环的制冷量增加。

2 热力性能计算

对高、低温循环压缩机的效率为70%，R290循环的蒸发温度-40℃，制冷量为3kW,CO2气体冷却器的出口温度为40℃，气体冷却器的高压压力为10MPa,冷凝蒸发器的传热温差为5℃的CO2/R290复叠式制冷热泵循环系统进行热力计算。

CO2气体冷却器的热负荷为：

式中：QK——CO2气体冷却器的热负荷（kW）；

mH——CO2循环制冷剂的质量流量（kg/s）；

h4H——CO2气体冷却器入口的焓值(kJ/kg)；

h5H——CO2气体冷却器出口的焓值(kJ/kg)。

R290蒸发器的热负荷为：

式中：Q0——R290蒸发器的热负荷（kW）；

mL——R290循环制冷剂的质量流量（kg/s）；

h1L——R290蒸发器出口的焓值(kJ/kg)；

h8L——R290蒸发器入口的焓值(kJ/kg)。

CO2/R290复叠式制冷热泵循环的性能系数为：

式中：NH-CO2高温循环压缩机的功率消耗，kW；

NL-R290低温循环压缩机的功率消耗，kW。

2.1 设置经济器的循环

高温循环经济器的热平衡方程为：

式中：m6H——CO2循环流经节流阀进入经济器的制冷剂质量流量（kg/s）；

h3H——压缩机补气后的焓值(kJ/kg)；

m1H——循环未流经节流阀进入经济器的制冷剂质量流量（kg/s）；

h2H——压缩机补气前的焓值(kJ/kg)；

h7H——CO2循环未流经节流阀进入经济器的制冷剂过冷后的焓值(kJ/kg)。

低温循环经济器的热平衡方程为：

式中：m6L——R290循环流经节流阀进入经济器的制冷剂质量流量（kg/s）；

h3L——R290压缩机补气后的焓值(kJ/kg)；

h5L——冷凝蒸发器出口的R290液体的焓值(kJ/kg)；

m1L——R290循环未流经节流阀进入经济器的制冷剂质量流量（kg/s）；

h2L——R290压缩机补气前的焓值(kJ/kg)；

h7L——R290循环未流经节流阀进入经济器的制冷剂过冷后的焓值(kJ/kg)。

2.2 设置内部热交换器的循环

高温循环热交换器的热平衡方程为：

式中：h1H——CO2压缩机入口的焓值(kJ/kg)；

低温循环热交换器的热平衡方程为：

高温循环CO2流体的过冷度为：

式中：△tH——高温循环CO2流体的过冷度（℃）。

低温循环R290液体的过冷度为：

式中：△tL——低温循环R290流体的过冷度（℃）。

2.3 性能分析

图5中所示的是CO2高温循环和R290低温循环分别设有经济器的CO2/R290复叠式循环的COP随R290低温循环冷凝温度的变化关系。1是CO2高温循环和R290低温循环均不设有经济器的CO2/R290复叠式循环；2是CO2高温循环设有经济器、R290低温循环不设经济的CO2/R290复叠式循环；3是CO2高温循环不设经济器、R290低温循环设有经济器的CO2/R290复叠式循环；4是CO2高温循环和R290低温循环均设有经济器的CO2/R290复叠式循环。可以看出，随着R290低温循环冷凝温度的变化，1循环的COP存在最大值；2循环的COP没有明显的变化；3循环的COP随R290低温循环冷凝温度的升高而有所增加；4循环的COP随R290低温循环冷凝温度的升高也略有增加。并且，2循环较1循环的COP增大，3循环较2循环的COP增大，4循环较3循环的COP又有所增大。

由此得出，R290低温循环或CO2高温循环设置经济器，均使CO2/R290复叠式循环的COP增大。但是，在CO2高温循环设置经济器，CO2/R290复叠式循环没有明显的最佳运行工况，且其性能不如在R290低温循环设置经济器的CO2/R290复叠式循环COP增大的效果明显。而CO2高温循环和R290低温循环均设置经济器使CO2/R290复叠式循环的COP增大的更为明显。

图6中所示的是CO2高温循环和R290低温循环分别设有内部热交换器的CO2/R290复叠式循环的COP随R290低温循环冷凝温度的变化关系。1是CO2高温循环和R290低温循环均无过冷；2是CO2高温循环无过冷，R290低温循环过冷度为 8℃；3是CO2高温循环过冷度为8℃，R290低温循环无过冷；4是CO2高温循环过冷度为8℃，R290低温循环过冷度为8℃。可以看出，随着R290低温循环冷凝温度的变化，CO2/R290复叠式循环存在最大的COP，获得最大COP时对应的R290低温循环冷凝温度为最佳冷凝温度。2循环较1循环的COP增加，3循环较2循环的COP增加，4循环较3循环的COP又有明显的增大，由此看出，R290低温循环或CO2高温循环设置内部热交换器，均使CO2/R290复叠式循环的COP增大。但是，相同的过冷度下，CO2高温循环设置内部热交换器较R290低温循环设置内部热交换器，使CO2/R290复叠式循环COP增大的效果明显。而CO2高温循环和R290低温循环均设置内部热交换器，高温循环和低温循环同时过冷，使CO2/R290复叠式循环的COP增大的更为明显。

图7中a所示的是CO2高温循环和R290低温循环均设置内部热交换器，CO2高温循环和R290低温循环过冷8℃的复叠式循环的COP随R290循环冷凝温度的变化曲线，b所示的是CO2高温循环和R290低温循环均带经济器的复叠式循环的COP随R290循环冷凝温度的变化曲线。图8中a所示的是CO2高温循环和R290低温循环均设置内部热交换器，CO2高温循环和R290低温循环过冷8℃的复叠式循环的制热量随R290循环冷凝温度的变化曲线，b所示的是CO2高温循环和R290低温循环均带经济器的复叠式循环的制热量随R290循环冷凝温度的变化曲线。

可以看出，在相同的R290循环冷凝温度下，CO2高温循环和R290低温循环均带经济器的复叠式循环较CO2高温循环和R290低温循环均带内部热交换器的复叠式循环的COP和制热量都有明显的增大。如果增加CO2高温循环和R290低温循环过冷度，需增加内部热交换器的换热面积，造成设备的外形尺寸加大、耗材增多、投资增加。因此，相比之下，CO2高温循环和R290低温循环均带经济器的CO2/R290复叠式循环的性能好、耗材少、投资小。目前，市场上已经有带经济器的螺杆式制冷压缩机产品，可研制开发带经济器的涡旋式制冷压缩机产品，涡旋式制冷压缩机所具有的优良性能，对于高效节能的CO2/R290制冷热泵双效系统的实际应用有很好的推动作用。

3 结论

1）R290低温循环或CO2高温循环设置经济器，均使CO2/R290复叠式循环的COP增大，CO2高温循环和R290低温循环均设置经济器使CO2/R290复叠式循环的COP增大得更为明显。

2）290低温循环或CO2高温循环设置内部热交换器，均使CO2/R290复叠式循环的COP增大，而CO2高温循环和R290低温循环均设置内部热交换器，使CO2/R290复叠式循环的COP增大得更为明显。

3）CO2高温循环和R290低温循环均带经济器的CO2/R290复叠式循环较CO2高温循环和R290低温循环均带内部热交换器的复叠式循环的性能好、耗材少、投资小。

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