蒋文胜

(柳州职业技术学院机电工程系，广西柳州545006)

基于循环模拟模型的二氧化碳循环效能分析

蒋文胜

(柳州职业技术学院机电工程系，广西柳州545006)

针对二氧化碳热泵性能改进问题，设计了一个基于循环模拟模型开展仿真模拟研究。通过改变该模型的输入参数和运行条件，研究模型的最佳工作条件及性能提高的途径。提出了采用中间冷却器的双级压缩机和带有膨胀箱的双级压缩机的工作模型，并对该模型进行仿真测试，结果表明最多可以比传统的工作系统提高跨临界二氧化碳循环20%的加热性能和28%的制冷性能。

二氧化碳;制冷;热泵;模型;双级压缩机;膨胀箱

0 前言

由于CO2的全球增温潜势几乎可以忽略不计，而且其臭氧消耗潜势(ODP)为零，相对安全，所以常被看作是氯氟烃制冷剂(CFC)和氟利昂制冷剂(HFC)的替代物。跨临界二氧化碳循环在生活用水加热系统中的应用在电力消耗和加热效率方面相对于传统系统而言表现出极大的优越性［1］。然而，由于跨临界二氧化碳制冷系统的膨胀损失较大且在气体制冷过程中有较强的不可逆性，所以跨临界二氧化碳制冷系统的性能低于传统的空调系统［2］。因此，为了研究一个有竞争力的商用产品，利用先进技术来改善制冷模式中的跨临界二氧化碳系统的性能就显得尤为重要。

已经有很多学者对跨临界二氧化碳制冷系统的应用进行了较为广泛的研究，Hwang［3］等人已经使用膨胀机，双级压缩循环和蒸发气体制冷器对二氧化碳循环的性能进行了模拟研究;Groll［4］等人也对通过改变第一级压缩机和第二级压缩机的压缩系数来对膨胀机和双级压缩机循环的性能进行理论上的研究;丛丽［5］等人分别利用具有相同电力消耗的往复式、旋转式和螺旋式压缩机来对二氧化碳循环性能的优化进行了探索;秦宏波［6］等人通过引进压缩机的排出压力控制，在理论和实验上对二氧化碳循环的性能优化进行了研究;刘敬辉［7］、乔琳琳［8］等人利用简化的数学模型来对双级压缩循环和传统循环进行了对比研究。

尽管已经有很多的学者对超临界二氧化碳循环的性能进行了研究探索，但是对于有望成为商用产品的二氧化碳热泵的研究仍然停留在初级阶段［9－10］，特别是二氧化碳循环在制冷模式运行中的性能改善方法的研究尤为重要。本文的目的在于通过对诸如膨胀机，带有中间冷却器的双级压缩机循环系统以及带有膨胀箱的双级压缩机等先进技术的效率进行理论上的估算［11］，从而分析可能实现的二氧化碳热泵性能优化的相关方法。

1 跨临界循环模型

1.1 系统模型

二氧化碳热泵的组成包括:压缩机、气体冷却器、蒸发器以及一个膨胀设备［12］。由于二氧化碳的临界温度较低，因此二氧化碳中的排热过程常发生在超临界的区域内。在假定的压缩机进气状态的基础上，用于压缩机、气体冷却器以及膨胀机的各个模型都可以运行。通过对比压缩机模型中测得的工质流量和从膨胀设备模型中获得的工质流量来检查所计算的第一次汇聚，然后，在蒸发器模型中计算蒸发器的性能，把压缩机进气口的估算过热量和初始计算设定值进行比较，从而实现第二次聚合［13］。

通过在热泵中应用膨胀机，带有中间冷却器的双级压缩机以及带有膨胀箱的双级压缩机来改变室外温度，从而实现对二氧化碳热泵的性能模拟。膨胀机效率在膨胀机循环中是各不相同的，而且带有中间冷却器和膨胀箱的双级压缩循环中的中间制冷压力和工质流量也分别有所改变。

1.2 压缩机模型

因为二氧化碳循环中的压缩机是在高压高温下运行的，所以要严格的考虑压缩过程中的制冷剂泄漏情况。往复压缩机的模拟是通过考虑压缩过程中的电动机效率、机械效率和制冷剂泄漏率等因素来解决工质和能量方程从而实现的。

描述压缩机模型的工作模型之前先定义相关符号名称:

T:温度(℃);h:焓(kJ/kg);m:工质流量(kg/s);n:多方系数(m/s);P:压力(kPa);V:容量(m3);W:功(kW);η:效率;ρ:密度;R:泄漏量;comp:压缩机;cyl:汽缸;db:干球;dis:排量;in:进口;isen:等熵变化;leak:泄漏;suc:吸气;νol，the:理论容量;wb:湿球。

压缩机模型的工作模型描述如下:

其中，余隙容积比一般选为0.02，在实际的工作过程中能够收到比较好的效果。

压缩机功的计算是通过等熵压缩假设的压缩机进气口和出气口的焓差来实现的。

1.3 热交换器模型

带有分支螺旋肋片的翅片式热交换器常用于室内和室外的盘管，管子内径为4 mm，厚度为0.5 mm，以便能够在超过150 MPa的高压下继续工作。可以用管接管的方法来分析热交换器。排气管制冷剂的参数和特性是在有限控制容积中的工质和容量方程的基础上测得的，然后所得数值用于控制下一容量的进气参数。

2 基本循环模拟结果

图1给出的是室外温度下供热能量及工作系数的变化。一般来说，供热能量随着室外温度的增加而增加。压缩机进气口温度和压力也呈现出随室外温度增加而增加的趋势，从而使得压缩机的排出温度和压力更高。室外温度超过5℃时供热能量和工作系数的斜率也会变得更大，这是因为供热能量的斜率高于压缩机的斜率。室外温度为5℃和10℃时，供热工作系数分别为3.3和3.6。

图1 供热能力和工作系数的变化情况

图2表示的是室外温度下制冷能力和工作系数的变化。随着室外温度的增加，气体制冷压力的增长远远比蒸发压力的增长要明显得多，因此气体冷却器和蒸发器之间的压力差也随之增大。此外，随着室外温度的增加，气体冷却器的出气口温度也随之增长，从而使得蒸发器输入量的工质更高。因此，制冷工作系数会随着室外温度的增加而急剧减少。在室外温度为35℃和40℃时，制冷工作系数分别为2.4和2.0。Hwang等人指出二氧化碳循环在室外温度为30℃时的制冷工作系数为2.5。

图2 制冷能力和工作系数的变化情况

3 带有膨胀机的二氧化碳循环系统性能影响分析

在膨胀过程中二氧化碳循环会经历一个很大的压降过程。如图3所示，膨胀机产生的电力通过气体冷却器作用于压缩过程，而且膨胀机是在等熵过程中运行，这样可以借助膨胀机较低的输入工质来增强制冷能力。二氧化碳循环的性能模拟是通过改变膨胀机效率来实现的。膨胀机效率指的是有效的压缩功和总压缩功之比。压缩功与总压缩功的比率会随着压缩机效率的增加而增加，然而总压缩功会因为压缩机功的减少而减少。因此，膨胀期循环的工作系数会随着膨胀机效率的增加而增加。在本文所分析的带有膨胀机的二氧化碳循环过程中，假设单独膨胀机产生的功是膨胀机和气体冷却器之间压力差产生功的50%。

图3 带有膨胀机的二氧化碳循环过程

相对于膨胀机效率，制冷能力以15%～20%的比例增长，随着膨胀机效率的增高而产出更高的供热和制冷工作系数，如图4所示。本文中，当膨胀机效率为30%的时候，制冷工作系数以28%的比例增长，供热工作系数以22%的比例增长。Hwang等人也曾证明在与本文运行条件一致的情况下，膨胀机效率为40%时的制冷工作系数会增加30%。然而，为了成功的将膨胀机应用到二氧化碳循环中，就需要研究一个在高压情况下泄漏较少、效率较高的膨胀机。

图4 膨胀机效率与工作系数的变化

4 双级压缩循环对制冷系统性能影响分析

4.1 带有中间冷却器的双级压缩循环

研究带有中间冷却器的双级压缩循环的目的是在气体冷却器和膨胀机之间较大的压力差的情况下，减少压缩机的输入功率，从而完善二氧化碳循环的性能。图5表示的是带有中间冷却器的双级压缩循环示意图。与单个压缩机循环系统相比，双级压缩循环系统的中间冷却器配有一个翅片式热交换器，设定在固定的3.5 MPa的低压和10 MPa的高压中。通过改变中间冷却器压力来实现模拟，随着中间冷却器压力的增加，第一级压缩机的功率输入也随之增加，但是第二级压缩机的功率输入却减少。双级压缩循环的总压缩机功比基本循环的要低得多。在本文中，在中间制冷压力为6 MPa时总压缩机功以8%的比例减少。Groll等人研究指出在带有中间冷却器的双级压缩循环中，总压缩机功以8%的比例减少。

图5 带有中间冷却器的双级压缩循环示意图

图6表示的是在中间制冷压力时供热和制冷工作系数的变化。随着中间制冷压力的增加，供热工作系数则递减。然而，制冷工作系数则会随着中间制冷压力的增加而增强，这是因为制冷模式中压缩机功和排出温度会有一个明显下降造成的。本研究中，在中间制冷压力为6 MPa时供热工作系数和制冷工作系数的增长比例分别为13%和30%。Hwang等人研究得出在相同工作条件下制冷工作系数的增长率为20%。Groll等人研究证明在不使用内部热交换器的条件下制冷工作系数会增长8%。

图6 带中间制冷压力与工作系数的变化

4.2 带有膨胀箱的双级压缩循环

图7表示的是带有膨胀箱的双级压缩循环示意图。在第一级膨胀设备和第二级膨胀设备之间设有一个膨胀箱，其输出的蒸汽一部分送入第一级膨胀机，另一部分送入热交换器。第一级膨胀机输出的气体既能送入热交换器，也能够送入气体冷却器，然后通过第一级压缩机、第二级压缩机，由于第一级压缩机放出的制冷剂与通过膨胀箱的蒸汽混合，使得二级压缩机的进气温度降低。温度较低的液体通过蒸发器再次送入第二级膨胀机。双级膨胀设备的应用使得在膨胀过程中的焓差增大。

图7 带有膨胀箱的双级压缩循环示意图

图8表示的是就第一级循环工质比而言的制冷工作系数和供热工作系数的变化。供热工作系数趋向于随着第一级循环工质比的增加而减少，但是制冷工作系数则随着工质比的增加而有轻微增加。因此，为了实现供热和制冷性能的优化，就有必要控制第一级循环中的工质流量。本文中，第一级循环中优化的工质比为70%，在这一条件下，带有膨胀箱的双级压缩循环对供热和制冷性能的优化要比基本循环分别高5.8%和9%。

图8 带有膨胀箱的双级压缩循环的工作系数变化

5 总结

通过应用膨胀机，带有中间冷却器的双级压缩机和带有膨胀箱的双级压缩机对二氧化碳热泵的性能优化进行了数值上的估算，根据分析所得数据，可以发现:在室外温度为5℃和35℃时，基本循环的供热和制冷工作系数分别为3.3和2.5。为了实现在变动的室外温度条件下对循环的优化，就要控制压缩机的排出压力。在膨胀机效率为30%时，应用膨胀机的二氧化碳循环的制冷和供热工作系数可以分别优化28%和22%。然而在高压下需要研制一个具有较低泄漏和较高效率的膨胀机。应用带有中间冷却器的双级压缩机时，二氧化碳循环呈现出压缩机功减少，制冷能力增加的现象。制冷工作系数随着第一级压缩比的增长而增长，但是供热工作系数则随之减少。

参考文献:

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［6］秦宏波，汪国兴，胡寿根.基于压力控制的工业压缩空气供需平衡控制系统的设计及应用研究［J］.中国机械工程，2006，(Z1).

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［8］乔琳琳.CO2双级压缩制冷循环及闪蒸式中冷器的研究［D］.天津大学，2008.

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［12］刘敬辉，陈江平，陈芝久.压缩/喷射混合制冷系统喷射器设计及其变工况特性探讨［J］.应用科学学报，2006，24(6):642－646.

［13］刘军朴，陈江平，陈芝久.跨临界二氧化碳制冷系统节流降压形式研究［J］.流体机械，2002，30(4):41－43.

［责任编辑刘景平］

CO2Cycle Effectiveness Analysis Based on Circulation Analog Modeling

JIANG W en－sheng
(Department of Mechanical－electrical Engineering，Liuzhou Vocational and Technical College，Liuzhou，Guangxi545006，China)

In view of improving the performance of a heat pump using CO2，the analog simulation by utilizing a cycle simulation model has been designed in this study．The paper also studies the best working conditions and ways of improving the system performance by varying the input parameters and operating conditions in themodel．Moreover，it proposes a work model using a two－stage compressor with an intercooler and a two－stage compressor with a flash tank，and carries out a simulation test of the model．The test results show that the model improves the heating and cooling performances of the transcritical CO2cycle by 20%and 28%，respectively，compared with the traditional cycle．

CO2;cooling;heat pump;model;two－stage compressor;flash tank

book=0,ebook=38

TB61

A

1672－9021(2012)02－0033－06

蒋文胜(1968－)，男，重庆人，柳州职业技术学院机电工程系副教授，主要研究方向:空调制冷技术。

柳州职业技术学院科研基金资助课题(2009B01)。

2012－01－10