跨临界CO2循环中过冷强化技术的发展综述

（西安交通大学 能源与动力工程学院，西安 710049）

0 引言

近年来，温室效应加重，人们的环保节能意识逐渐地增强，能源作为国之根本，如何环保地使用能源是大家广泛关注的话题。在这种情景下，自然工质的使用受到各行各界的青睐，其中CO2由于其超低的GWP指数和高安全性能得到广泛使用。使用跨临界CO2热泵供暖时，CO2放热过程具有较大的温度滑移。因此，循环适用于进出口温差较大的热泵热水器系统，能将常温水加热至90 ℃［1-2］。并且系统性能稳定性高，无污染，还可广泛应用于烘干领域。

但是CO2高达7.38 MPa的临界压力，使得跨临界循环运行使用时的运行压力较大、节流损失高，且在超临界区温度与压力完全解耦，因此在高回水温度工况下循环的效率会低于一般的制冷剂系统。因此，如何提高跨临界CO2循环的效率是关键问题。在气体冷却器出口对制冷剂CO2进行过冷处理，以此来降低膨胀阀前的制冷剂温度，从而改善系统COP的做法颇受欢迎。常见的过冷方式可分成3类:（1）在系统循环中增添回热器；（2）使用带经济器的循环；（3）使用双系统循环，在气冷器之后添加辅助制冷循环，从而对制冷剂工质起到过冷效果。本篇综述的主体内容基于近年来的各种研究进展，着重介绍跨临界CO2循环中使用到的过冷方式的发展变化。

1 过冷器结构形式的变化

1.1 带回热器的跨临界CO2循环

回热器就是CO2制冷剂重新回归大众视野后最早实施使用的过冷装置，在气体冷却器的出口添加回热器，使经过气体冷却器之后的高压CO2制冷剂气体和经过蒸发器之后的低温低压制冷剂进行换热，提供过冷，使得膨胀阀进口与出口的制冷剂焓值得以大幅度降低，制冷循环的制冷性能加强。

Lorentzen等指出将回热器用于制冷系统的方法十分便利［3］，制冷剂通过节流装置对制冷剂进行冷却，降低节流损失，以此来增加系统循环的COP。但是，使用回热器也会带来一定的消极影响，如提升了压缩机出口的排气温度。不过相关的实验研究［4-5］明确表明了回热器对跨临界CO2循环的增益性，回热器的特定吸入量减少了制冷剂的质量流率，但是回热器的使用也增加了比制冷量以及降低了最佳工作压力。在一定工况范围内，增益的影响较大，系统循环性能得到提升。

Cavallini等对回热器在跨临界CO2循环中进行过冷首先进行了模拟［6］，使用的循环是带有中间冷却的单级节流循环双级压缩，结果带有回热器的循环的COP值提升了7.6%。在其后期的试验验证当中［5］，实验测量得到了20%的循环性能提升，COP值差异的可能原因是压缩机的吸气温度升高导致的中间冷却器更高的散热。Aprea等［4］试验测量了跨临界CO2制冷机中回热器的影响，与基本循环相比，COP增量在10%左右。Sánchez等［7］测量了带密闭压缩机的循环，测量得到了当使用回热器的时候，循环的COP值最高可增加到6.7%。通过上述研究资料表明，在适宜的工况下，使用回热器均可改善跨临界系统性能，在跨临界CO2循环中使用回热器是值得推崇的。

下面将介绍3种较为经典的带回热器过冷的循环系统（3种不同分布方式回热器的跨临界循环）［8］，将回热器放置在气体冷却器出口、储液罐出口以及使用双回热器。

常规回热器布置形式如图1所示，气体冷却器出口的制冷剂直接与压缩机入口的制冷剂进行换热，使得阀前的制冷剂被冷却，压缩机入口制冷剂吸气过热度提升。2个膨胀阀第一个阀起控制排气压力的作用，第二个阀则用来控制吸气过热度。该循环相比无回热器的循环，系统单位容积制冷量提高，循环的COP增加，系统性能提高。

图1 回热器在气冷器出口的跨临界循环Fig.1 Internal heat exchanger at the exit of gas cooler

对于回热器在储液罐出口的跨临界循环如图2所示，制冷剂工质离开气冷器之后节流进入到储液罐，经过储液罐后，与蒸发器出口的制冷剂气体进行换热被冷却，实现过冷，蒸发器出口吸气过热度增加。

使用双回热器的跨临界CO2系统如图3所示，该循环使用2个回热器，对气冷器出口的制冷剂进行了2次过冷。第1次是在气冷器出口处，气冷器出口的工质与经过第2个回热器的工质进行换热，经过节流装置和储液器后，进入第2个回热器与蒸发器出口的工质进行换热，再次进行过冷。

图3 双回热器系统的跨临界循环Fig.3 Double internal heat exchanger systemx

Sánchez试验测试了不同工况下3种带回热器的跨临界CO2循环系统性能参数［8］。在蒸发温度为5 ℃的工况下，3种带回热器的循环系统COP为1.44，1.38，1.47，相较于基础循环 COP=1.30，双回热器系统的COP提升能达到10.8%。由于双回热器系统进行了2次过冷，过冷效果更好，膨胀阀进口与出口的制冷剂焓值下降更多，系统效益提升更大。但是回热器也使得压缩机的排气温度更高，在Torrella等的实验评估中［9］，在 -15 ℃的蒸发温度下，制冷量的最大增量为12%，而压缩机的排气温度也提升了10 ℃。Cao等试验分析了回热器对跨临界CO2热泵系统的影响［10-11］，从能量角度分析了回热器对热泵系统的影响，在最佳排气压力下COP增长可以达到6.65%，总功耗降低了6.22%。

使用回热器进行过冷是最普遍的过冷方法，也是提高系统性能最简单的方法，回热器的使用已经广泛推广到合理运行条件的系统上。但另一方面，使用回热器进行过冷所获得的过冷度较低，系统性能的增益十分有限。

1.2 带经济器的跨临界CO2循环

在跨临界CO2循环中，还有一种过冷的方法是带经济器的循环，带经济器的循环使用两级压缩并且在循环当中添加经济器。主要形式有2种，在经济器前节流和在经济器之后进行节流。如图4所示，在这个经济器前节流的循环当中，制冷剂经过两级压缩之后进入气冷器，从气冷器出来的制冷剂气流分成两部分，主气流和辅助气流。辅助气流从气冷器出来之后直接进入到膨胀阀节流至中间压力并且在经济器中蒸发吸热，来给制冷剂主气流提供冷量，产生过冷。从而降低阀前焓值、提升制冷量与系统性能。如图5所示，与经济器前节流方法不同的是，该循环中，气冷器出来的制冷剂液体全部获得一定过冷效果后流出经济器，此时的制冷剂分两路，一路经过主回路膨胀阀1节流后进入蒸发器，另一路则经过补气路膨胀阀2节流至中间压力后再进入经济器吸热蒸发，随后经补气口进入压缩机。还有一种带闪蒸罐的跨临界循环如图6所示，高压气体经过气冷器节流至中间压力进入闪蒸罐，从闪蒸罐出来的气体进入到回热器用于冷却从过冷器出来的高压气体，提供过冷，闪蒸罐收集的制冷剂液体进入到第二个回热器，和从蒸发器出来的气体进行换热，实现第二次的过冷，由状态点4变成状态点5，然后被节流到蒸发压力继续参与循环。此类循环由于进行了两次过冷，制冷剂过冷程度较高。

图4 经济器前节流系统Fig.4 The throttling system before the economizer

图5 经济器后节流系统Fig.5 The throttling system after the economizer

Torrella等研究发现，使用这类循环所带来的COP增益取决于经济器的换热器效率和闪蒸罐的效率［12］。较早有关于带经济器循环的研究是Cavallini等的理论研究［6］，他们分析了此类分流循环在制冷目的工况下的性能，模拟研究认为在带有回热器的特定工况下，COP值可以达到3.25。将这类循环与两级循环带中间冷却器和回热器在蒸发器出口的循环进行对比参考，发现带经济器的循环的COP增量可以达到15.2%。接着，Cecchinato等从理论上优化了跨临界条件下的两级分流循环［13］，并且对比了此类循环和其他CO2两级压缩循环在不同的蒸发温度下的性能。结果显示在蒸发温度为4 ℃时，带过冷器的循环会比基本的两级循环COP值提升9.5%，带闪蒸罐的循环COP提升8.9%。当蒸发温度为-30 ℃时，COP的增益更高，均达到了19.4%。Bake等试验测试了不同工况下带经济器的CO2热泵系统性能［14-15］，结果表明，带经济器系统始终比基本循环系统的COP值高出7%以上。系统循环当中工质通过膨胀阀之前的温度和焓值明显降低，通过蒸发器后的焓差增加，带经济器的系统性能明显提高。相比于之前所讲的单一使用回热器的循环，系统性能的提升更大。

在使用带经济器以及闪蒸罐的循环基础上，如何能够得到最优的COP值，往往还取决于其他因素。Baek等从理论和试验上对中间补气的带经济器和闪蒸罐CO2热泵循环进行了相关分析［16］，发现对此类循环，存在最佳气缸容积比0.7。在最佳容积比的条件下，有补气的带闪蒸罐的循环相比于没有补气的循环，制热能力和COP值分别提高了10.4%和6.7%。对于带经济器的循环，压缩机中间补气的循环制热能力和COP值分别提高了18.3%和9.4%。可见，对于此类经济器循环，对压缩机进行补气能提高循环性能。补气对带经济器的循环所带来的增益，还有许多学者进行了相关研究，例如Wang等针对补气压力对经济器制冷循环性能的影响进行实验研究［17］，验证了随着补气压力的变化，系统制冷量存在最优值。相关研究的内容主要集中于补气参数对系统性能的影响［18-20］，如补气压力或者补气孔口的位置，是否存在最优的参数值使得循环系统获得最优COP值。使用带经济器的循环进行过冷是一种较为优化的过冷方式，获得的过冷量较高，COP值提升较为明显，并且过冷量也易于调节。

1.3 双系统过冷

使用辅助循环来帮助主循环中的制冷剂过冷是这几年所研究的较为热门的过冷方式，通过在气冷器或者冷凝器之后添加一个辅助系统来给制冷剂提供过冷度，在本文称之为双系统过冷，其方式诸如添加热电模块、常规的蒸气压缩循环以及其他循环，都能发挥良好的过冷作用，使循环的性能效益提高。

在气冷器出口进行过冷可以使用热电模块进行，使用热电元件进行过冷的优点是其在冷热表面的低温差下运行，能够表现出高性能，并且是一种容易利用膨胀过程回收能量的机制［21］。如图7所示，通过在气体冷却器之后添加一个热电模块来实现对气冷器出口的制冷剂气体进行过冷，提供过冷度。2008年，Radermacher团队首次就跨临界CO2循环中热电模块过冷的影响进行研究［27］，将热电模块集成到循环系统的过冷器当中。热电模块过冷改善了循环性能，与基本循环相比COP增量达到了15%，并且提高了系统容量。Sarkar从理论上模拟分析了带热电模块的CO2热泵系统［28］，热电过冷器在气冷器后进一步冷却制冷剂，可以使得循环在特定工况下COP值增益达到20%以上，最优排气压力降低在15%以上。

图7 带热电模块的循环系统Fig.7 The cycle system with thermoelectric module

跨临界CO2循环系统常用的过冷方式还有机械过冷，如图8所示，在气冷器之后添加一个蒸气压缩循环，利用循环的制冷效果来对经过气冷器的制冷剂气体进行过冷，达到提升循环性能的目的。相比于添加热电模块，能达到更良好的过冷效果。

图8 带辅助蒸气压缩循环的循环系统Fig.8 The cycle system with auxiliary vapor compression cycle

此类过冷方式在跨临界CO2循环系统中的理论研究在2015年由Hafner等首次提出［29］，他们对R290辅助系统在跨临界CO2循环系统中的性能提升进行了模拟分析。随后Llopis等对R290辅助系统的跨临界CO2循环进行了实验研究［30］，结果显示循环的COP和制冷量增量最大能达到20%和28.8%，气冷器出口的温度越高，加入过冷器后的性能提升程度就越明显。系统的最优排气压力出现了较为明显的降低，有利于系统安全。虽然机械过冷方式需要额外的辅助循环，但是其提供过冷度的方式更容易完成，可行性高。此外，Llopis团队还试验研究了集成式机械过冷跨临界CO2循环的最佳工况［24］，得到环境温度为 25，30.4，35.1 ℃以及蒸发温度介于-15.6，-4.1 ℃之间的最优工况，在特定工况下达到系统的最优COP。

2019年Llopis团队提出一种配备热电模块的新型过冷系统［31］，并构建计算模型进行系统性能分析。在最佳工况下，与基本的循环系统相比使用20个热电模块可以提升系统COP19.7%。如果与带有内部换热器的循环相比，COP的提升值为12.2%。如果能够在一定程度上改进热电模块的制冷系统，那过冷程度将会得到加强，预计能使得COP值提升24%，并且增加33.3%的制冷能力。深入分析热电模块的和跨临界CO2循环的组合来优化工作条件，这对系统过冷强化技术的发展带来新的思路。

在辅助循环所使用的制冷剂方面，也有学者进行了相应的研究，研究不同制冷剂在并行系统中的影响。Llopis等研究比较了5种不同工质的过冷系统［32］，指出5种情况下系统整体的COP并没有太大差别，这种情况也反应出在整个系统中，辅助循环功耗的占比并不大，只占据着较小一部分的能量产出。这也在一定程度上体现了此类并行系统的可靠性和经济性，辅助循环的增加并不会使得总能耗变化太大。Dai等也试验研究了在机械过冷当中使用不同制冷剂对系统性能的影响［33］，作为机械过冷的制冷剂，相同的特定工况下使用R717可获得最佳效果，系统COP为2.85，而R41效果最差，COP值为2.67，差距仅有6.7%。因此，辅助循环中不同制冷剂对系统性能的影响差距并不大。

除单一制冷剂外，Dai等还提出了一种非共沸混合工质机械过冷跨临界CO2循环［34］。在蒸发温度为-40 ℃、环境温度为35 ℃时，使用R32/R152a（40/60）辅助循环COP可提升46%，CO2排气压力可降低2.758 MPa。因此，当选取合理温度滑移的混合工质作为辅助循环的制冷剂时，能明显提高整体循环的性能，降低排气压力。在温暖和炎热的气候地区及冷冻冷藏等低温应用领域，采用非共沸混合制冷剂机械过冷跨临界CO2制冷循环整体性能的提升更加显著。

不仅限于基本的并行系统，Song从理论上和试验上研究了一种新型R134a和跨临界CO2的组合系统［35-38］。如图9所示，采用一个亚临界R134a制冷循环作为并行系统的辅助过冷器，间接耦合在主路的气体冷却器出口，使用R134a循环中的蒸发器与经过气体冷却器之后待冷却的CO2间接换热的方式来达到过冷效果。与其他循环不同的一点是，该过冷的方法并没有使辅助循环与主循环直接进行换热，而是利用循环水作为一种中间介质来进行换热在辅助循环提供过冷度的情况下，CO2工质膨胀前的状态点左移，整个系统的制热量和制冷量都得到了显著提高，极大地改善了跨临界CO2循环在此高回水温度工作条件下的性能。Song等试验测试了不同工况下R134a组合系统性能［39］，在进回水温度为50/70 ℃的情况下，相比于标准系统COP提升可达32%，制热能力也大幅度提升。将R134a蒸气压缩制冷循环用于辅助过冷循环是十分具有潜力的方式，可保证辅助循环的蒸发温度在10℃以上。

图9 带R134a过冷器的并行式跨临界CO2热泵系统Fig.9 Parallel transcritical CO2 heat pump system with R134a subcooler

2 过冷强化技术发展分析

图10示出了跨临界CO2循环系统中过冷强化技术的发展变化。从添加回热器到使用经济器进行过冷，发展到如今很常用的并联系统，跨临界CO2循环中的过冷强化技术结构逐渐由简单变向复杂变化。在系统循环当中添加回热器是简单易行的方法，在1993年被首次提出使用于制冷系统，后经研究被验证能够提高跨临界CO2系统性能，在最佳工况下COP增值能够达到10%以上，也成为了最普遍的过冷方式。除了添加回热器之外，使用经济器进行过冷的研究也从2005年开始逐渐增加，经过几年的研究发展也证实了添加经济器是良好的过冷方式，提高跨临界CO2系统性能。添加经济器的方法受到广泛使用，而不是单一地使用回热器。2008年，Radermacher团队提出了在跨临界CO2循环系统中使用热电模块过冷，将过冷方法推向一种使用辅助模块的新模式。短短几年的时间内，Llopis团队提出了带辅助循环的跨临界CO2循环机械过冷系统模型并进行了试验验证，COP的增益可以达到20%以上，相比于使用热电模块效率更高，可靠性更强。在此基础上，许多学者也开始研究双系统过冷方式，如新型的跨临界CO2组合系统。使用辅助循环的双系统过冷方式在结构上虽然最为复杂，但结构最为稳定，系统性能良好。

图10 跨临界CO2系统过冷强化技术研究示意Fig.10 Schematic diagram of development of subcooling enhancement technology for transcritical CO2 system

3 结语

在气冷器出口对CO2制冷剂进行过冷能够降低膨胀阀进口与出口制冷剂的焓值，进而提高跨临界CO2循环系统性能。过冷方式有使用回热器、经济器以及双系统过冷，3种强化方式都能提升系统的COP，提高系统整体性能。

使用回热器是最基本的过冷方式，单一使用回热器进行过冷就可以提升系统COP达到10%。但同时也会提高排气温度，降低压缩机的可靠性。相比于单一使用回热器，使用经济器以及机械过冷方式能够带来更大的系统增益。在特定工况下使用热电模块进行过冷，COP在最佳情况下也能提升至25.6%。而使用辅助循环以及新型组合系统柜可以使得系统循环的COP提升28.8%及以上，并且提升系统可靠性，可行性更高。对于辅助循环当中所使用的制冷剂工质，尤其是混合物制冷剂，以及系统最优工况的优化则有待进一步研究。