二氧化碳跨临界循环系统性能的影响因素

徐希爱，张晶，孙承良(山东神舟制冷设备有限公司，山东 济南 250200)

0 引言

在经济快速发展的背景下，环境问题日益突出，尤其是臭氧层破坏、全球气候变暖越发严峻，人们也因此更加关注节能环保。随着制冷技术的发展，制冷系统、空调及热泵系统产品运用越来越广泛，虽然给人们的生产生活带来许多便利，但也带来了巨大的能耗及系列环境问题，如：在能耗方面，民用建筑中的空调能耗越来越大；冷库由于需要较低的温度，使得制冷系统能耗更大。而在环境方面，由于人工合成的制冷剂普遍具有较高的全球变暖潜能值GWP和臭氧消耗潜能值ODP，容易引起严重的环境问题。

二氧化碳跨临界循环系统是基于布雷顿循环原理的基础上进行的能量转换。二氧化碳是制冷剂中非常环保的纯天然制冷剂，其全球变暖潜能值GWP仅为1，臭氧消耗潜能值ODP则为0，同时还具有无毒、不可燃、单位容积制冷量大、来源广泛等优势。因此，二氧化碳制冷剂引起了人们的关注和重视。尤其是随着我国制造技术水平的提高，二氧化碳制冷系统发展迅速，更是掀起了关于二氧化碳跨临界循环系统研究的热潮，该系统具有结构紧凑、成本低、高效率等优势，因此被认为是新能源领域最具有应用前景的能量转化系统。

二氧化碳跨临界循环系统的循环过程主要由压缩机、气体冷却器、膨胀阀和蒸发组成，目前对于二氧化碳跨临界循环系统性能的研究，大多数是从这几个构成要素分析，如为了提高压缩机的进气温度，并降低气体冷却器出来的二氧化碳制冷剂温度，在系统中增设了回热器，使得制热和制冷性能均有了显著的提升[1]。但由于目前对于循环系统的研究仅停留在各参数的定性分析上，缺乏实际性的指导作用。基于此，本文在这些研究的基础上，具体从温度、流量、压力等方面，通过建立相应的数学模型，探讨关于二氧化碳临界循环系统性能的影响。

1 二氧化碳跨临界循环系统原理及构成

CO2跨临界循环系统主要由CO2制冷循环系统、冷冻水循环系统、冷却水循环系统及数据采集控制系统四个部分组成。

1.1 压缩机

压缩机是循环系统的核心所在，直接影响整个制冷系统的运行效率及稳定性，且影响非常大。由于CO2跨临界制冷循环系统的压力较高，且压差较大，因此对系统运动部件的强度要求非常高，于是对压缩机的运行要求也较高，要耐高温，同时管材、阀门等方面要有较高的强度。目前应用比较广泛的是活塞式压缩机，主要因为其技术较成熟，且适用范围广，在家用冰箱、房间空调等中小制冷量范围中广泛运用。

1.2 换热器

换热器主要是由盘管和散热片构成，在CO2跨临界制冷循环系统中，换热器有多种结构形式，按照功能来划分，可分为气体冷却器、蒸发器其其他内部换热器；按照结构来划分，可分为板式、管翅式、微通道式这几种[2]。而由于CO2跨临界制冷循环系统的压力较高，因此也对换热器材质的承压能力有较高的要求，需要保证在高压工况下的运行效率。

1.3 回热器

回热器主要功能是实现热量交换，换热对象主要是蒸发器出口的高温气体和气体冷却器出口的超临界CO2制冷剂，以此提高压缩机的进气温度和降低气体冷却器出来的CO2制冷剂温度，从而减少有害过热，提高系统COP，也能够减少节流损失。

2 数学模型构建及实验设计

基于系统方法论基础上，不考虑CO2跨临界制冷循环系统工质运动情况，可通过构建数学模型的方式，将整个系统看作是一个有机整体，而这个整体是由一些典型模块构成。然后在此基础上，结合各模块信息，对经过物流的单元模块的输出变量计算，进而计算出整个系统的物流变量及能流变量。在构建完数学模型后，对CO2跨临界循环系统性能影响进行实验设计，从冷却温度、循环流量、分流率、循环压力等方面对系统的循环效率影响进行分析[3]。

3 结果与讨论

3.1 冷却温度

为分析冷却温度对系统循环效率的影响，给出不同的循环最低温度，如图1所示。

图1 不同循环最低温度对循环效率影响的趋势

观察图1可得知，循环最低温度对系统循环效率的影响主要呈现出两种趋势，一种是在临界温度以下，此时随着分流率的增长，循环效率呈下降的趋势；另一种是临界温度以上，此时系统循环效率的变化较为复杂，分流率增长变化的影响并不大。另外，还可发现当分流率处于0.65～0.80之间时，此时系统循环效率在临近温度附近呈现出局部峰值，意味着分流率的增加使得循环效率升高。总的来看，循环最低温度在低于临界温度时，分率小幅降低，但循环效率显著提升，但在分流率增加至0.95时，循环效率会呈单调降低的趋势。而循环最低温度高于临界温度时，只有分流率在0.7～0.75之间时，系统循环效率才有所提升。

循环最低温度除了会影响系统循环效率外，也对总回热量产生影响，具体如图2所示。观察图2可得知，循环最低温度对总回热量的影响趋势，基本与循环效率的影响趋势一致，这意味着在不改变旋转机械性能的情况下，系统的效率也取决于系统的回热性能。通常对高温回热器出口温度，一般是控制在355 ℃以下。但考虑有时系统的回热温度并不能够达到这一理想效果，甚至超出这一限制，这使得系统效率受到影响，因此，为了确保系统效率的提升，就需要合理进行回热器和系统运行参数的优化。

图2 不同循环最低温度对总回热量影响的趋势

3.2 分流率

通常情况下，不同循环最低温度对应不同的最优分流率，且最优分流率会随着最低循环温度的上升而变大，这意味着系统循环效率会有所降低。主要因为在循环温度最低时，为了减少进入主压缩机的工质，此时系统会通过降低分流率的方式完成，如此可促使回热器回热性能上升，进而减少铺压缩机的功耗，因此有利于提升系统的性能。而如果循环最低温度处于最高温度时，就会增加回热器高温出口处的温度，这会降低系统的回热量，此时就会增加进入铺压缩机的工质，从而使得压缩困难，最终使得系统最佳循环效率降低[4]。

3.3 循环流量

在一回路运行参数无限制条件下，系统循环效率会随着循环工作流量的减小而逐渐增大，这表明了在回热能力相等的条件下，循环系统运行的初始温度较高。考虑二回系统的运行温度有所限制，其最高温度限制在525 ℃以下，因此在实际二回路系统中，会存有一个最优的运行工质流量，而当这一最优工质流量的减小，相应的系统的循环效率也会降低。

3.4 循环压力

不同循环压力对应不同的分流率，因此会对系统循环效率产生影响。在不改变循环工作流量的条件下，最优分流率会随着循环最大压力的升高而减小，这是因为最大压力的升高使得回热器两侧的工作压力差变大，此时容易引起地传热夹点问题。同时，随着循环最大压力的升高，也会对系统循环效率峰值产生影响，会呈现出现增加后降低的趋势，这因为分流率的减小使得回热器夹点问题产生，进而使得循环效率难以提升。

4 结语

文章介绍了CO2跨临界循环系统的原理及构成，并在此基础上对影响该系统效率的因素进行分析，得出以下结论：

(1) CO2跨临界循环系统性能受温度、流量、分流率、压力等多方面的影响，要想确保系统性能的提升，需从这几个方面的进行参数优化。

(2)在CO2跨临界循环系统实际运行中，分流率、循环温度等参数均对系统的运行效率产生影响。其中，在反应堆堆型固定时，系统运行的效率主要取决于系统的回热性能，此时就需要通过优化回热器运行参数及系统运行参数的方式，来提升系统效率；另外，系统循环效率也受到工质流量大小的影响，主要表现为分流率的增大使得系统最优工质流量减小，此时循环效率会降低。