膨脹閥開度對跨臨界CO2制冷系統(tǒng)損失影響的實驗研究

馬娟麗,劉昌海,周騫,陳興亞,侯予,2

(1.西安交通大學能源與動力工程學院, 710049, 西安;2.西安交通大學動力工程多相流國家重點實驗室, 710049, 西安)

馬娟麗1,劉昌海1,周騫1,陳興亞1,侯予1,2

(1.西安交通大學能源與動力工程學院, 710049, 西安;2.西安交通大學動力工程多相流國家重點實驗室, 710049, 西安)

為提高跨臨界CO2制冷系統(tǒng)的性能,研究電子膨脹閥開度變化對水-水跨臨界CO2制冷系統(tǒng)各個組件相對火用損失的影響,搭建了帶電子膨脹閥的水-水跨臨界CO2制冷系統(tǒng)實驗臺,測試了跨臨界CO2制冷系統(tǒng)在恒定進水溫度、不同電子膨脹閥開度下的運行參數(shù)?；趯嶒灁?shù)據(jù),給出了不同電子膨脹閥開度下系統(tǒng)性能系數(shù)、系統(tǒng)火用效率和各個設備組件的相對火用損失,計算了膨脹閥在最佳開度、氣體冷卻器側水進口溫度為30 ℃、蒸發(fā)器側水進口溫度為15℃時,各個設備的火用效率?；谧罴雅蛎涢y開度時系統(tǒng)內各設備的相對火用損失和火用效率的計算結果,分析了各設備性能提高的潛力。計算結果顯示:膨脹閥開度在最佳值時,壓縮機和氣體冷卻器的相對火用損失分別為總火用損失的49.4%和18.9%,設備火用效率分別為60.7%和37.6%,壓縮機和氣體冷卻器性能有較大的提升空間。

跨臨界CO2制冷系統(tǒng);膨脹閥開度;火用損失

作為一種良好的自然工質制冷劑,CO2具有很多獨特的性質,比如零消耗臭氧潛能值(ODP)、可忽略的全球變暖潛能值(GWP)、較高的傳熱系數(shù)和體積容量、無毒性、不易燃性及低廉的價格。自從Lorentzen等提出將跨臨界CO2循環(huán)用于汽車空調[1]后,使用CO2工質替代氯氟碳化合物(CFC)以及氫氯氟碳化合物(HCFC)制冷劑逐漸引起人們的關注,并將CO2工質擴展至其他領域,比如制冷、熱泵及民用空調領域。

火用分析廣泛用于蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng),很多學者已經對跨臨界CO2循環(huán)進行了火用分析[2-6]。Douglas等建立了CO2循環(huán)的數(shù)學模型,根據(jù)模型的計算結果,給出了跨臨界CO2循環(huán)的火用分析結果,指出膨脹閥的火用損失最大,其次是壓縮機的火用損失以及氣體冷卻器的火用損失,最后是蒸發(fā)器的火用損失[2]。Fartaj依據(jù)熱力學第二定律對CO2制冷循環(huán)進行了分析,該制冷系統(tǒng)采用空氣作為載冷劑,他們的分析結果顯示壓縮機和氣體冷卻器對系統(tǒng)的總火用損失貢獻最大[3]。Yang對帶有膨脹閥和膨脹機的跨臨界CO2制冷系統(tǒng)進行了比較研究,分析結果表明最大的火用損失發(fā)生在膨脹閥,氣體冷卻器和壓縮機的火用損失分別排在第二和第三位,蒸發(fā)器的火用損失最小[4]。Sarkar給出了跨臨界CO2熱泵同時制冷制熱系統(tǒng)的火用分析,該熱泵系統(tǒng)采用水作為傳遞氣體冷卻器和蒸發(fā)器熱量的工質,計算結果表明壓縮機的火用損失最大,隨后是氣體冷卻器、蒸發(fā)器和膨脹閥的火用損失,回熱器的火用損失基本可以忽略[5]。Tao依據(jù)實驗數(shù)據(jù)對跨臨界CO2民用空調系統(tǒng)做了火用分析,該空調系統(tǒng)采用空氣作為載冷劑,計算結果表明氣體冷卻器和膨脹閥的火用損失對系統(tǒng)總火用損失的貢獻最大[6]。

文獻綜述表明以往的火用分析大多基于理論計算,且僅研究了運行條件對循環(huán)火用損失和火用效率的影響。與傳統(tǒng)亞臨界循環(huán)不同,氣體冷卻器的壓力和溫度是非耦合的,這樣跨臨界CO2循環(huán)就存在一個最優(yōu)壓力,循環(huán)在該壓力時,循環(huán)效率最高。對于跨臨界CO2系統(tǒng),一般主要通過改變膨脹閥開度來調節(jié)氣體冷卻器壓力。膨脹閥開度對系統(tǒng)性能有很大影響,但是關于膨脹閥開度對跨臨界CO2系統(tǒng)性能和壓力的影響的研究文獻很少,Baek等研究了恒定室外溫度和室內溫度下,膨脹閥開度對跨臨界CO2系統(tǒng)性能和壓力的影響[7]。目前還沒有關于膨脹閥開度對跨臨界CO2系統(tǒng)火用損失影響的研究工作,本文測試了帶有膨脹閥的跨臨界CO2水-水系統(tǒng)在恒定進水溫度、不同膨脹閥開度下的運行參數(shù)?；跍y試結果,本文給出了膨脹閥開度對設備相對火用損失和系統(tǒng)火用效率的影響,并給出了膨脹閥開度為最佳值、水進口溫度為常數(shù)時,各設備的火用效率?；谂蛎涢y開度為最佳值時系統(tǒng)內各設備的相對火用損失和火用效率的計算結果,本文最后分析了各設備性能提高的潛力。

1 實驗臺建設

CO2實驗系統(tǒng)由制冷系統(tǒng)、水系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)3部分組成。制冷系統(tǒng)的流程圖見圖1。制冷系統(tǒng)主要由往復式壓縮機、蒸發(fā)器、電子膨脹閥、氣液分離器、氣體冷卻器和油分離器組成。更多的設備細節(jié)特性見表1。

1～4:狀態(tài)點

兩個水系統(tǒng)分別用于調節(jié)蒸發(fā)器和氣體冷卻器的換熱量。進口水溫的調節(jié)范圍為5～90 ℃,控制精度為±0.5℃。

溫度測量采用T型熱電偶,所有熱電偶采用標準熱電阻進行標定,標定后的精度為0.1 ℃,測量范圍為-10～100 ℃。壓力通過壓力傳感器測量,壓力傳感器的測量精度為±2.5%。為了減少管路的熱損失,系統(tǒng)連接管路都采用保溫層進行絕熱。壓縮機功率采用青智QZ8901功率儀進行測量,功率儀電壓測量范圍為10.0～500.0 V,電流測量范圍為0.030～40.00 A,測量誤差為±(0.4%讀數(shù)+0.1%量程)。水流量采用渦輪流量計進行測量,精度均為±0.5%。所有的壓力、溫度和流量都使用YOKOGAWA MV2000數(shù)據(jù)記錄儀連續(xù)記錄。

表1 主要設備特性

2 熱力分析

對純工質,忽略動能和勢能時在某一狀態(tài)下的比火用可表示為

ψ=h-h0-T0(s-s0)

(1)

不同設備組件的火用損失計算如下:

壓縮機的火用損失

Icom=W+mr(ψ1-ψ2)

(2)

氣體冷卻器的火用損失

Igas=mr(ψ2-ψ3)+mwg(ψwgi-ψwgo)

(3)

膨脹閥的火用損失

Ival=mr(ψ3-ψ4)

(4)

蒸發(fā)器的火用損失

Ieva=mr(ψ4-ψ1)+mwe(ψwei-ψweo)

(5)

相對火用損失

(6)

各個組件的火用效率計算如下:

壓縮機的火用效率

(7)

式中:mr表示制冷劑的質量流量。

氣體冷卻器的火用效率

(8)

式中:ψwgi和ψwgo分別表示氣體冷卻器進出口的比火用;mwg表示氣體冷卻器側水的質量流量。

膨脹閥的火用效率

(9)

蒸發(fā)器的火用效率

(10)

式中:ψwei和ψweo分別表示蒸發(fā)器進出口的比火用;mwe表示蒸發(fā)器側水的質量流量。

系統(tǒng)總的火用效率

(11)

系統(tǒng)性能系數(shù)(COP)

(12)

3 火用分析結果和討論

在本文的實驗中,選擇膨脹閥開度作為控制參數(shù)。基于測試數(shù)據(jù),下面給出了膨脹閥開度對COP、系統(tǒng)火用效率和各設備相對火用損失的影響。另外,為了分析設備性能提高的潛力,文中也給出了膨脹閥在最佳開度、氣體冷卻器側水進口溫度為30 ℃、蒸發(fā)器側水進口溫度為15℃時,各個設備的火用效率。

3.1 膨脹閥開度對COP和火用效率的影響

合理控制氣體冷卻器壓力可提高跨臨界CO2循環(huán)的性能,氣體冷卻器壓力主要通過膨脹閥開度來調節(jié)。如圖2所示:COP和火用效率開始隨著膨脹閥開度的增大而增大,然后又隨著膨脹閥開度的增大而減小;當膨脹閥開度達到60%時,COP達到最大值;當膨脹閥開度達到50%時,火用效率達到最大值。造成這種COP趨勢的原因是由于超臨界區(qū)內S型的t3等溫線和壓縮過程線的形狀所導致的。

圖2 膨脹閥開度對COP和火用效率的影響

3.2 膨脹閥開度對總火用損失的影響

圖3給出了膨脹閥開度對總火用損失的影響。從圖中可以看出,總火用損失也存在極值,當膨脹閥開度達到60%,也就是COP達到最大時,系統(tǒng)的總火用損失最小。

圖3 膨脹閥開度對總火用損失的影響

3.3 膨脹閥開度對設備相對火用損失的影響

圖4給出了膨脹閥開度對不同設備相對火用損失的影響。從圖中可以看出:壓縮機的相對火用損失最大,占總火用損失的44.3%～49.7%;蒸發(fā)器的相對火用損失最小,占總火用損失的9.0%～10.4%;氣體冷卻器和膨脹閥的相對火用損失分別占總火用損失的15.4%～24.9%和16.3%～29.9%;壓縮機和氣體冷卻器的火用損失隨著膨脹閥開度的增大而減小,同時膨脹閥和蒸發(fā)器的火用損失隨著膨脹閥開度的增大而增大。壓縮機的相對火用損失趨勢可以歸因為壓縮比隨著膨脹閥開度的增大而減小。氣體冷卻器出口溫度隨著膨脹閥開度的增大而降低,這導致了CO2和水的溫差隨膨脹閥開度的增大而減小。氣體冷卻器內相對火用損失趨勢的形成原因是CO2和水兩種流體傳熱溫差隨著膨脹閥開度的增大而減小。制冷劑流量隨膨脹閥開度增大而增大,膨脹閥前后壓差隨膨脹閥開度增大而減小,這兩個因素平衡的結果使膨脹閥的相對火用損失隨著膨脹閥開度的增大而增大。對于蒸發(fā)器,蒸發(fā)溫度隨著膨脹閥開度的增大微微上升,這對蒸發(fā)器的火用損失影響不大,但是CO2的流量隨著膨脹閥開度的增大而增大,流量的上升導致蒸發(fā)器內火用損失隨著膨脹閥開度的增大而增大。

圖4 膨脹閥開度對相對火用損失的影響

當膨脹閥開度達到最優(yōu)值時,膨脹閥中的相對火用損失和氣體冷卻器的相對火用損失所占的百分比差不多。膨脹閥中的相對火用損失占總火用損失的20.1%,氣體冷卻器的相對火用損失占總火用損失的18.9%。

3.4 各設備性能提高潛力

設備火用效率決定了提高設備性能的難度。表2顯示了膨脹閥開度在最佳值、氣體冷卻器側水進口溫度為30 ℃、蒸發(fā)器側水進口溫度為15℃時,各個設備的火用效率。

表2 不同設備的火用效率

從表2可以看出,膨脹閥開度在最佳值時,壓縮機的相對火用損失較大,占系統(tǒng)總火用損失的49.4%,但其火用效率較低,為60.7%。壓縮機較低的火用效率主要是因為工質在其內部的混合、節(jié)流,進出口閥的摩擦損失,工質內部的對流及環(huán)境的熱損失所引起的。壓縮機的火用效率對COP有很大的影響,而較好的壓縮機設計,比如增大壓縮機氣缸氣閥尺寸、增大吸氣閥到氣缸的流道面積、增大氣缸到排氣閥之間的流道面積、減少氣缸內氣閥與端蓋間的流道損失、對壓縮機氣缸進行冷卻等措施都可以提高壓縮機的火用效率。膨脹閥的火用效率是94.7%,與其他設備相比,膨脹閥的提升空間較小。氣體冷卻器和蒸發(fā)器的火用效率分別為37.6%和47.5%,這意味著兩個換熱器有較大的提升空間。但是,蒸發(fā)器的相對火用損失較小,其性能的提高對COP影響不大。氣體冷卻器主要的不可逆損失來自換熱流體的溫差和工質在換熱器內的壓差,可以通過增加流體傳熱面積,比如增加換熱器長度或翅片數(shù)量、采用微通道換熱器等來減少流體換熱溫差。增加換熱器長度或翅片數(shù)量都會使工質在換熱器中的壓差損失增大,需要注意溫差損失和壓差損失的平衡。另外,采用微通道換熱器是比較好的選擇。

4 結 論

本文依據(jù)實驗數(shù)據(jù)給出了水-水跨臨界CO2系統(tǒng)各個組件的火用效率和相對火用損失隨膨脹閥開度的變化情況,結果顯示:

(1)壓縮機對系統(tǒng)總火用損失的貢獻最大,大約占總火用損失的44.3%～49.7%,蒸發(fā)器的火用損失最小,占總火用損失的9.0%～10.4%;

(2)壓縮機和氣體冷卻器的火用損失隨著膨脹閥開度的增大而減小,同時膨脹閥和蒸發(fā)器的火用損失隨著膨脹閥開度的增大而增大,膨脹閥開度為最佳值時,膨脹閥的相對火用損失與氣體冷卻器的相對火用損失相當,分別占總火用損失的20.1%和18.9%;

(3)膨脹閥開度為最佳值時,壓縮機和氣體冷卻器的火用效率分別為60.7%和37.6%,而膨脹閥的火用效率已達到94.7%,與膨脹閥相比,壓縮機和氣體冷卻器效率有較大的提升空間。

[1] LORENTZEN G, PETTERSEN J.A new efficient and environmentally benign system for car air-conditioning [J].Int J Refrig, 1993, 16(1): 4-12.

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(編輯 荊樹蓉)

ExperimentalInvestigationforEffectsofElectronicExpansionValveOpeningonExergyLossinTranscriticalCO2System

MA Juanli1,LIU Changhai1,ZHOU Qian1,CHEN Xingya1,HOU Yu1,2

(1.School of Energy and Power Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China;2.State Key Laboratory of Multiphase Flow in Power Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)

To improve the performance of transcritical CO2system, the effects of electronic expansion valve(EEV) opening on the exergy loss of different components in the transcritical CO2system were investigated.The experimental table for the transcritical CO2system with an EEV was constructed, and the operation parameters of the CO2system were measured under constant water inlet temperature and different EEV opening.Based on the experimental data, the effects of the EEV opening on the COP, the total exergetic efficiency of system and relative exergy loss of all components were analyzed.The exergetic efficiency for the different components was also presented at the optimal EEV opening, and with the gas cooler side water inlet temperature of 30 ℃ and the evaporator side water inlet temperature of 15℃.According to relative exergy loss and exergetic efficiency for all components at the optimal EEV opening, the improvement room of the components was analyzed.The results show that the compressor and the gas cooler account for 49.4% and 18.9% of the total exergy loss respectively, and the exergetic efficiencies of these two components are 60.7% and 37.6% respectively.Thus compressor and gas cooler are endowed with abundant improving potential.

transcritical CO2system; electronic expansion valve opening; exergy loss

10.7652/xjtuxb201403003

2013-07-23。

馬娟麗(1981—),女,博士生;侯予(通信作者),男,教授,博士生導師。

國家自然科學基金資助項目(50976082);高等學校博士學科點專項科研基金資助項目(20090201110006)。

時間: 2013-12-10

TB61

:A

:0253-987X(2014)03-0012-05

網絡出版地址: http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20131210.1438.006.html