代宝民 刘圣春 孙志利 齐海峰 陈启 王晓明 马一太

（1天津商业大学天津市制冷技术重点实验室 天津 300134；2天津三电汽车空调有限公司 天津 300385；3天津市计量监督检测科学研究院 天津 300192；4天津大学热能研究所 天津 300072）

气候变化是当今人类社会面临的重大挑战，氟氯烃（CFCs）和氢氟氯烃（HCFCs）类物质破坏臭氧层并且具有较高的温室效应已被或将逐渐被禁用。国际社会制定了相应的政策法规应对这一全球性问题，温室效应问题已经引起了全球各国的密切关注。在这样的形势下，自然工质成为当今制冷空调行业的研究热点。在众多自然工质中，CO2由于其安全环保的优势最具代表性和竞争力。然而，由于CO2的临界温度为31.1℃，而临界压力高达7.38 MPa，运行压力较高、节流损失大，造成CO2跨临界循环效率低于常规制冷剂系统，这是限制其推广应用的最主要原因。

对气体冷却器出口的CO2流体进行过冷，随着过冷度的增加，节流损失降低，循环冷量增加，提升循环COP。CO2制冷循环的过冷可通过内部换热器［1-2］、机械［3-4］、热电［5-6］等方式实现。 一些学者对机械过冷用于CO2循环进行了理论研究，即通过辅助蒸气压缩制冷循环对主循环（CO2跨临界制冷循环）气体冷却器出口的CO2进行冷却。She Xiaohui等［7］提出在CO2主循环设置膨胀机，输出的膨胀功驱动辅助循环的压缩机对CO2进行过冷，计算结果表明 COP提升了49.2%。R.Llopis等［3］对 CO2跨临界机械过冷循环进行了热力学分析，表明COP和制冷量最高分别提升了20%和28.8%，并且降低了最优高压。虽然机械过冷循环需要一套辅助制冷循环，增加了成本，但辅助制冷循环的容量明显小于主循环［8］，R.Llopis 等［3］的分析结果表明辅助循环压缩机的功耗不到主循环的20%。B.A.Qureshi等［9］认为投资回报期的长短取决于制冷系统的容量大小，对于制冷量大于100 kW的系统，安装辅助循环的回报期小于3年。机械过冷不仅能够增加制冷量，而且可以降低主循环的运行高压，降低压缩机排气压力，延长压缩机的使用寿命［8］。

相对其它几种过冷方式，机械过冷更容易实现，是提高CO2跨临界制冷循环能效、拓宽其使用范围的可行措施。然而，到目前为止仅有少量理论分析研究的公开发表，对其循环特性的研究有待进一步开展。本文对主循环和辅助循环的匹配特性进行研究，为提高CO2跨临界制冷循环的效率提供理论支撑。

1 模型建立

采用辅助蒸气压缩制冷循环对气体冷却器出口的CO2进行过冷，可提高CO2跨临界制冷循环效率，循环整体T-S图和系统原理分别如图1和图2所示。可以看到，图1中循环1-2-3-4-1为无过冷循环，即CO2跨临界制冷循环；循环1-2-3″-4″-1为有过冷循环A，即主循环；循环 1′-2′-3′-4′-1′为辅助循环 B，制冷工质可选择常规制冷剂。受环境温度的限制（假设为35℃），CO2气体冷却器的出口温度较高，为降低节流前CO2的温度，可通过循环B的蒸发过程（4′-1′）将CO2过冷过程的放出热量通过循环B转移至冷却水或大气环境，实现CO2过冷。该换热过程发生在过冷器中，类似于机械过冷制冷循环中的冷凝蒸发器，但机械过冷部分仅发生在循环A的过冷段。因此，本文将该过冷器称为CO2冷却蒸发器，将这种蒸气压缩辅助过冷循环（机械过冷循环）称为CO2跨临界过冷区域机械过冷制冷循环。

图1 机械过冷CO2跨临界制冷循环T-S图Fig.1 T-S diagram of CO2transcritical refrigeration cycle with mechanical subcolling

图2 机械过冷CO2跨临界制冷循环系统原理Fig.2 The principle of CO2transcritical refrigeration cycle with mechanical subcooling system

本文基于以下假设进行分析：1）循环在稳态工况下运行；2）换热器和管路中压降和热损失忽略不计；3）蒸发器出口为饱和气态，辅助循环冷凝器出口为饱和液态；4）主循环气体冷却器出口CO2温度与环境温差为5℃；5）辅助循环冷凝温度与环境温差为10℃；6）冷却蒸发器最小换热温差为5℃。

1）主循环

压缩机：

式中：ηm，CO2和 ηe，CO2分别为 CO2压缩机的机械效率和电机效率，均取0.9。

式中：ηs，CO2为 CO2压缩机的等熵效率，取 0.8。

气体冷却器：

节流阀：

无过冷：

有过冷：

蒸发器：

无过冷：

有过冷：

2）辅助循环

压缩机：

式中：ηm，Aux和ηe，Aux分别为辅助循环压缩机的机械效率和电机效率。

式中：ηs，Aux是辅助循环压缩机的等熵效率。

冷凝器：

节流阀：

冷却蒸发器：

3）循环整体

无过冷：

有过冷：

2 结果和讨论

由于 R152a的 GWP较低（＝124），相对于R1234yf等人工合成制冷剂价格便宜以获取，综合性能较好。因此，本文首先选择辅助循环的工质为R152a对循环的性能展开分析讨论。

2.1 排气压力和过冷度的影响

如图3所示为蒸发温度TE＝0℃，环境温度TA＝30℃工况条件下，过冷循环性能系数COP随排气压力ph和过冷度TSC的变化规律。可以看到COP随ph和TSC均先急剧增大后缓慢减小，当ph＝8.34 MPa，TSC＝13.9 ℃时，COP取得最大值 2.84。ph和TSC共同影响循环整体性能，对应的ph和TSC为最优ph和最优TSC。 由 F.Kauf［10］的分析结果可知，当气体冷却器出口温度一定时，由于CO2超临界区域的S形等温线和压缩过程线共同作用，CO2跨临界制冷循环存在最优ph。

图3 COP随排气压力和过冷度的变化Fig.3 Variation of COP with discharge pressure and subcooling temperture

图4所示为循环COP、制冷量QEva，SC、循环总功耗WCom，SC、主循环压缩机功率WCom，CO2和辅助循环压缩机功率WCom，Aux随过冷度的变化规律。由于环境温度、排气压力不变，主循环压缩机功率不随过冷度变化；而随过冷度增加，辅助循环的蒸发温度逐渐降低，导致压缩机功耗迅速增加，总功耗急剧增大，但制冷量呈线性增加趋势，最终共同作用结果显示循环COP先增加后降低，在最优过冷度处取得最大COP。为了保证比较基准的合理性，下文的分析均基于最优工况的结果进行讨论。

图4 性能参数随过冷度的变化Fig.4 Variation of performance parameters with subcooling temperature

2.2 最大COP的变化特性

如图5（a）所示为基本循环（下标用BASE表示）和有过冷循环（下标用SC表示）最大COP随环境温度和蒸发温度的变化规律。从图中可知：COPBASE和COPSC均随环境温度升高而急剧下降，随蒸发温度的升高而增加；当环境温度为20～40℃时，COPSC＞COPBASE。图 5（b）所示为 COP的提升率，定义为（COPSC-COPBASE）/COPBASE×100%，可知与基本循环相比，过冷循环COP提升率随环境温度的升高基本呈线性增加，且随蒸发温度的增加而逐渐降低，当环境温度为40℃，蒸发温度为-15℃时，COP提升率高达43.8%；而对环境温度为20℃，蒸发温度为5℃的工况，COP提升率仅为6.2%。综上所述，对于较高环境温度和较低蒸发温度的工况，通过蒸气压缩辅助制冷循环进行过冷处理可明显改善CO2跨临界制冷循环的性能。

图5 最大COP随环境温度和蒸发温度的变化Fig.5 Variation of maximum COP with ambient temperature and evaporation temperature

2.3 最优排气压力和过冷度的变化特性

图6所示为过冷循环和基本循环最优排气压力的变化。由图6可知，最优高压随环境温度的升高线性增加，而蒸发温度对最优高压的影响不明显，尤其是过冷循环，当环境温度为40℃时，蒸发温度由5℃降至-15℃，最优高压仅升高了0.12 MPa，而对基本循环升高了0.69 MPa。此外，当环境温度低于22℃时，最优高压基本不受过冷与否的影响，当环境温度高于22℃时，过冷区域机械过冷制冷循环的降压优势逐渐凸显，并且环境温度越高，蒸发温度越低，降压效果越显著。当环境温度 ＝40℃，蒸发温度 ＝-15℃时，过冷循环的最优排气压力由12.28 MPa降至10.27 MPa，降低了2.01 MPa。因此，从降低运行高压的角度而言，过冷循环同样更适用于环境温度较高的工况。

图6 最优排气压力随环境温度和蒸发温度的变化Fig.6 Variation of optimal discharge pressure with ambient temperature and evaporation temperature

图7所示为最优过冷度随环境温度和蒸发温度的变化。可知过冷度随环境温度的升高和蒸发温度的降低逐渐增加，当蒸发温度为-15℃的工况，环境温度高于28℃时，最优过冷温度均高于20℃，说明循环需要较大的过冷度达到最优工况，并且环境温度越高、蒸发温度越低时，对应的最优过冷度越高。

图7 最优过冷度随环境温度和蒸发温度的变化Fig.7 Variation relationship of optimal subcooled temperature with ambient temperature and evaporating temperature

即使环境温度不高，也需要较大的过冷度以达到最佳能效。因此，可以推断CO2过冷区域机械过冷制冷循环更适用于蒸发温度要求较低应用场所，如商用冷冻冷藏行业。

2.4 压缩机排气温度和功耗的变化特性

图8所示为基本循环和过冷循环在最优工况下的压缩机排气温度。可知排气温度随环境温度的升高和蒸发温度的降低呈线性增加趋势。当环境温度＜22℃时，过冷对排气温度的影响不明显，当环境温度＞22℃时，过冷循环的排气温度低于基本循环，并且环境温度越高、蒸发温度越低，排气温度的降低越明显，在环境温度＝40℃、蒸发温度＝-15℃时，排气温度降低了17.5℃。

图8 排气温度随环境温度的变化Fig.8 Variation of discharge temperature

图9所示为辅助循环和主循环压缩机功率在不同工况下的变化规律。辅助循环相对主循环的功耗随环境温度升高急剧增加，并且蒸发温度越高，功耗比随环境温度变化越剧烈，对于蒸发温度为5℃的工况，当环境温度由20℃增加至40℃时，功耗比由0.11增加至0.29。当环境温度低于31℃时，功耗比随蒸发温度的降低而增加，但当环境温度高于31℃时，蒸发温度越高功耗比越大。此外，辅助循环的容量相对于主循环较小，文中研究工况范围内辅助循环压缩机的相对功耗≤0.3，并且与图5（b）比较可知，当环境温度为40℃、蒸发温度为-15℃时，相对基本循环，辅助循环压缩机的相对功耗量为0.29，但COP提升量高达43.8%，表现了很好的经济性。

因此，对于环境温度较高、蒸发温度较低的运行工况，在保证制冷量不变的前提下，可通过辅助制冷循环提升循环效率，从而减小了CO2压缩机的容量，使循环高效经济运行。

2.5 辅助循环工质选择的影响

笔者选取了11种工质作为辅助循环的制冷剂，其物理、安全和环保特性如表1所示。除R134a和R32外，其它9种制冷剂的GWP＜150，属于低GWP制冷剂，而R32的GWP＝675，是一些非共沸混合制冷剂的重要组元，也是目前替代HCFCs呼声较高的制冷剂，虽然R134a GWP高达1 370，但考虑其广泛应用于制冷空调领域，本文也将其作为辅助循环工质进行分析。

图9 辅助循环和主循环压缩机功耗比值Fig.9 Power consumption ratio of auxiliary cycle and main cycle compressor

图10所示为当蒸发温度＝0℃、环境温度＝30℃时，基本循环和采用不同辅助循环制冷剂的过冷循环在最优工况下的COP。可知无论辅助循环采用何种制冷剂，过冷循环COP均远高于基本循环。对于采用11种不同辅助循环制冷剂的循环整体性能，制冷剂为R41的COP明显低于采用其它10种制冷剂的循环，这是由于R41的临界温度较低仅为44.1℃，而此时冷凝温度为40℃，R41节流后进入蒸发器的制冷剂干度较高，辅助循环效率较低，导致循环真题效率偏低。但对于采用其它10种工质作为辅助循环制冷剂的循环，其性能差异不大，COP最高的为 R717，其次为R152a和RE170。

图10 不同辅助循环制冷剂的过冷循环COPFig.10 Subcooled cycle′s COP of different auxiliary cycle refrigerant

表1 制冷剂的物理性质、安全及环保特性Tab.1 The physical properties，safety and environmental characteristics of refrigerant

3 结论

采用蒸气压缩辅助制冷循环对CO2跨临界制冷循环的气体冷却器出口CO2流体进一步冷却，可提高CO2制冷循环的性能。本文首先对辅助循环采用R152a的循环的热力学性能进行理论分析，对不同环境温度、不同蒸发温度条件下循环的运行规律进行讨论并与基本CO2跨临界制冷循环进行比较，最后对辅助循环采用其它制冷剂的循环性能进行分析，得到如下结论：

1）排气压力和过冷度对CO2跨临界过冷区域机械过冷制冷循环的性能影响显著，循环存在最大COP，对应最优排气压力和最优过冷度。

2）环境温度越高、蒸发温度越低，过冷区域机械过冷循环的性能提升越明显，在环境温度＝40℃，蒸发温度＝-15℃的工况，COP提升率高达43.8%。

3）过冷区域机械过冷循环可显著降低CO2跨临界循环的排气压力和温度，当环境温度为40℃，蒸发温度为-15℃时，排气压力和温度分别降低了2.01 MPa和17.5℃；

4）在本文研究工况范围内，辅助循环压缩机功耗相对主循环压缩机较小，均小于0.3，在保证制冷量不变的前提下可减小CO2压缩机的容量，循环高效经济运行。

5）辅助循环采用不同制冷剂对循环整体性能均有显著提升作用，除了R41的提升程度较低外，其它10种工质的提升程度差异不明显，最高的为R717。

6）CO2过冷区域机械过冷制冷循环更适用于环境温度较高、蒸发温度较低应用场所。

本文受天津商业大学国家基金培育（160121）和天津市高等学校自然科学研究项目资助。（The project was supported by the Cultivation National Project of Tianjin University of Commerce（No.160121）and Natural Science Research Project of Tianjin Higher Learning Institution.）

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