带回热器CO2跨临界热泵系统的性能分析

杨俊兰，李金芮，白 杨，姬 旭

（天津城建大学 能源与安全工程学院，天津 300384）

0 引言

近年来，由于臭氧层不断遭受破坏，全球变暖加剧，传统制冷剂的使用受到限制。CO2作为一种无毒、分解物不破坏臭氧层、不可燃不易爆炸的自然工质[1]，其单位制冷能力远远超过R134a，可以减小系统的体积[2]，但是CO2临界温度低，高压侧压力高，循环中产生的节流损失较大，使得CO2跨临界循环的COP较低[3]。近年来回热器作为一种提高CO2跨临界循环系统性能的有效措施被广泛应用，许多研究者对带回热器和不带回热器的CO2跨临界循环的性能进行了对比分析，表明许多带回热器系统的制冷和制热性能均高于不带回热器的系统[4-11]。JONEYDI等[12]研究发现回热器的加入使带膨胀机的CO2跨临界循环性能下降。KLEIN等[13]分析了回热器对使用不同制冷剂的制冷系统的影响。赵玲华等[14]对带回热器的跨临界CO2空气源热泵系统在不同压缩机频率下运行时的特性进行了实验研究，找到了适合该系统的最优的压缩机频率。TORRELLA等[15]发现系统加入回热器后对压缩机功耗的影响很小。郭兴龙等[16]对膨胀机和喷射器的CO2跨临界热泵热水器热力循环进行了比较。研究者对多种CO2跨临界双级压缩制冷循环进行了比较和分析，发现气体冷却器出口温度和低压级压缩机效率是影响系统COP的主要因素[17-18]。ZHANG等[6]发现只有在高于气体冷却器出口转变温度、低于排气转变压力时，回热器的使用才能提高系统制热性能系数。叶祖樑[19]等发现在气冷器出口温度较高时，回热器效率的增大才能提升系统性能。还有学者研究了回热器的结构对于系统性能的影响[20-21]。

前人对CO2带回热器的循环特性进行了研究，比较了不同系统在有无回热器时的性能差异，但对于多种不同型式的带回热器循环进行研究的较少，本文建立了5种带回热器跨临界二氧化碳热泵系统的模型，分析了加入回热器后系统的性能随各种参数的变化规律，探究了不同系统的适用条件，对于CO2跨临界循环系统的优化有一定的参考意义。

1 带回热器的CO2跨临界循环方式

图1，2分别示出单级带节流阀回热器循环（SCV+IHE）的原理和P-h曲线。

图1 SCV+IHE原理Fig.1 Schematic diagram of SCV+IHE

图2 SCV+IHE P-h曲线Fig.2 Pressure-enthalpy diagram of SCV+IHE

SCV+IHE循环主要由压缩机、气体冷却器、节流阀、蒸发器和回热器组成，在气体冷却器出口与压缩机入口之间增设回热器，可以使节流阀前的高温制冷剂与来自蒸发器的低温制冷剂进行内部热交换，使高温制冷剂过冷，低温制冷剂过热。回热器的增加，使相同条件下SCV+IHE系统的制冷量和制热量较SCV系统都得到增加，从而使COP增大。

图3，4分别示出单级带膨胀机回热器循环（SCE+IHE）的原理和P-h曲线。将SCV+IHE循环中的节流阀替换为膨胀机即为SCE+IHE循环。由于CO2跨临界循环膨胀过程的膨胀比较小，而膨胀功较大，在膨胀机中可以进行膨胀降压并进行功回收，弥补一部分压缩机耗功，从而提高系统性能。

图3 SCE+IHE原理Fig.3 Schematic diagram of SCE+IHE

图4 SCE+IHE P-h曲线Fig.4 Pressure-enthalpy diagram of SCE+IHE

图5，6分别示出单级带喷射器回热器循环（SCEJ+IHE）的原理和P-h曲线。将SCV+IHE循环中的节流阀替换为喷射器即为SCEJ+IHE循环。其中，工作流热力循环过程为1-2-3-4-5-6-7-8-1，引射流热力循环过程为11-12-7-8-9-10-11，高压CO2流体在喷射器中膨胀能先被转化为动能，动能再被转化为压力势能，使压缩机入口压力升高，从而减少了压缩机耗功，使COP增大。

图5 SCEJ+IHE原理Fig.5 Schematic diagram of SCEJ+IHE

图6 SCEJ+IHE P-h曲线Fig.6 Pressure-enthalpy diagram of SCEJ+IHE

图7～10分别示出双级带节流阀回热器循环（TSCV+IHE）和双级带膨胀机回热器循环（TSCE+IHE）的原理和P-h曲线。

图7 TSCV+IHE原理Fig.7 Schematic diagram of TSCV+IHE

图8 TSCV+IHE P-h曲线Fig.8 Pressure-enthalpy diagram of TSCV+IHE

图9 TSCE+IHE原理Fig.9 Schematic diagram of TSCE+IHE

图10 TSCE+IHE P-h曲线Fig.10 Pressure-enthalpy diagram of TSCE+IHE

在双级压缩循环循环中，CO2流体先后经过两次压缩和放热过程。双级压缩可以减少压缩机的进出口压差，增大压缩机容积效率，减小部件的应力变形，起到提高系统性能和保护的作用。

2 模型建立

通过上述介绍，建立CO2跨临界循环的热力学模型，为了便于分析，做了如下假设：

（1）系统在稳态条件下进行；

（2）忽略换热器和其他管道的压降和热损失；

（3）压缩机等熵效率取为70%；

（4）膨胀机的效率取为60%；

（5）蒸发温度的变化范围为-10～10 ℃，高压压力为8～15 MPa，气体冷却器出口温度为32～50 ℃，吸气过热度为0～20 ℃，双级压缩中间压力

（6）高压级和低压级气体冷却器出口温度相等。

基于以上假设，根据各压焓图可建立热力学模型。其中：

制冷系数：

制热系数：

式中 qc——系统制冷量，kJ/kg；

qh——系统制热量，kJ/kg；

wt——压缩机耗功，kJ/kg。

各循环的 qc，qh，wt的计算方式见表1。

表1 qc，qh，wt计算式Tab.1 Calculation formula for qc，qh and wt

3 结果与分析

3.1 吸气过热度tg对COP的影响

在蒸发温度te为5 ℃、高压压力pg为9.5 MPa、气体冷却器出口温度tc为40 ℃的条件下，5种CO2跨临界循环的制冷系数COPc和制热系数COPh随tg的变化如图11，12所示。从图中可以看出，5种循环中COPc最大的是TSCE+IHE循环，并且SCV+IHE、SCEJ+IHE、TSCE+IHE、TSCV+IHE 4种循环的COPc均随tg的升高而增大，其中TSCV+IHE的COPc变化最明显，而SCE+IHE的COPc则随tg的升高而减小，逐渐低于 TSCV+IHE 循环，与 JONEYDI等[8]的研究结果相符合。COPh最大的是SCE+IHE循环，SCV+IHE、SCE+IHE、SCEJ+IHE、TSCV+IHE 循环的COPh均随tg的升高而增大，变化最明显的也是TSCV+IHE循环，SCE+IHE、TSCE+IHE循环的COPh则随tg的升高有不同程度得减小。可以发现，在带膨胀机的系统中加入回热器对中COPc和COPh都有害无利，这是由于加入回热器之后，虽然增加，也保持不变，但是气体冷却器出口的气体经过内部过冷后温度降低，能量减少，使之在膨胀机中转化的膨胀功减少，qc的增加量弥补不了膨胀功的减少量，导致系统COPc和COPh都降低。

图11 COPc随tg的变化Fig.11 COPc variation with tg

图12 COPh随tg的变化Fig.12 COPh variation with tg

3.2 蒸发温度te对COP的影响

在 pg为 9.5 MPa、tg为 6 ℃、tc为 40 ℃的条件下，5种CO2跨临界循环的COPc和COPh随te的变化如图13，14所示。从图中可以看出，5种循环的COPc和COPh随te的上升均有不同程度的增加。SCEJ+IHE循环的COPc变化最不明显，在-10～0 ℃范围内，SCEJ+IHE循环的COPc高于SCV+IHE、SCE+IHE、TSCV+IHE 循环，COPh高于SCV+IHE、TSCE+IHE、TSCV+IHE循环。这是由于喷射器是将工作流的膨胀能转换成动能，再将动能转换为压力势能，蒸发温度越低，膨胀过程中的节流损失越大，喷射器回收的膨胀功就越多，进而提高压缩机入口制冷剂的压力，降低压比，减小压缩机耗功。因此，SCEJ+IHE循环适用于蒸发温度较低的情况。

图13 COPc随te的变化Fig.13 COPc variation with te

图14 COPh随te的变化Fig.14 COPh variation with te

3.3 气体冷却器出口温度tc对COP的影响

在te为5 ℃、tg为6 ℃、pg为9.5 MPa的条件下，5种CO2跨临界循环的COPc和COPh随tc的变化如图15，16所示。可以看出，5种循环的COPc和COPh均随气体冷却器出口温度的升高而降低，这是因为在相同的条件下，气体冷却器出口温度越高，在气体冷却器中放出的热量越少，即qh越小；同时，气体冷却器出口温度升高会使蒸发器入口焓值增大，使制冷量qc减少。从图中还可以看出，SCEJ+IHE循环的COP随tc的增大下降得最快。

图15 COPc随tc的变化Fig.15 COPc variation with tc

图16 COPh随tc的变化Fig.16 COPh variation with tc

3.4 高压压力对COP的影响

在 te为 5 ℃、tg为 6 ℃、tc为 40 ℃的条件下，5种CO2跨临界循环的COPc和COPh随pg的变化如图17，18所示。可以看出，5种CO2跨临界循环的COP都是随着高压压力的增大先增大后减小，均出现了最优高压压力。最优高压压力的存在，是由于循环过程中产生了不可逆的节流损失，当高压压力对于压缩功的影响和对节流损失的影响的代数和达到最大时，将得到最大的COP，此时的高压压力成为最优高压压力。这种节流损失往往在带有节流阀的循环中出现，在带有膨胀机的系统中，如果膨胀机的效率为100%，则不会出现节流损失，不会存在最优高压压力，本文中膨胀机的效率设为60%，即存在40%的节流损失，因此仍产生最优高压压力现象。回热器的加入，可以减少节流损失的不可逆性，回收一部分热量，从而提高系统的COP。

图17 COPc随pg的变化Fig.17 COPc variation with pg

图18 COPh随pg的变化Fig.18 COPh variation with pg

从图中还可以看出，双级压缩的最优高压压力比单级压缩低0.5～1 MPa左右，最优高压均出现在9.5～10.5 MPa范围内。相同高压压力下，带膨胀机的循环均表现出良好的性能。

3.5 蒸发温度te对最优高压压力pk的影响

本文在不同蒸发温度和气体冷却器出口温度下寻找最优高压压力时，设置的高压压力间隔为0.1 MPa，范围为8～13 MPa，在此范围下输入不同的蒸发温度和气体冷却器出口温度，找到每个温度下使COP最大的高压压力，即最优高压压力，从而得到最优高压压力与te和tc的关系曲线。

在 tg为 6 ℃、tc为 40 ℃的条件下，5种 CO2跨临界循环的最优制冷高压pkc和最优制热高压pkh随te的变化如图19，20所示。可以看出，5种循环的pkc和pkh均随te的增大有不同程度的降低，SCEJ+IHE循环的变化最小。这是由于SCEJ+IHE循环蒸发器中的制冷剂流量较小，再经过引射流增压和气液分离器分流后弱化了蒸发温度对压缩机入口气体物性的影响，在压缩机做功相同的情况下，其出口物性的变化也不明显，所以达到最大COP的高压压力几乎不变。图中还可以发现，在蒸发温度为-15～15 ℃的范围内，SCV+IHE和TSCV+IHE循环的pkc和pkh均高于其他3种循环。TSCE+IHE循环的pkh最低，pkc在te高于0 ℃时也达到最低。因此使用膨胀机代替节流阀是降低高压压力，提高运行安全性的有效途径。

图19 pkc随te的变化Fig.19 pkc variation with te

图20 pkh随te的变化Fig.20 pkh variation with te

3.6 气体冷却器出口温度tc对最优高压压力pk的影响

在tg为 6 ℃、te为 5 ℃的条件下，5种 CO2跨临界循环的pkc和pkh随的变化如图21，22所示。可以看出，5种循环的pkc和pkh均随tc的增大而升高，且变化幅度相似。因此，为了降低最优高压压力，或者在一定高压压力下提高系统的性能，提高安全性，应设法降低tc。

图21 pkc随tc的变化Fig.21 pkc variation with tc

图22 pkh随tc的变化Fig.22 pkh variation with tc

4 结论

本文对5种带回热器的CO2跨临界循环进行了热力学分析，所得结论如下：

（1）在相同条件下，对于制冷性能，TSCE循环的最好，可达到3.2，SCV循环的最差；对于制热性能，SCE循环的最好，可达到3.83，TSCV循环的最差。

（2）回热器对SCE+IHE循环的制冷性能和TSCE+IHE循环的制热性能有不利影响，过热度为20 ℃时，其COP数值分别降低了0.1和0.5，所以回热器不宜与膨胀机应用于同一系统中；但回热器对其他循环的性能提高均有帮助，提升最大的是TSCV+IHE循环，过热度平均每提升5 ℃，COP提升约0.1。

（3）带膨胀机的两种循环在高压压力较低的条件下仍表现出很好的性能，其最优高压压力也比较低，均在9.5 MPa左右，可以兼顾性能的同时保证系统安全性。

（4）在蒸发温度和气体冷却器出口温度较低的情况下，SCEJ+IHE循环均表现出良好的性能，且该循环最优高压压力受蒸发温度影响较小，可在低蒸发温度条件下发挥该系统的优势，适用于低温冷冻机或冰蓄热等场合。

（5）5种循环的蒸发温度升高和气体冷却器出口温度减小，都有助于降低最优高压压力，使系统更加安全稳定运行。