二氧化碳跨臨界循環(huán)系統(tǒng)性能的影響因素

徐希愛，張晶，孫承良(山東神舟制冷設備有限公司，山東 濟南 250200)

0 引言

在經(jīng)濟快速發(fā)展的背景下，環(huán)境問題日益突出，尤其是臭氧層破壞、全球氣候變暖越發(fā)嚴峻，人們也因此更加關注節(jié)能環(huán)保。隨著制冷技術的發(fā)展，制冷系統(tǒng)、空調(diào)及熱泵系統(tǒng)產(chǎn)品運用越來越廣泛，雖然給人們的生產(chǎn)生活帶來許多便利，但也帶來了巨大的能耗及系列環(huán)境問題，如：在能耗方面，民用建筑中的空調(diào)能耗越來越大；冷庫由于需要較低的溫度，使得制冷系統(tǒng)能耗更大。而在環(huán)境方面，由于人工合成的制冷劑普遍具有較高的全球變暖潛能值GWP和臭氧消耗潛能值ODP，容易引起嚴重的環(huán)境問題。

二氧化碳跨臨界循環(huán)系統(tǒng)是基于布雷頓循環(huán)原理的基礎上進行的能量轉換。二氧化碳是制冷劑中非常環(huán)保的純天然制冷劑，其全球變暖潛能值GWP僅為1，臭氧消耗潛能值ODP則為0，同時還具有無毒、不可燃、單位容積制冷量大、來源廣泛等優(yōu)勢。因此，二氧化碳制冷劑引起了人們的關注和重視。尤其是隨著我國制造技術水平的提高，二氧化碳制冷系統(tǒng)發(fā)展迅速，更是掀起了關于二氧化碳跨臨界循環(huán)系統(tǒng)研究的熱潮，該系統(tǒng)具有結構緊湊、成本低、高效率等優(yōu)勢，因此被認為是新能源領域最具有應用前景的能量轉化系統(tǒng)。

二氧化碳跨臨界循環(huán)系統(tǒng)的循環(huán)過程主要由壓縮機、氣體冷卻器、膨脹閥和蒸發(fā)組成，目前對于二氧化碳跨臨界循環(huán)系統(tǒng)性能的研究，大多數(shù)是從這幾個構成要素分析，如為了提高壓縮機的進氣溫度，并降低氣體冷卻器出來的二氧化碳制冷劑溫度，在系統(tǒng)中增設了回熱器，使得制熱和制冷性能均有了顯著的提升[1]。但由于目前對于循環(huán)系統(tǒng)的研究僅停留在各參數(shù)的定性分析上，缺乏實際性的指導作用?；诖?，本文在這些研究的基礎上，具體從溫度、流量、壓力等方面，通過建立相應的數(shù)學模型，探討關于二氧化碳臨界循環(huán)系統(tǒng)性能的影響。

1 二氧化碳跨臨界循環(huán)系統(tǒng)原理及構成

CO2跨臨界循環(huán)系統(tǒng)主要由CO2制冷循環(huán)系統(tǒng)、冷凍水循環(huán)系統(tǒng)、冷卻水循環(huán)系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)四個部分組成。

1.1 壓縮機

壓縮機是循環(huán)系統(tǒng)的核心所在，直接影響整個制冷系統(tǒng)的運行效率及穩(wěn)定性，且影響非常大。由于CO2跨臨界制冷循環(huán)系統(tǒng)的壓力較高，且壓差較大，因此對系統(tǒng)運動部件的強度要求非常高，于是對壓縮機的運行要求也較高，要耐高溫，同時管材、閥門等方面要有較高的強度。目前應用比較廣泛的是活塞式壓縮機，主要因為其技術較成熟，且適用范圍廣，在家用冰箱、房間空調(diào)等中小制冷量范圍中廣泛運用。

1.2 換熱器

換熱器主要是由盤管和散熱片構成，在CO2跨臨界制冷循環(huán)系統(tǒng)中，換熱器有多種結構形式，按照功能來劃分，可分為氣體冷卻器、蒸發(fā)器其其他內(nèi)部換熱器；按照結構來劃分，可分為板式、管翅式、微通道式這幾種[2]。而由于CO2跨臨界制冷循環(huán)系統(tǒng)的壓力較高，因此也對換熱器材質的承壓能力有較高的要求，需要保證在高壓工況下的運行效率。

1.3 回熱器

回熱器主要功能是實現(xiàn)熱量交換，換熱對象主要是蒸發(fā)器出口的高溫氣體和氣體冷卻器出口的超臨界CO2制冷劑，以此提高壓縮機的進氣溫度和降低氣體冷卻器出來的CO2制冷劑溫度，從而減少有害過熱，提高系統(tǒng)COP，也能夠減少節(jié)流損失。

2 數(shù)學模型構建及實驗設計

基于系統(tǒng)方法論基礎上，不考慮CO2跨臨界制冷循環(huán)系統(tǒng)工質運動情況，可通過構建數(shù)學模型的方式，將整個系統(tǒng)看作是一個有機整體，而這個整體是由一些典型模塊構成。然后在此基礎上，結合各模塊信息，對經(jīng)過物流的單元模塊的輸出變量計算，進而計算出整個系統(tǒng)的物流變量及能流變量。在構建完數(shù)學模型后，對CO2跨臨界循環(huán)系統(tǒng)性能影響進行實驗設計，從冷卻溫度、循環(huán)流量、分流率、循環(huán)壓力等方面對系統(tǒng)的循環(huán)效率影響進行分析[3]。

3 結果與討論

3.1 冷卻溫度

為分析冷卻溫度對系統(tǒng)循環(huán)效率的影響，給出不同的循環(huán)最低溫度，如圖1所示。

圖1 不同循環(huán)最低溫度對循環(huán)效率影響的趨勢

觀察圖1可得知，循環(huán)最低溫度對系統(tǒng)循環(huán)效率的影響主要呈現(xiàn)出兩種趨勢，一種是在臨界溫度以下，此時隨著分流率的增長，循環(huán)效率呈下降的趨勢；另一種是臨界溫度以上，此時系統(tǒng)循環(huán)效率的變化較為復雜，分流率增長變化的影響并不大。另外，還可發(fā)現(xiàn)當分流率處于0.65～0.80之間時，此時系統(tǒng)循環(huán)效率在臨近溫度附近呈現(xiàn)出局部峰值，意味著分流率的增加使得循環(huán)效率升高?？偟膩砜?，循環(huán)最低溫度在低于臨界溫度時，分率小幅降低，但循環(huán)效率顯著提升，但在分流率增加至0.95時，循環(huán)效率會呈單調(diào)降低的趨勢。而循環(huán)最低溫度高于臨界溫度時，只有分流率在0.7～0.75之間時，系統(tǒng)循環(huán)效率才有所提升。

循環(huán)最低溫度除了會影響系統(tǒng)循環(huán)效率外，也對總回熱量產(chǎn)生影響，具體如圖2所示。觀察圖2可得知，循環(huán)最低溫度對總回熱量的影響趨勢，基本與循環(huán)效率的影響趨勢一致，這意味著在不改變旋轉機械性能的情況下，系統(tǒng)的效率也取決于系統(tǒng)的回熱性能。通常對高溫回熱器出口溫度，一般是控制在355 ℃以下。但考慮有時系統(tǒng)的回熱溫度并不能夠達到這一理想效果，甚至超出這一限制，這使得系統(tǒng)效率受到影響，因此，為了確保系統(tǒng)效率的提升，就需要合理進行回熱器和系統(tǒng)運行參數(shù)的優(yōu)化。

圖2 不同循環(huán)最低溫度對總回熱量影響的趨勢

3.2 分流率

通常情況下，不同循環(huán)最低溫度對應不同的最優(yōu)分流率，且最優(yōu)分流率會隨著最低循環(huán)溫度的上升而變大，這意味著系統(tǒng)循環(huán)效率會有所降低。主要因為在循環(huán)溫度最低時，為了減少進入主壓縮機的工質，此時系統(tǒng)會通過降低分流率的方式完成，如此可促使回熱器回熱性能上升，進而減少鋪壓縮機的功耗，因此有利于提升系統(tǒng)的性能。而如果循環(huán)最低溫度處于最高溫度時，就會增加回熱器高溫出口處的溫度，這會降低系統(tǒng)的回熱量，此時就會增加進入鋪壓縮機的工質，從而使得壓縮困難，最終使得系統(tǒng)最佳循環(huán)效率降低[4]。

3.3 循環(huán)流量

在一回路運行參數(shù)無限制條件下，系統(tǒng)循環(huán)效率會隨著循環(huán)工作流量的減小而逐漸增大，這表明了在回熱能力相等的條件下，循環(huán)系統(tǒng)運行的初始溫度較高。考慮二回系統(tǒng)的運行溫度有所限制，其最高溫度限制在525 ℃以下，因此在實際二回路系統(tǒng)中，會存有一個最優(yōu)的運行工質流量，而當這一最優(yōu)工質流量的減小，相應的系統(tǒng)的循環(huán)效率也會降低。

3.4 循環(huán)壓力

不同循環(huán)壓力對應不同的分流率，因此會對系統(tǒng)循環(huán)效率產(chǎn)生影響。在不改變循環(huán)工作流量的條件下，最優(yōu)分流率會隨著循環(huán)最大壓力的升高而減小，這是因為最大壓力的升高使得回熱器兩側的工作壓力差變大，此時容易引起地傳熱夾點問題。同時，隨著循環(huán)最大壓力的升高，也會對系統(tǒng)循環(huán)效率峰值產(chǎn)生影響，會呈現(xiàn)出現(xiàn)增加后降低的趨勢，這因為分流率的減小使得回熱器夾點問題產(chǎn)生，進而使得循環(huán)效率難以提升。

4 結語

文章介紹了CO2跨臨界循環(huán)系統(tǒng)的原理及構成，并在此基礎上對影響該系統(tǒng)效率的因素進行分析，得出以下結論：

(1) CO2跨臨界循環(huán)系統(tǒng)性能受溫度、流量、分流率、壓力等多方面的影響，要想確保系統(tǒng)性能的提升，需從這幾個方面的進行參數(shù)優(yōu)化。

(2)在CO2跨臨界循環(huán)系統(tǒng)實際運行中，分流率、循環(huán)溫度等參數(shù)均對系統(tǒng)的運行效率產(chǎn)生影響。其中，在反應堆堆型固定時，系統(tǒng)運行的效率主要取決于系統(tǒng)的回熱性能，此時就需要通過優(yōu)化回熱器運行參數(shù)及系統(tǒng)運行參數(shù)的方式，來提升系統(tǒng)效率；另外，系統(tǒng)循環(huán)效率也受到工質流量大小的影響，主要表現(xiàn)為分流率的增大使得系統(tǒng)最優(yōu)工質流量減小，此時循環(huán)效率會降低。