中间冷却温差对两级压缩二氧化碳热泵循环性能的影响

马 强,范晓伟,张仙平,王凤坤

(1.中原工学院;2.河南工程学院,郑州 450007)

中间冷却温差对两级压缩二氧化碳热泵循环性能的影响

马 强1,范晓伟1,张仙平2,王凤坤1

(1.中原工学院;2.河南工程学院,郑州 450007)

对两级压缩中间冷却过程对二氧化碳热泵性能的影响进行了热力学分析,讨论了冷却温差对系统制热性能系数和排气温度的影响.在计算参数范围内,随着冷却温差的增加,相比单级压缩循环,两级压缩中间冷却循环制热性能系数的改善小于7.39%,排气温度降低幅度在7～17℃.

二氧化碳;跨临界循环;中间冷却温差

为了保护大气臭氧层和缓解全球日益变暖的气候环境,采用自然工质作为制冷剂是制冷界最终彻底解决该问题的方法.采用二氧化碳作为制冷剂来实现热泵循环的研究受到特别的关注[1].相对于单级压缩循环,采用两级压缩中间冷却是提高CO2跨临界循环系统性能的一种有效方法.Ozaki等[2-3]对CO2两级压缩循环的几种不同系统形式和控制策略进行了研究,分析了不同蒸发温度对系统性能、高压压力和排气温度的影响.杨俊兰等[4]介绍了CO2跨临界循环两级压缩系统的不同形式,比较了不同循环形式的性能系数以及排气温度,并比较了存在最优高压压力时的性能系数.但是,关于冷却温差对系统性能的影响尚未见相关报道.本文建立CO2跨临界循环两级压缩中间冷却热力学模型,与单级压缩进行比较,分析两级压缩中间冷却温差对系统效率和排气温度的影响,为系统设计提供了参考.

1 CO2跨临界循环两级压缩中间冷却热力学模型

CO2跨临界循环两级压缩中间冷却流程和压焓分别如图1、图2所示.单级循环为1-6-2-3-4-5-1,两级压缩中间冷却循环为1-2′-2″-2-3-4-5-1.

为了分析和计算的方便,作出以下假设:

(1)压缩机一级压缩和二级压缩的等熵效率相同;

(2)换热器与环境间无热交换,不计算能量损失和压力损失;

(3)节流前后焓值无变化;

(4)忽略管路及连接件的热量损失和压降.

由图2可得:

单级压缩单位制热量:qhss=h6-h3(1)

两级压缩中间冷却单位制热量:

qhts=(h2-h3)+(h2′-h2″) (2)

单级压缩单位耗功:Wss=h6-h1(3)

两级压缩单位耗功 :Wts=(h2′-h1)+(h2-h2″)(4)

系统制热性能系数:COPh=q h/W (5)

两级压缩中间冷却循环相对单级压缩COPh的提高率:

系统循环最优压力[5]:

公式(8)的适用范围:

其中:下标 1,2′,2″,2,3,6 为状态点;h—焓,制热;evap—蒸发;hss—单级压缩制热;gco—气冷器出口;hts—两级压缩制热;m—中间;sh—过热度.

根据以上理论计算公式和假设条件,对CO2单级循环和两级压缩中间冷却循环进行了计算分析.基于软件 EES(Engineering Equation Solver)[6],编写程序进行热力计算.蒸发温度根据 GB21362-2008标准[7]和文献[8]选定范围,过热度和气冷器出口温度根据文献[4]、[9]、[10]选定参数范围.在确定的气冷器出口温度和蒸发温度下,为使系统达到最大COPh,高压压力选择最优压力.具体参数的选择见表1.

表1 有关参数取值范围

2 计算结果及分析

为了分析不同中间冷却温差下δCOPh和排气温度的变化情况,分别针对不同蒸发温度、气冷器出口温度、压缩机等熵效率和高压压力进行计算.

2.1 中间冷却温差对COPh的影响

图3中实线表示蒸发温度分别为-10℃、0℃、10℃下δCOPh的变化曲线.压缩机等熵效率取0.8,气冷器出口温度为35℃,最优压力按公式(8)计算.可以看出,随着中间冷却温差的增加,δCOPh近似于线性增大,且蒸发温度越高,COPh改善程度越显著,最大改善程度为7.39%.图中虚线表示的是气冷器出口温度在35℃、40℃、45℃情况下δCOPh的变化趋势 ,此时 ,压缩机等熵效率取0.9,蒸发温度为0℃,最优压力同样按公式(8)计算.在不同气冷器出口温度条件下,随着中间冷却温差的增加,δCOPh均呈线性增大趋势,但δCOPh随着气冷器出口温度升高而减小.此组工况范围内,δCOPh小于5.59%.

图3 δCOPh随蒸发温度和气冷器出口温度变化

压缩机等熵效率分别为0.8、0.9、1.0时δCOPh随冷却温差变化的曲线如图4中实线所示,此时蒸发温度取0℃,气冷器出口温度为 35℃,最优压力为8.79 M Pa.显然δCOPh随着中间冷却温差的增大而增大,且等熵效率越高COPh增幅程度越显著,最大增幅为6.48%.图4中虚线表示了高压压力分别在9 M Pa、10 M Pa、11 M Pa下δCOPh的变化关系,计算中压缩机等熵效率取0.9,气冷器出口温度为35℃,蒸发温度为0℃,此工况最优压力为8.79 M Pa.可以看出,高压压力一定时,随着中间冷却温差增大,δCOPh均呈线性增大趋势.其他条件保持不变,COPh改善程度随着高压压力升高而减小,高压压力接近最优压力时δCOPh最大.此组工况范围内,COPh最大改善程度为5.55%.

图4 δCOPh随等熵效率和高压压力变化

2.2 中间冷却温差对排气温度的影响

图5中实线表示了蒸发温度在-10℃、0℃、10℃条件下压缩机二级排气温度随冷却温差的变化曲线.此时,压缩机等熵效率为0.8,气冷器出口温度为35℃,高压压力取不同工况下的最优压力.如图5所示,随着中间冷却温差的增大,排气温度呈线性降低的趋势,蒸发温度越低,排气温度越高.相比单级压缩排气温度,温度降幅最大为17.06℃.虚线列出了气冷器出口温度为35℃、40℃、45℃下排气温度的变化曲线,此时压缩机等熵效率为0.9,蒸发温度为0℃,高压压力取不同工况下的最优压力.可以看出,排气温度随着冷却温差的增大呈线性降低的趋势,气冷器出口温度越高其排气温度越高,相比于单级压缩排气温度,最多降低17.39℃.

图5 t2随蒸发温度和气冷器出口温度的变化

压缩机等熵效率为0.8、0.9、1.0时压缩机二级排气温度的变化趋势如图6中实线所示,此时蒸发温度为 0℃,气冷器出口温度为 35℃,最优压力为8.79 M Pa.如图所示,排气温度随着冷却温差的增大而降低,且压缩机效率越低,排气温度越高.相比单级压缩排气温度,最多降低17.02℃.虚线描述了高压压力为9 M Pa、10 M Pa、11 M Pa下排气温度的变化趋势,此时压缩机等熵效率为0.9,气冷器出口温度为35℃,蒸发温度为0℃,可以看出,排气温度随着冷却温差的增大而降低,高压压力越高,其排气温度越高,和单级压缩排气温度相比,温度降幅最大为17.34℃.

图6 t2随等熵效率和高压压力的变化

可以看出,随着冷却温差的增大,排气温度呈现线性降低的趋势,导致系统放热量降低,但同时COPh增大.因此,应选择合适的冷却温差在保证制热量的同时保持较高的COPh.

3 结 语

在蒸发温度-10～10℃,气冷器出口温度35～45℃,过热度10℃,冷却温差7～15℃,高压压力9～11 M Pa,等熵效率0.8～1.0工况下,分析了中间冷却温差对COPh和压缩机二级排气温度的影响.结果表明:

(1)中间冷却温差对COPh有改善作用,在设定计算参数范围内,最大增量小于7.39%.蒸发温度的提升影响最显著的是δCOPh,其次是等熵效率,影响最小的参数为气冷器出口温度和高压压力;

(2)随着中间冷却温差的增大,压缩机二级排气温度也随之降低,将影响系统温度的要求.

[1] Brow n J S,Yana-Motta S F,Domanski P A.Comparative Analysis of an Antomative Air Conditioning System s Operating w ith CO2and R134a[J].Int.J.Refrig,2002,25(1):19-32.

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[10] 郭贵林,黎立新.跨临界CO2水冷式制冷系统热力学分析[J].制冷与空调,2005,5(3):20-23.

Influence of Intercooling Temperature Difference on Performance of Two-stage Compression CO2 Heat Pump System

M A Qiang1,FAN Xiao-w ei1,ZHANG Xian-ping2,WANG Feng-kun1
(1.Zhangyuan University of Technology;2.Henan Institute of Engineering,Zhengzhou 450007,China)

The contribution of intercoo ling of CO2two-stage comp ression w as analyzed in this paper.The influence of intercooling temperature difference on the heating coefficient of performance(COPh)and discharge temperature w ere discussed.Compared w ith the single-stage comp ression cycle,in the range of calculation parameters,the imp rovement of the COPhof CO2two-stage comp ression w ith intercooling is less than 7.39%.With the increase of intercooling temperature difference,the discharge temperature is declined by 7～17℃.

carbon dioxide;transcritical cycle;intercooling temperature difference

TB61

A

10.3969/j.issn.1671-6906.2010.02.005

1671-6906(2010)02-0020-03

2010-02-17

河南省科技攻关项目(0524440040)

马 强(1982-),男,河南郑州人,硕士.