梯级吸排气循环理论及应用

曹祥 张春路

(1 同济大学机械工程博士后流动站 上海 201804；2 同济大学机械与能源工程学院制冷与低温工程研究所 上海 201804)

蒸气压缩式制冷/热泵装置被广泛应用于生产生活的各个领域，其能耗问题愈发受到关注，我国对进一步提升制冷/热泵装置能效已制定了明确的规划[1]。减少热力过程中的不可逆损失是提升能效的关键，蒸气压缩制冷/热泵循环中不可逆损失主要存在于非等熵压缩、节流以及蒸发器与冷凝器的温差传热过程中[2]。

一方面，现有多种技术方案可减少压缩和节流过程不可逆损失，例如使用膨胀机[3]和喷射器[4]替代传统的节流部件；也可以通过循环改进，使用中间补气[5]、强化过冷[6]等措施，提高循环能效。

另一方面，降低蒸发器与冷凝器传热过程的不可逆损失主要通过提升传热能力和改善温差场两种方法实现。通过增加换热面积和强化传热[7－8]等措施可改善蒸发器与冷凝器传热能力，从而在整体上缩小传热温差。但传热损失不仅与传热温差有关，还与温差分布的均匀性相关。理论上来说换热器的传热温差场越均匀，传热效率越高[9]。目前，蒸气压缩式制冷/热泵装置大多工作在变温热源条件下，即被冷却或加热的换热流体(例如空气和水)温度将随传热过程变化。在变温热源条件下，最高效的循环是洛伦兹循环[10]。对于实际的蒸气压缩制冷/热泵循环，理论上使用具有温度滑移特性的非共沸工质有助于改善蒸发器与冷凝器温差场均匀性、提升能效[11]。然而，非共沸工质存在温度滑移范围有限[12]、传热系数低[13]、制冷剂泄漏会发生组分滑移[14]等问题，因此在实际产品设计中仍以纯工质和近共沸工质为主。

通过改进循环结构同样可以降低变温热源条件下蒸发器与冷凝器的传热损失，例如梯级吸排气循环[15]，原理图如图1所示。通过设置数个具有一定梯度的吸排气压力，在对换热流体进行多级冷却或加热过程中，实现制冷剂温度对热源温度梯形逼近的制冷热泵循环。

图1 梯级吸排气循环原理Fig.1 Principle of stepped pressure cycle

本研究团队对梯级吸排气循环进行了全面研究，发现该循环节能潜力大，但实际节能效果受多种因素影响。因此本文将对梯级吸排气循环理论进行深入剖析，并结合应用实例展示节能效果。

1 梯级吸排气循环节能原理

洛伦兹循环作为变温热源条件下效率最高的制冷循环，可视作由无数个不同蒸发温度和冷凝温度的逆卡诺循环复合而成。梯级吸排气循环正是受该思路的启发，理论上可以通过构造无数组实际制冷循环，实现制冷剂温度对换热流体温度的梯形逼近。梯级吸排气循环在理论上已被证明其极限效率与洛伦兹循环相等[16]。

对于实际制冷热泵系统，受限于非等熵压缩节流过程和蒸发器与冷凝器换热面积等条件，无法达到上述理论循环效率，但梯级吸排气循环仍具备较大节能潜力。图2所示的计算结果表明，在不增加换热面积的条件下，采用双级吸排气循环风冷空调器的制冷COP 可提升约13%；采用更多级数的吸排气压力，COP 提升可达30%。这是由于梯级吸排气循环不仅减小了蒸发器与冷凝器的传热损失，还使各个子循环的压比减小，压缩和节流过程的不可逆损失由此下降。例如在上述算例中，采用双级吸排气循环后，蒸发器与冷凝器的传热损失下降约14%，压缩和节流过程损失也分别减少7.3%和12.4%。

图2 梯级吸排气循环提升风冷空调器能效的潜力[15]Fig.2 Cooling COP improvement of air-conditioner using stepped pressure cycle[15]

2 梯级吸排气循环节能适用性

实际系统由于空间受限等问题，蒸发器与冷凝器换热面积不易增加。根据传热学原理，如果换热器的换热单元数和换热量相等，平均传热温差也必然相同。如图3所示，当制冷热泵系统通过梯级吸气形成高蒸发温度Te2时，也会相应形成低蒸发温度Te1，以维持平均传热温差和制冷量不变，梯级排气冷凝温度变化与之类似。高蒸发温度和低冷凝温度对提高循环COP 有利，而低蒸发温度和高冷凝温度则会降低循环效率。因此，本节将深入分析有限换热面积条件下梯级吸排气循环的节能适用性。

图3 蒸发器内制冷剂与换热流体的温度关系Fig.3 Temperature profiles in evaporators

本节以额定制冷能力3.5 kW 的房间空调器为例进行计算和循环对比分析，具体工况参数设定如表1所示。所用的计算模型中，换热器采用基于对数平均温差法(LMTD)模型，压缩机采用等熵效率模型，节流过程为等焓节流，详细说明参考文献[15]。

表1 循环分析工况参数设定Tab.1 Conditions for cycle performance comparison

2.1 换热流体条件

换热流体条件是梯级吸排气循环能否适用的决定性因素，尤其是换热流体温度变化幅度。图4所示计算结果是在换热流体出蒸发器温度不变，仅改变其进出口间温度变化幅度条件下获得的，同时假设蒸发器出口制冷剂状态为饱和气体。由于简单循环蒸发温度必须低于换热流体出口温度，因而换热流体的温度变化幅度对其蒸发温度和COP 影响较小。具备相同蒸发器面积的双吸单排循环制冷COP 在不断提高，相对简单循环的制冷COP 提升幅度从1.26%上升至15.7%。这是由于双级吸气循环的高蒸发温度Te2随换热流体温差增大而显著上升，但低蒸发温度Te1下降较少。从传热角度分析，换热流体温度变化幅度越大时，蒸发器内的传热温差分布越不均匀、可改善空间越大。因此在换热流体温度变化幅度较大的应用场景梯级吸排气循环更具节能优势。

图4 蒸发器换热流体温度变化幅度对循环性能的影响Fig.4 Effect of HTF temperature glide in evaporator on cycles performance

2.2 制冷系统结构参数

制冷系统结构参数是影响梯级吸排气循环节能效果的关键因素之一，例如蒸发器与冷凝器的传热能力越强，梯级吸排气循环节能效果越显著。

如图5所示，在相同工况条件下，随着蒸发器换热面积增大，采用双级吸气的制冷循环节能效果不断增强，较简单循环的COP 提升幅度从2.5%升至9.2%。这是由于换热能力强的蒸发器进口温差大、出口温差小，整体的换热温差场均匀性差，所以梯级吸气改善温差场均匀性的效果显著。相反，当蒸发器与冷凝器传热能力较差时，换热器各处的传热温差都很大，虽然传热不可逆损失很大但温差场均匀性尚可，因而梯级吸排气循环节能效果较差。

图5 蒸发器换热面积对循环性能的影响Fig.5 Effect of evaporating heat transfer area on cycles performance

研究表明不同子循环之间的匹配优化对梯级吸排气的节能效果十分重要。例如，当各子循环的换热面积分配与所承担的换热负荷比例一致时，节能效果最显著[15]，因而不同子循环之间的压缩机排量比例也有相应的最优值[17]。总体上，当相关结构参数的匹配优化遵循温差场均匀性最佳的原则时，梯级吸排气循环的节能效果最优。

2.3 制冷循环设计参数

循环设计参数是影响梯级吸排气的节能效果另一重要因素，例如冷凝器过冷度(冷凝器出口制冷剂温度与其饱和温度之差)。

图6所示的计算结果表明，适当的过冷有利于提高循环COP，对于梯级排气同样存在一个最优的过冷度使循环COP 最大。然而，过冷度太大会损害梯级排气循环相对于简单循环的能效优势，甚至出现梯级排气循环的COP 低于简单循环的情况。这是因为大过冷度使双级排气的低冷凝温度Tc1显著上升，接近于简单循环冷凝温度Tc0，同时，高冷凝温度Tc2远高于Tc0(图7)。因此，梯级排气循环宜设计较小的过冷度。

图6 冷凝器过冷度对循环性能的影响Fig.6 Effect of subcooling on cycles performance

图7 过冷度10 ℃时的冷凝器换热过程Fig.7 Temperature profiles in condenser with 10 ℃subcooling

同理较大的蒸发器过热度会影响梯级吸气循环的节能效果，相关理论计算和实验研究参见文献[18]。

3 梯级吸排气循环应用案例

目前，梯级吸排气循环已有多个应用案例，均取得较好的节能效果。同时循环核心部件——具有多吸排气压力的新型压缩机也进入了样机实验阶段。

Zhang Ziyang 等[19]在直膨式全新风除湿机中采用了包括双级吸气在内的多种节能技术，将其名义工况下系统实测制冷COP 提升至5.42(图8)。由于新风除湿机蒸发器的空气进出温差超过23 ℃，因此非常适合通过梯级吸气技术提升能效。模拟结果表明，双级吸气技术使制冷循环COP 提升了10.4%。

图8 基于双级吸气的直膨式高效新风机系统原理Fig.8 Principle of direct expansion outdoor air dehumidifier based on dual-suction pressure cycle

Wang Lei 等[20－21]使用梯级吸排气技术有效提升了排风热回收型新风机的能效。实验结果显示，采用双级和三级吸排气循环可使COP 提升17.1%和34.4%。Liu Hua 等[22]采用螺杆压缩机的双级吸排气热泵系统制取热水，当热水侧进出水温度为30 ℃/60 ℃时，系统实测制热COP 达6.93，较简单循环提升约9%。T.Ito 等[23]将两台风冷模块冷水机组的水路串联，形成了双吸气压力，使冷水系统的能效提升了2.2%～3%。李伟钊等[24]实验了一种复合热管的四级吸排气热泵闭式干燥系统，系统的除湿能效比达到了3.75 kg/kWh，节能减排效果显著。

实践梯级吸排气循环，一个重要的前提条件是压缩机能提供多个不同的吸排气压力。对于大型的制冷热泵系统，可通过并联使用多台压缩机实现；而空间紧凑的系统，则需要使用具有多吸排气压力的新型压缩机，例如Zhang Ziyang 等[19]使用的双吸单排压缩机以及Wang Lei 等[21]设计的双吸双排压缩机。

图9 具有多吸排气压力的新型压缩机Fig.9 Novel compressors with multiple discharge and suction pressures

4 结论

本文深入分析了梯级吸排气循环的基本原理及节能性，对现有应用研究成果进行分析，得到了如下结论:

1)对于实际制冷/热泵装置，梯级吸排气循环可以有效降低蒸发器与冷凝器的传热不可逆损失和循环压比，节能潜力大。

2)梯级吸排气循环节能性受换热流体条件、制冷系统结构参数和制冷循环设计参数的影响。在换热流体温度变化幅度较大、蒸发器与冷凝器传热能力强、冷凝器出口过冷度小等条件下，梯级吸排气循环的节能效果较好。

3)目前，梯级吸排气循环的节能效果已在新风处理、冷热水机组、热泵烘干等领域得到验证及应用，具有多吸排气压力的压缩机也正在实验中。