基于循環(huán)模擬模型的二氧化碳循環(huán)效能分析

蔣文勝

(柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，廣西柳州545006)

基于循環(huán)模擬模型的二氧化碳循環(huán)效能分析

蔣文勝

(柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，廣西柳州545006)

針對(duì)二氧化碳熱泵性能改進(jìn)問題，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于循環(huán)模擬模型開展仿真模擬研究。通過改變?cè)撃Ｐ偷妮斎雲(yún)?shù)和運(yùn)行條件，研究模型的最佳工作條件及性能提高的途徑。提出了采用中間冷卻器的雙級(jí)壓縮機(jī)和帶有膨脹箱的雙級(jí)壓縮機(jī)的工作模型，并對(duì)該模型進(jìn)行仿真測(cè)試，結(jié)果表明最多可以比傳統(tǒng)的工作系統(tǒng)提高跨臨界二氧化碳循環(huán)20%的加熱性能和28%的制冷性能。

二氧化碳;制冷;熱泵;模型;雙級(jí)壓縮機(jī);膨脹箱

0 前言

由于CO2的全球增溫潛勢(shì)幾乎可以忽略不計(jì)，而且其臭氧消耗潛勢(shì)(ODP)為零，相對(duì)安全，所以常被看作是氯氟烴制冷劑(CFC)和氟利昂制冷劑(HFC)的替代物。跨臨界二氧化碳循環(huán)在生活用水加熱系統(tǒng)中的應(yīng)用在電力消耗和加熱效率方面相對(duì)于傳統(tǒng)系統(tǒng)而言表現(xiàn)出極大的優(yōu)越性［1］。然而，由于跨臨界二氧化碳制冷系統(tǒng)的膨脹損失較大且在氣體制冷過程中有較強(qiáng)的不可逆性，所以跨臨界二氧化碳制冷系統(tǒng)的性能低于傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)［2］。因此，為了研究一個(gè)有競(jìng)爭(zhēng)力的商用產(chǎn)品，利用先進(jìn)技術(shù)來改善制冷模式中的跨臨界二氧化碳系統(tǒng)的性能就顯得尤為重要。

已經(jīng)有很多學(xué)者對(duì)跨臨界二氧化碳制冷系統(tǒng)的應(yīng)用進(jìn)行了較為廣泛的研究，Hwang［3］等人已經(jīng)使用膨脹機(jī)，雙級(jí)壓縮循環(huán)和蒸發(fā)氣體制冷器對(duì)二氧化碳循環(huán)的性能進(jìn)行了模擬研究;Groll［4］等人也對(duì)通過改變第一級(jí)壓縮機(jī)和第二級(jí)壓縮機(jī)的壓縮系數(shù)來對(duì)膨脹機(jī)和雙級(jí)壓縮機(jī)循環(huán)的性能進(jìn)行理論上的研究;叢麗［5］等人分別利用具有相同電力消耗的往復(fù)式、旋轉(zhuǎn)式和螺旋式壓縮機(jī)來對(duì)二氧化碳循環(huán)性能的優(yōu)化進(jìn)行了探索;秦宏波［6］等人通過引進(jìn)壓縮機(jī)的排出壓力控制，在理論和實(shí)驗(yàn)上對(duì)二氧化碳循環(huán)的性能優(yōu)化進(jìn)行了研究;劉敬輝［7］、喬琳琳［8］等人利用簡(jiǎn)化的數(shù)學(xué)模型來對(duì)雙級(jí)壓縮循環(huán)和傳統(tǒng)循環(huán)進(jìn)行了對(duì)比研究。

盡管已經(jīng)有很多的學(xué)者對(duì)超臨界二氧化碳循環(huán)的性能進(jìn)行了研究探索，但是對(duì)于有望成為商用產(chǎn)品的二氧化碳熱泵的研究仍然停留在初級(jí)階段［9－10］，特別是二氧化碳循環(huán)在制冷模式運(yùn)行中的性能改善方法的研究尤為重要。本文的目的在于通過對(duì)諸如膨脹機(jī)，帶有中間冷卻器的雙級(jí)壓縮機(jī)循環(huán)系統(tǒng)以及帶有膨脹箱的雙級(jí)壓縮機(jī)等先進(jìn)技術(shù)的效率進(jìn)行理論上的估算［11］，從而分析可能實(shí)現(xiàn)的二氧化碳熱泵性能優(yōu)化的相關(guān)方法。

1 跨臨界循環(huán)模型

1.1 系統(tǒng)模型

二氧化碳熱泵的組成包括:壓縮機(jī)、氣體冷卻器、蒸發(fā)器以及一個(gè)膨脹設(shè)備［12］。由于二氧化碳的臨界溫度較低，因此二氧化碳中的排熱過程常發(fā)生在超臨界的區(qū)域內(nèi)。在假定的壓縮機(jī)進(jìn)氣狀態(tài)的基礎(chǔ)上，用于壓縮機(jī)、氣體冷卻器以及膨脹機(jī)的各個(gè)模型都可以運(yùn)行。通過對(duì)比壓縮機(jī)模型中測(cè)得的工質(zhì)流量和從膨脹設(shè)備模型中獲得的工質(zhì)流量來檢查所計(jì)算的第一次匯聚，然后，在蒸發(fā)器模型中計(jì)算蒸發(fā)器的性能，把壓縮機(jī)進(jìn)氣口的估算過熱量和初始計(jì)算設(shè)定值進(jìn)行比較，從而實(shí)現(xiàn)第二次聚合［13］。

通過在熱泵中應(yīng)用膨脹機(jī)，帶有中間冷卻器的雙級(jí)壓縮機(jī)以及帶有膨脹箱的雙級(jí)壓縮機(jī)來改變室外溫度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)二氧化碳熱泵的性能模擬。膨脹機(jī)效率在膨脹機(jī)循環(huán)中是各不相同的，而且?guī)в兄虚g冷卻器和膨脹箱的雙級(jí)壓縮循環(huán)中的中間制冷壓力和工質(zhì)流量也分別有所改變。

1.2 壓縮機(jī)模型

因?yàn)槎趸佳h(huán)中的壓縮機(jī)是在高壓高溫下運(yùn)行的，所以要嚴(yán)格的考慮壓縮過程中的制冷劑泄漏情況。往復(fù)壓縮機(jī)的模擬是通過考慮壓縮過程中的電動(dòng)機(jī)效率、機(jī)械效率和制冷劑泄漏率等因素來解決工質(zhì)和能量方程從而實(shí)現(xiàn)的。

描述壓縮機(jī)模型的工作模型之前先定義相關(guān)符號(hào)名稱:

T:溫度(℃);h:焓(kJ/kg);m:工質(zhì)流量(kg/s);n:多方系數(shù)(m/s);P:壓力(kPa);V:容量(m3);W:功(kW);η:效率;ρ:密度;R:泄漏量;comp:壓縮機(jī);cyl:汽缸;db:干球;dis:排量;in:進(jìn)口;isen:等熵變化;leak:泄漏;suc:吸氣;νol，the:理論容量;wb:濕球。

壓縮機(jī)模型的工作模型描述如下:

其中，余隙容積比一般選為0.02，在實(shí)際的工作過程中能夠收到比較好的效果。

壓縮機(jī)功的計(jì)算是通過等熵壓縮假設(shè)的壓縮機(jī)進(jìn)氣口和出氣口的焓差來實(shí)現(xiàn)的。

1.3 熱交換器模型

帶有分支螺旋肋片的翅片式熱交換器常用于室內(nèi)和室外的盤管，管子內(nèi)徑為4 mm，厚度為0.5 mm，以便能夠在超過150 MPa的高壓下繼續(xù)工作。可以用管接管的方法來分析熱交換器。排氣管制冷劑的參數(shù)和特性是在有限控制容積中的工質(zhì)和容量方程的基礎(chǔ)上測(cè)得的，然后所得數(shù)值用于控制下一容量的進(jìn)氣參數(shù)。

2 基本循環(huán)模擬結(jié)果

圖1給出的是室外溫度下供熱能量及工作系數(shù)的變化。一般來說，供熱能量隨著室外溫度的增加而增加。壓縮機(jī)進(jìn)氣口溫度和壓力也呈現(xiàn)出隨室外溫度增加而增加的趨勢(shì)，從而使得壓縮機(jī)的排出溫度和壓力更高。室外溫度超過5℃時(shí)供熱能量和工作系數(shù)的斜率也會(huì)變得更大，這是因?yàn)楣崮芰康男甭矢哂趬嚎s機(jī)的斜率。室外溫度為5℃和10℃時(shí)，供熱工作系數(shù)分別為3.3和3.6。

圖1 供熱能力和工作系數(shù)的變化情況

圖2表示的是室外溫度下制冷能力和工作系數(shù)的變化。隨著室外溫度的增加，氣體制冷壓力的增長(zhǎng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)比蒸發(fā)壓力的增長(zhǎng)要明顯得多，因此氣體冷卻器和蒸發(fā)器之間的壓力差也隨之增大。此外，隨著室外溫度的增加，氣體冷卻器的出氣口溫度也隨之增長(zhǎng)，從而使得蒸發(fā)器輸入量的工質(zhì)更高。因此，制冷工作系數(shù)會(huì)隨著室外溫度的增加而急劇減少。在室外溫度為35℃和40℃時(shí)，制冷工作系數(shù)分別為2.4和2.0。Hwang等人指出二氧化碳循環(huán)在室外溫度為30℃時(shí)的制冷工作系數(shù)為2.5。

圖2 制冷能力和工作系數(shù)的變化情況

3 帶有膨脹機(jī)的二氧化碳循環(huán)系統(tǒng)性能影響分析

在膨脹過程中二氧化碳循環(huán)會(huì)經(jīng)歷一個(gè)很大的壓降過程。如圖3所示，膨脹機(jī)產(chǎn)生的電力通過氣體冷卻器作用于壓縮過程，而且膨脹機(jī)是在等熵過程中運(yùn)行，這樣可以借助膨脹機(jī)較低的輸入工質(zhì)來增強(qiáng)制冷能力。二氧化碳循環(huán)的性能模擬是通過改變膨脹機(jī)效率來實(shí)現(xiàn)的。膨脹機(jī)效率指的是有效的壓縮功和總壓縮功之比。壓縮功與總壓縮功的比率會(huì)隨著壓縮機(jī)效率的增加而增加，然而總壓縮功會(huì)因?yàn)閴嚎s機(jī)功的減少而減少。因此，膨脹期循環(huán)的工作系數(shù)會(huì)隨著膨脹機(jī)效率的增加而增加。在本文所分析的帶有膨脹機(jī)的二氧化碳循環(huán)過程中，假設(shè)單獨(dú)膨脹機(jī)產(chǎn)生的功是膨脹機(jī)和氣體冷卻器之間壓力差產(chǎn)生功的50%。

圖3 帶有膨脹機(jī)的二氧化碳循環(huán)過程

相對(duì)于膨脹機(jī)效率，制冷能力以15%～20%的比例增長(zhǎng)，隨著膨脹機(jī)效率的增高而產(chǎn)出更高的供熱和制冷工作系數(shù)，如圖4所示。本文中，當(dāng)膨脹機(jī)效率為30%的時(shí)候，制冷工作系數(shù)以28%的比例增長(zhǎng)，供熱工作系數(shù)以22%的比例增長(zhǎng)。Hwang等人也曾證明在與本文運(yùn)行條件一致的情況下，膨脹機(jī)效率為40%時(shí)的制冷工作系數(shù)會(huì)增加30%。然而，為了成功的將膨脹機(jī)應(yīng)用到二氧化碳循環(huán)中，就需要研究一個(gè)在高壓情況下泄漏較少、效率較高的膨脹機(jī)。

圖4 膨脹機(jī)效率與工作系數(shù)的變化

4 雙級(jí)壓縮循環(huán)對(duì)制冷系統(tǒng)性能影響分析

4.1 帶有中間冷卻器的雙級(jí)壓縮循環(huán)

研究帶有中間冷卻器的雙級(jí)壓縮循環(huán)的目的是在氣體冷卻器和膨脹機(jī)之間較大的壓力差的情況下，減少壓縮機(jī)的輸入功率，從而完善二氧化碳循環(huán)的性能。圖5表示的是帶有中間冷卻器的雙級(jí)壓縮循環(huán)示意圖。與單個(gè)壓縮機(jī)循環(huán)系統(tǒng)相比，雙級(jí)壓縮循環(huán)系統(tǒng)的中間冷卻器配有一個(gè)翅片式熱交換器，設(shè)定在固定的3.5 MPa的低壓和10 MPa的高壓中。通過改變中間冷卻器壓力來實(shí)現(xiàn)模擬，隨著中間冷卻器壓力的增加，第一級(jí)壓縮機(jī)的功率輸入也隨之增加，但是第二級(jí)壓縮機(jī)的功率輸入?yún)s減少。雙級(jí)壓縮循環(huán)的總壓縮機(jī)功比基本循環(huán)的要低得多。在本文中，在中間制冷壓力為6 MPa時(shí)總壓縮機(jī)功以8%的比例減少。Groll等人研究指出在帶有中間冷卻器的雙級(jí)壓縮循環(huán)中，總壓縮機(jī)功以8%的比例減少。

圖5 帶有中間冷卻器的雙級(jí)壓縮循環(huán)示意圖

圖6表示的是在中間制冷壓力時(shí)供熱和制冷工作系數(shù)的變化。隨著中間制冷壓力的增加，供熱工作系數(shù)則遞減。然而，制冷工作系數(shù)則會(huì)隨著中間制冷壓力的增加而增強(qiáng)，這是因?yàn)橹评淠Ｊ街袎嚎s機(jī)功和排出溫度會(huì)有一個(gè)明顯下降造成的。本研究中，在中間制冷壓力為6 MPa時(shí)供熱工作系數(shù)和制冷工作系數(shù)的增長(zhǎng)比例分別為13%和30%。Hwang等人研究得出在相同工作條件下制冷工作系數(shù)的增長(zhǎng)率為20%。Groll等人研究證明在不使用內(nèi)部熱交換器的條件下制冷工作系數(shù)會(huì)增長(zhǎng)8%。

圖6 帶中間制冷壓力與工作系數(shù)的變化

4.2 帶有膨脹箱的雙級(jí)壓縮循環(huán)

圖7表示的是帶有膨脹箱的雙級(jí)壓縮循環(huán)示意圖。在第一級(jí)膨脹設(shè)備和第二級(jí)膨脹設(shè)備之間設(shè)有一個(gè)膨脹箱，其輸出的蒸汽一部分送入第一級(jí)膨脹機(jī)，另一部分送入熱交換器。第一級(jí)膨脹機(jī)輸出的氣體既能送入熱交換器，也能夠送入氣體冷卻器，然后通過第一級(jí)壓縮機(jī)、第二級(jí)壓縮機(jī)，由于第一級(jí)壓縮機(jī)放出的制冷劑與通過膨脹箱的蒸汽混合，使得二級(jí)壓縮機(jī)的進(jìn)氣溫度降低。溫度較低的液體通過蒸發(fā)器再次送入第二級(jí)膨脹機(jī)。雙級(jí)膨脹設(shè)備的應(yīng)用使得在膨脹過程中的焓差增大。

圖7 帶有膨脹箱的雙級(jí)壓縮循環(huán)示意圖

圖8表示的是就第一級(jí)循環(huán)工質(zhì)比而言的制冷工作系數(shù)和供熱工作系數(shù)的變化。供熱工作系數(shù)趨向于隨著第一級(jí)循環(huán)工質(zhì)比的增加而減少，但是制冷工作系數(shù)則隨著工質(zhì)比的增加而有輕微增加。因此，為了實(shí)現(xiàn)供熱和制冷性能的優(yōu)化，就有必要控制第一級(jí)循環(huán)中的工質(zhì)流量。本文中，第一級(jí)循環(huán)中優(yōu)化的工質(zhì)比為70%，在這一條件下，帶有膨脹箱的雙級(jí)壓縮循環(huán)對(duì)供熱和制冷性能的優(yōu)化要比基本循環(huán)分別高5.8%和9%。

圖8 帶有膨脹箱的雙級(jí)壓縮循環(huán)的工作系數(shù)變化

5 總結(jié)

通過應(yīng)用膨脹機(jī)，帶有中間冷卻器的雙級(jí)壓縮機(jī)和帶有膨脹箱的雙級(jí)壓縮機(jī)對(duì)二氧化碳熱泵的性能優(yōu)化進(jìn)行了數(shù)值上的估算，根據(jù)分析所得數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn):在室外溫度為5℃和35℃時(shí)，基本循環(huán)的供熱和制冷工作系數(shù)分別為3.3和2.5。為了實(shí)現(xiàn)在變動(dòng)的室外溫度條件下對(duì)循環(huán)的優(yōu)化，就要控制壓縮機(jī)的排出壓力。在膨脹機(jī)效率為30%時(shí)，應(yīng)用膨脹機(jī)的二氧化碳循環(huán)的制冷和供熱工作系數(shù)可以分別優(yōu)化28%和22%。然而在高壓下需要研制一個(gè)具有較低泄漏和較高效率的膨脹機(jī)。應(yīng)用帶有中間冷卻器的雙級(jí)壓縮機(jī)時(shí)，二氧化碳循環(huán)呈現(xiàn)出壓縮機(jī)功減少，制冷能力增加的現(xiàn)象。制冷工作系數(shù)隨著第一級(jí)壓縮比的增長(zhǎng)而增長(zhǎng)，但是供熱工作系數(shù)則隨之減少。

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［責(zé)任編輯劉景平］

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

蔣文勝(1968－)，男，重慶人，柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系副教授，主要研究方向:空調(diào)制冷技術(shù)。

柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院科研基金資助課題(2009B01)。

2012－01－10