基于循環模擬模型的二氧化碳循環效能分析

蔣文勝

(柳州職業技術學院機電工程系，廣西柳州545006)

基于循環模擬模型的二氧化碳循環效能分析

蔣文勝

(柳州職業技術學院機電工程系，廣西柳州545006)

針對二氧化碳熱泵性能改進問題，設計了一個基于循環模擬模型開展仿真模擬研究。通過改變該模型的輸入參數和運行條件，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壓縮機和帶有膨脹箱的雙級壓縮機的工作模型，并對該模型進行仿真測試，結果表明最多可以比傳統的工作系統提高跨臨界二氧化碳循環20%的加熱性能和28%的制冷性能。

二氧化碳;制冷;熱泵;模型;雙級壓縮機;膨脹箱

0 前言

由于CO2的全球增溫潛勢幾乎可以忽略不計，而且其臭氧消耗潛勢(ODP)為零，相對安全，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在生活用水加熱系統中的應用在電力消耗和加熱效率方面相對于傳統系統而言表現出極大的優越性［1］。然而，由于跨臨界二氧化碳制冷系統的膨脹損失較大且在氣體制冷過程中有較強的不可逆性，所以跨臨界二氧化碳制冷系統的性能低于傳統的空調系統［2］。因此，為了研究一個有競爭力的商用產品，利用先進技術來改善制冷模式中的跨臨界二氧化碳系統的性能就顯得尤為重要。

已經有很多學者對跨臨界二氧化碳制冷系統的應用進行了較為廣泛的研究，Hwang［3］等人已經使用膨脹機，雙級壓縮循環和蒸發氣體制冷器對二氧化碳循環的性能進行了模擬研究;Groll［4］等人也對通過改變第一級壓縮機和第二級壓縮機的壓縮系數來對膨脹機和雙級壓縮機循環的性能進行理論上的研究;叢麗［5］等人分別利用具有相同電力消耗的往復式、旋轉式和螺旋式壓縮機來對二氧化碳循環性能的優化進行了探索;秦宏波［6］等人通過引進壓縮機的排出壓力控制，在理論和實驗上對二氧化碳循環的性能優化進行了研究;劉敬輝［7］、喬琳琳［8］等人利用簡化的數學模型來對雙級壓縮循環和傳統循環進行了對比研究。

盡管已經有很多的學者對超臨界二氧化碳循環的性能進行了研究探索，但是對于有望成為商用產品的二氧化碳熱泵的研究仍然停留在初級階段［9－10］，特別是二氧化碳循環在制冷模式運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諸如膨脹機，帶有中間冷卻器的雙級壓縮機循環系統以及帶有膨脹箱的雙級壓縮機等先進技術的效率進行理論上的估算［11］，從而分析可能實現的二氧化碳熱泵性能優化的相關方法。

1 跨臨界循環模型

1.1 系統模型

二氧化碳熱泵的組成包括:壓縮機、氣體冷卻器、蒸發器以及一個膨脹設備［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生在超臨界的區域內。在假定的壓縮機進氣狀態的基礎上，用于壓縮機、氣體冷卻器以及膨脹機的各個模型都可以運行。通過對比壓縮機模型中測得的工質流量和從膨脹設備模型中獲得的工質流量來檢查所計算的第一次匯聚，然后，在蒸發器模型中計算蒸發器的性能，把壓縮機進氣口的估算過熱量和初始計算設定值進行比較，從而實現第二次聚合［13］。

通過在熱泵中應用膨脹機，帶有中間冷卻器的雙級壓縮機以及帶有膨脹箱的雙級壓縮機來改變室外溫度，從而實現對二氧化碳熱泵的性能模擬。膨脹機效率在膨脹機循環中是各不相同的，而且帶有中間冷卻器和膨脹箱的雙級壓縮循環中的中間制冷壓力和工質流量也分別有所改變。

1.2 壓縮機模型

因為二氧化碳循環中的壓縮機是在高壓高溫下運行的，所以要嚴格的考慮壓縮過程中的制冷劑泄漏情況。往復壓縮機的模擬是通過考慮壓縮過程中的電動機效率、機械效率和制冷劑泄漏率等因素來解決工質和能量方程從而實現的。

描述壓縮機模型的工作模型之前先定義相關符號名稱:

T:溫度(℃);h:焓(kJ/kg);m:工質流量(kg/s);n:多方系數(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;cyl:汽缸;db:干球;dis:排量;in:進口;isen:等熵變化;leak:泄漏;suc:吸氣;νol，the:理論容量;wb:濕球。

壓縮機模型的工作模型描述如下:

其中，余隙容積比一般選為0.02，在實際的工作過程中能夠收到比較好的效果。

壓縮機功的計算是通過等熵壓縮假設的壓縮機進氣口和出氣口的焓差來實現的。

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和室外的盤管，管子內徑為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和特性是在有限控制容積中的工質和容量方程的基礎上測得的，然后所得數值用于控制下一容量的進氣參數。

2 基本循環模擬結果

圖1給出的是室外溫度下供熱能量及工作系數的變化。一般來說，供熱能量隨著室外溫度的增加而增加。壓縮機進氣口溫度和壓力也呈現出隨室外溫度增加而增加的趨勢，從而使得壓縮機的排出溫度和壓力更高。室外溫度超過5℃時供熱能量和工作系數的斜率也會變得更大，這是因為供熱能量的斜率高于壓縮機的斜率。室外溫度為5℃和10℃時，供熱工作系數分別為3.3和3.6。

圖1 供熱能力和工作系數的變化情況

圖2表示的是室外溫度下制冷能力和工作系數的變化。隨著室外溫度的增加，氣體制冷壓力的增長遠遠比蒸發壓力的增長要明顯得多，因此氣體冷卻器和蒸發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，從而使得蒸發器輸入量的工質更高。因此，制冷工作系數會隨著室外溫度的增加而急劇減少。在室外溫度為35℃和40℃時，制冷工作系數分別為2.4和2.0。Hwang等人指出二氧化碳循環在室外溫度為30℃時的制冷工作系數為2.5。

圖2 制冷能力和工作系數的變化情況

3 帶有膨脹機的二氧化碳循環系統性能影響分析

在膨脹過程中二氧化碳循環會經歷一個很大的壓降過程。如圖3所示，膨脹機產生的電力通過氣體冷卻器作用于壓縮過程，而且膨脹機是在等熵過程中運行，這樣可以借助膨脹機較低的輸入工質來增強制冷能力。二氧化碳循環的性能模擬是通過改變膨脹機效率來實現的。膨脹機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隨著壓縮機效率的增加而增加，然而總壓縮功會因為壓縮機功的減少而減少。因此，膨脹期循環的工作系數會隨著膨脹機效率的增加而增加。在本文所分析的帶有膨脹機的二氧化碳循環過程中，假設單獨膨脹機產生的功是膨脹機和氣體冷卻器之間壓力差產生功的50%。

圖3 帶有膨脹機的二氧化碳循環過程

相對于膨脹機效率，制冷能力以15%～20%的比例增長，隨著膨脹機效率的增高而產出更高的供熱和制冷工作系數，如圖4所示。本文中，當膨脹機效率為30%的時候，制冷工作系數以28%的比例增長，供熱工作系數以22%的比例增長。Hwang等人也曾證明在與本文運行條件一致的情況下，膨脹機效率為40%時的制冷工作系數會增加30%。然而，為了成功的將膨脹機應用到二氧化碳循環中，就需要研究一個在高壓情況下泄漏較少、效率較高的膨脹機。

圖4 膨脹機效率與工作系數的變化

4 雙級壓縮循環對制冷系統性能影響分析

4.1 帶有中間冷卻器的雙級壓縮循環

研究帶有中間冷卻器的雙級壓縮循環的目的是在氣體冷卻器和膨脹機之間較大的壓力差的情況下，減少壓縮機的輸入功率，從而完善二氧化碳循環的性能。圖5表示的是帶有中間冷卻器的雙級壓縮循環示意圖。與單個壓縮機循環系統相比，雙級壓縮循環系統的中間冷卻器配有一個翅片式熱交換器，設定在固定的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現模擬，隨著中間冷卻器壓力的增加，第一級壓縮機的功率輸入也隨之增加，但是第二級壓縮機的功率輸入卻減少。雙級壓縮循環的總壓縮機功比基本循環的要低得多。在本文中，在中間制冷壓力為6 MPa時總壓縮機功以8%的比例減少。Groll等人研究指出在帶有中間冷卻器的雙級壓縮循環中，總壓縮機功以8%的比例減少。

圖5 帶有中間冷卻器的雙級壓縮循環示意圖

圖6表示的是在中間制冷壓力時供熱和制冷工作系數的變化。隨著中間制冷壓力的增加，供熱工作系數則遞減。然而，制冷工作系數則會隨著中間制冷壓力的增加而增強，這是因為制冷模式中壓縮機功和排出溫度會有一個明顯下降造成的。本研究中，在中間制冷壓力為6 MPa時供熱工作系數和制冷工作系數的增長比例分別為13%和30%。Hwang等人研究得出在相同工作條件下制冷工作系數的增長率為20%。Groll等人研究證明在不使用內部熱交換器的條件下制冷工作系數會增長8%。

圖6 帶中間制冷壓力與工作系數的變化

4.2 帶有膨脹箱的雙級壓縮循環

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

圖7 帶有膨脹箱的雙級壓縮循環示意圖

圖8表示的是就第一級循環工質比而言的制冷工作系數和供熱工作系數的變化。供熱工作系數趨向于隨著第一級循環工質比的增加而減少，但是制冷工作系數則隨著工質比的增加而有輕微增加。因此，為了實現供熱和制冷性能的優化，就有必要控制第一級循環中的工質流量。本文中，第一級循環中優化的工質比為70%，在這一條件下，帶有膨脹箱的雙級壓縮循環對供熱和制冷性能的優化要比基本循環分別高5.8%和9%。

圖8 帶有膨脹箱的雙級壓縮循環的工作系數變化

5 總結

通過應用膨脹機，帶有中間冷卻器的雙級壓縮機和帶有膨脹箱的雙級壓縮機對二氧化碳熱泵的性能優化進行了數值上的估算，根據分析所得數據，可以發現:在室外溫度為5℃和35℃時，基本循環的供熱和制冷工作系數分別為3.3和2.5。為了實現在變動的室外溫度條件下對循環的優化，就要控制壓縮機的排出壓力。在膨脹機效率為30%時，應用膨脹機的二氧化碳循環的制冷和供熱工作系數可以分別優化28%和22%。然而在高壓下需要研制一個具有較低泄漏和較高效率的膨脹機。應用帶有中間冷卻器的雙級壓縮機時，二氧化碳循環呈現出壓縮機功減少，制冷能力增加的現象。制冷工作系數隨著第一級壓縮比的增長而增長，但是供熱工作系數則隨之減少。

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［責任編輯劉景平］

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，柳州職業技術學院機電工程系副教授，主要研究方向:空調制冷技術。

柳州職業技術學院科研基金資助課題(2009B01)。

2012－01－10