采用非共沸混合工質機械過冷的跨臨界CO2制冷循環(huán)性能分析

(1 天津商業(yè)大學天津市制冷技術重點實驗室 天津 300134； 2 天津三電汽車空調有限公司 天津 300385； 3 天津大學熱能研究所 天津 300072)

制冷空調行業(yè)常用的HCFCs和HFCs類物質具有較高的溫室效應將逐漸被禁用或替代，自然工質逐漸成為當今制冷空調行業(yè)的研究熱點。其中自然工質CO2由于安全環(huán)保的優(yōu)勢最具代表性和競爭力。然而，由于CO2的臨界溫度僅為31.1 ℃，而臨界壓力高達7.38 MPa，運行壓力較高、節(jié)流損失大，造成CO2跨臨界循環(huán)效率低于常規(guī)制冷劑系統(tǒng)，是限制其推廣應用的最主要原因。

通過對氣體冷卻器出口的CO2流體進行過冷，可減小節(jié)流損失，增加循環(huán)制冷量，提升循環(huán)COP。CO2制冷循環(huán)可通過內部換熱器、機械、熱電冷卻等方式實現過冷。一些學者對熱電過冷的方法進行了研究，J. Schoenfield等[1-2]加工并測試了一臺CO2熱電過冷器的性能，結果表明在7.2 ℃的蒸發(fā)溫度下，COP和冷卻能力分別提高了3.3%和7.9%。K. Yazawa等[3]對用于數據中心冷卻的CO2蒸氣壓縮系統(tǒng)中熱電過冷器的性能進行了研究，冷卻能力提高了12%～13%。S. Jamali等[4]提出了一種熱電溫差發(fā)電和熱電過冷耦合CO2跨臨界制冷循環(huán)，分析表明COP可以提高約18.9%。Dai Baomin等[5]理論分析了熱電過冷和膨脹機耦合跨臨界CO2制冷循環(huán)，結果表明循環(huán)存在最佳高壓和過冷度，與基準循環(huán)相比，COP提高了37.8%。

機械過冷即通過小型的蒸氣壓縮制冷循環(huán)對CO2跨臨界制冷循環(huán)氣體冷卻器出口的CO2進行冷卻。She Xiaohui等[6]提出在CO2循環(huán)設置膨脹機，輸出的膨脹功驅動機械過冷循環(huán)壓縮機對CO2進行過冷，結果顯示COP提升49.2%。R. Llopis等[7-8]對CO2跨臨界機械過冷循環(huán)進行了熱力學分析和實驗研究，理論分析結果表明，COP和制冷量最高分別提升20%和28.8%，并且降低了高壓壓力。雖然機械過冷循環(huán)需要一套機械過冷制冷循環(huán)，增加了成本，但機械過冷制冷循環(huán)的容量明顯小于主循環(huán)[9]，并且機械過冷循環(huán)壓縮機的功耗小于主循環(huán)的20%；結果表明，制冷量和COP最高分別提升了55.7%和30.3%[8]。J. Bush等[10]實驗研究了增壓CO2制冷系統(tǒng)采用R134a進行機械過冷，結果顯示系統(tǒng)性能得到顯著提升。B. A. Qureshi等[11]認為投資回報期的長短取決于制冷系統(tǒng)的容量大小，對于制冷量大于100 kW的系統(tǒng)，安裝機械過冷循環(huán)的回報期小于3年。代寶民等[12]的分析表明，過冷區(qū)域機械過冷循環(huán)可顯著降低CO2跨臨界循環(huán)的排氣壓力和溫度，當環(huán)境溫度為40 ℃，蒸發(fā)溫度為-15 ℃時，排氣壓力和溫度分別降低了2.01 MPa和17.5 ℃。因此機械過冷不僅能夠增加制冷量，還可以降低主循環(huán)的運行高壓，延長壓縮機的使用壽命[9]。

相對其它幾種過冷方式，機械過冷更容易實現，是提高CO2跨臨界制冷循環(huán)能效、拓寬其使用范圍的可行措施。然而，其最優(yōu)過冷度較高，導致在冷卻蒸發(fā)器中制冷劑與CO2流體的溫差較大，造成顯著的換熱不可逆損失，影響了循環(huán)效率。本文提出機械過冷循環(huán)采用非共沸混合制冷劑，基于Lorenz循環(huán)的概念，利用其相變過程中的溫度滑移與CO2冷卻過程形成很好的溫度匹配，從而提高CO2制冷循環(huán)能效。

1 模型建立

圖1所示為機械過冷CO2制冷循環(huán)原理。循環(huán)1-2-3″-4″-1為CO2跨臨界制冷循環(huán)，循環(huán)1′-2′-3′-4′-1′為機械過冷循環(huán)，制冷工質可選擇常規(guī)制冷劑。受環(huán)境溫度的限制(設為35 ℃)，CO2氣體冷卻器的出口溫度較高，為降低節(jié)流前CO2的溫度，可通過機械過冷循環(huán)的蒸發(fā)過程(4′-1′)將CO2過冷過程放出的熱量轉移至冷卻水或大氣環(huán)境，實現CO2過冷。該換熱過程發(fā)生在過冷器中，類似于復疊制冷循環(huán)中的冷凝蒸發(fā)器。因此，文中將該過冷器稱為CO2冷卻蒸發(fā)器。

圖1 機械過冷CO2制冷循環(huán)原理Fig.1 The principle of CO2 transcritical refrigeration cycle with mechanical subcooling

圖2所示為混合工質機械過冷跨臨界CO2制冷循環(huán)T-s圖。對模型進行如下假設：1)循環(huán)在穩(wěn)態(tài)工況下運行；2)換熱器和管路中壓降和熱損失忽略不計，所涉及的換熱器均假定為逆流換熱器；3)蒸發(fā)器出口為飽和氣態(tài)，機械過冷循環(huán)冷凝器出口為飽和液態(tài)；4)氣體冷卻器出口CO2溫度與環(huán)境溫差為5 ℃；5)冷凝溫度與換熱流體(空氣)窄點溫差為8 ℃，冷卻蒸發(fā)器窄點溫差為5 ℃；6)蒸發(fā)溫度低于-15 ℃時，CO2循環(huán)采用雙級壓縮中間冷卻，高壓級吸氣溫度比環(huán)境溫度高5 ℃。

圖2 混合工質機械過冷跨臨界CO2制冷循環(huán)T-s圖Fig.2 T-s diagram of transcritical CO2 refrigeration cycle with mechanical subcooling using zeotropic working fluid

主循環(huán)(CO2循環(huán))：

單級壓縮：

WCom,CO2=mCO2(h2-h1)/(ηm，coηe,co)

(1)

式中：ηm, CO2和ηe, CO2分別為CO2壓縮機的機械效率和電機效率，均取0.9。

ηs,CO2=(h2s-h1)/(h2-h1)

(2)

式中：ηs, CO2為CO2壓縮機的等熵效率，為壓比的函數，可通過式(3)進行計算[13]：

(3)

表1 所選制冷劑的物理、安全和環(huán)保特性(按標準沸點排序)[15]Tab.1 The physical properties, safety and environmental characteristics of refrigerant

雙級壓縮：

WCom,CO2,L=mCO2(hCom,CO2,L,out-h1)/(ηm,CO2ηe,CO2,L)

(4)

WCom,CO2,H=mCO2(h2-hCom,CO2,H,in)/

(ηm,CO2,Hηe,CO2,H)

(5)

WCom,CO2=WCom,CO2,L+WCom,CO2,H

(6)

QC,CO2=mCO2(h1-h4)

(7)

COPCO2=QC,CO2/WCom,CO2

(8)

hCom, CO2, L, out和h2通過式(2)計算確定。

機械過冷循環(huán)：

WCom,MS=mMS(h2′-h1′)/(ηm,MSηe,MS)

(9)

ηs,MS=(h2s′-h1′)/(h2′-h1′)

(10)

式中：ηs, MS為機械過冷循環(huán)壓縮機的等熵效率，可通過式(11)計算[14]：

(11)

mMS(h1′-h4′)=mCO2(h3-h3″)

(12)

QC,MS=mMS(h1′-h4′)

(13)

COPMS=QC,MS/WCom,MS

(14)

總循環(huán)：

QC=mCO2(h1-h4″)

(15)

WCom=WCom,CO2+WCom,MS

(16)

COP=QC/WCom

(17)

由于GWP較高的HCFCs和HFCs等制冷劑將逐漸消減和替代，因此本文選取了幾種GWP較低的制冷劑作為非共沸工質的組元，其物理、安全及環(huán)保特性如表1所示。由表1可知，除了CO2以外，R32的沸點最低。R32通常用作混合制冷劑的重要組元，如R410A和R407C，并且在近年也被用作替代R22的制冷劑之一。因此，本文選取R32作為非共沸制冷劑的低沸點組元。

圖3所示為R32和其它6種制冷劑混合物在不同R32質量分數(XR32)下的溫度滑移。可以看到除了R32/R290，其它幾種工質對的溫度滑移隨XR32先增大后減小，存在最大值。而R32/R290在XR32=20%和XR32=90%處存在兩個最大值，R32/R600a和R32/R1234ze(Z)的最大溫度滑移約為40 ℃，而其它4種工質對的最大溫度滑移均在15 ℃以下。這是由于溫度滑移與工質對組元的沸點差有關，沸點差越大，對應的溫度滑移相對越明顯。在本文中，將R32/R600a和R32/R1234ze(Z)歸為高溫度滑移工質對，其它4種為低溫度滑移工質對。

圖3 混合制冷劑溫度滑移隨R32質量分數(XR32)的變化Fig.3 Temperature glide of mixture refrigerant variation with mass fraction of R32 (XR32)

2 結果與討論

圖4所示為R32/R1234yf(50/50)總COP隨排氣壓力(p2)和過冷度(dTSC)的變化特性(50/50表示兩種組分質量分數分別為50%和50%，下同)。可知總COP隨排氣壓力和過冷度均呈先急劇增加后緩慢減小的趨勢，在排氣壓力為9.331 MPa、過冷度為19.63 ℃時取得最大COP為2.244 6，相應的壓力和溫度稱為最優(yōu)排氣壓力(最優(yōu)高壓)和最優(yōu)過冷度。對于最優(yōu)高壓，F. Kauf[16]的研究中解釋為，主要由于CO2超臨界區(qū)的等溫線在lgp-h圖上呈S形導致。而對于最優(yōu)過冷度，可通過圖5進行解釋，由圖5可知隨著過冷度的增加，制冷量(QC)和壓縮機總功耗(WCom)均隨過冷度的增加而增大，而制冷量呈逐步放緩的趨勢。過冷度增加，CO2壓縮機功耗變化不明顯，而機械過冷循環(huán)壓縮機功耗迅速增加，導致總功耗急劇增加。制冷量和壓縮機功耗的綜合結果表現為在某一過冷度循環(huán)存在最大COP，稱為最優(yōu)過冷度。

圖4 總COP隨排氣壓力和過冷度的變化Fig.4 Overall COP variation with discharge pressure and subcooling temperature

圖5 循環(huán)特性隨過冷度的變化Fig.5 Cycle performance changing with the subcooling temperature

由上述分析可知采用非共沸混合制冷劑的機械過冷CO2制冷循環(huán)在最優(yōu)排氣壓力和過冷度工況下存在最大COP。因此，下述結果和分析均基于最優(yōu)工況展開討論。

總COP隨XR32的變化如圖6所示，可知6組混合工質對隨著XR32的變化均存在最高COP，但曲線的變化趨勢各不相同。對于R32/R1234yf、R32/R152a、R32/R1234ze(E)和R32/R1234ze(Z)，COP呈先升高后降低的變化趨勢；對于R32/R290，其COP表現為類似正弦曲線的變化趨勢；對于R32/R600a，其曲線呈現馬鞍形。此外，對于溫度滑移較小的混合制冷劑(R32/R290、R32/R1234yf、R32/R152a和R32/R1234ze(E))，其COP曲線形狀和圖3中的溫度滑移曲線相似，COP的最高值也出現在對應的最大溫度滑移的位置。然而溫度滑移較高的混合制冷劑其COP變化趨勢與對應的溫度滑移差異較大。

圖6 總COP隨R32質量分數(XR32)的變化Fig.6 Overall COP variation with mass fraction of R32 (XR32)

對于除了R32/R290的其它5組工質對，總COP均比相應純質組元的高，比如在所有混合制冷劑中，R32/R1234ze(Z)在XR32=55%時對應的COP最高，為2.305 5，與純R32和R1234ze(Z)相比(COP分別為2.197 5和2.168 7)，COP分別提升了4.91%和6.31%。然而對于R32/R290，當XR32=55%～90%時，COP比采用R32和R290時都要低，最低值出現在XR32=70%。

圖7 最優(yōu)排氣壓力隨組分R32質量分數(XR32)的變化Fig.7 Optimum discharge pressure variation with mass fraction of R32 (XR32)

最大COP受最優(yōu)排氣壓力和過冷度的影響顯著，對應的最優(yōu)排氣壓力和過冷度如圖7和圖8所示。對于4種低溫度滑移的工質對(R32/R290、R32/R1234yf、R32/R152a和R32/R1234ze(E))，最優(yōu)過冷度的曲線形狀和圖3中溫度滑移的趨勢非常接近，但最優(yōu)高壓的變化趨勢和最優(yōu)過冷度的恰恰相反。然而對于兩種溫度滑移較高的工質對(R32/R600a和R32/R1234ze(Z))，最優(yōu)高壓表現為M形曲線變化，可以看到對于R32/R600a在XR32=10%～55%和R32/R1234ze(Z)在XR32=10%～60%處有明顯凸起。并且對于圖8中這兩種工質對的過冷度，同樣在XR32=10%～55%和XR32=5%～60%附近出現了兩個明顯凸起，對于R32/R1234ze(Z)(30/70)，最優(yōu)過冷度高達29.16 ℃。

圖8 最優(yōu)過冷度隨R32質量分數(XR32)的變化Fig.8 Optimum subcooling temperature variation with mass fraction of R32 (XR32)

同樣可以發(fā)現對于本文中所列的所有混合制冷劑，最優(yōu)高壓的變化范圍較小(9.274～9.459 MPa)，然而對于高溫度滑移的混合工質，最優(yōu)過冷度的變化范圍較廣(15.88～29.16 ℃)，對于低溫度滑移的工質對，最優(yōu)過冷度僅在一個很小的范圍內變化(16.95～20.70 ℃)。

為了進一步解釋組分含量對循環(huán)整體性能的影響，分別以R32/R1234ze(E)和R32/R1234ze(Z)為例，對低溫度滑移和高溫度滑移兩類非共沸混合物作為機械過冷循環(huán)制冷劑進行討論，相應的總COP、機械過冷循環(huán)COP(COPMS)和CO2循環(huán)COP(COPCO2)如圖9所示。COPCO2的變化趨勢同圖7中的最優(yōu)排氣壓力一致。對于圖9(a)中代表低溫度滑移的R32/R1234ze(E)，總COP變化趨勢與COPMS一致，但與COPCO2相反。R. Llopis等[7]提出如果COPMS>COPCO2，則機械過冷的技術措施為有效，并且COPMS越大，總COP的提升越顯著。由圖9(a)可以發(fā)現COPMS分布在4.439 7～5.548 2，而COPCO2在1.540 2～1.585 0變化，前者遠大于后者。并且此時過冷度較高，機械過冷循環(huán)對總循環(huán)影響更加顯著。因此，對于低溫度滑移的制冷劑，總COP與機械過冷循環(huán)非共沸工質的溫度滑移呈正相關，由圖9(a)可直觀地看到總COP和溫度滑移在XR32=15%～30%明顯高于其它區(qū)域。

圖9 總循環(huán)、機械過冷循環(huán)和CO2循環(huán)的COP隨R32質量分數(XR32)的變化Fig.9 COP of the overall, mechanical subcooling and CO2 cycles variation with mass fraction of R32 (XR32)

如圖9(b)所示，對溫度滑移較高的混合工質R32/R1234ze(Z)，在XR32=0～10%和XR32=60%～100%區(qū)間，COPMS與溫度滑移的變化趨勢一致。但在XR32=10%～60%區(qū)間，雖然溫度滑移高達22.46～37.50 ℃，但COPMS急劇減小，雖然最優(yōu)高壓在這一區(qū)域呈現如圖7所示的凸起，導致COPCO2明顯升高，但總COP是CO2循環(huán)和機械過冷循環(huán)綜合作用的結果，最終在XR32=10%～60%區(qū)間，總COP變化平緩，總COP的最高點出現在XR32=55%，而不是出現在對應溫度滑移最高時的XR32=20%。

為了對機械過冷循環(huán)的功耗進行評價，引入了相對功耗(WCom, r)的概念，定義為機械過冷循環(huán)壓縮機的功耗和CO2循環(huán)壓縮機的功耗的比值：

(18)

相對功耗隨XR32的變化如圖10所示。對于低溫度滑移的混合制冷劑，其相對功耗為0.226～0.257，變化范圍較窄，并且在溫度滑移相對較高的區(qū)域(如圖3所示)，相對功耗偏小，但其COP提升明顯。表明通過引入機械過冷循環(huán)，僅需消耗少量的壓縮功即可達到顯著提升循環(huán)效率的目的。而對于溫度滑移較高的混合制冷劑，機械過冷循環(huán)需要消耗較高的壓縮功才能滿足最優(yōu)工況條件的要求。這主要是由于此時最優(yōu)過冷度較高，導致機械過冷循環(huán)的冷量提升，使機械過冷循環(huán)壓縮機功耗增加，所需的傳熱面積也相應增加。雖然高溫度滑移的制冷劑可提升系統(tǒng)能效，但機械過冷循環(huán)的設備體積較大，造成初投資增加。因此推薦機械過冷循環(huán)使用溫度滑移合理的混合制冷劑，如R32/R152a和R32/R1234ze(E)。

圖10 相對功耗隨R32質量分數(XR32)的變化Fig.10 Relative energy consumption variation with mass fraction of R32 (XR32)

相對體積流量定義：

(19)

圖11 相對體積流量隨R32質量分數(XR32)的變化Fig.11 Relative volume flow rate variation with mass fraction of R32 (XR32)

相對體積流量隨XR32的變化如圖11所示，可以看到對于大多數混合工質，其相對體積流量均大于1，表明機械過冷循環(huán)壓縮機的體積與CO2壓縮機的體積相同或者更大，這主要是由于CO2蒸氣密度遠大于常規(guī)制冷劑，飽和溫度為0 ℃時R1234ze(Z)的密度僅為3.57 kg/m3，而CO2的密度卻高達97.65 kg/m3。在6種工質對中，R32/R290的相對體積流量最小，R32/R600a和R32/R1234ze(Z)的相對體積流量最大。混合制冷劑的相對容積流量越低，其壓縮機的體積越小、設備初投資越低，綜合性能更顯著。

圖12 最大COP在不同工況條件下的變化Fig.12 Variation of maximum COP under different working conditions

為了分析混合制冷劑機械過冷跨臨界CO2制冷循環(huán)在變工況下的性能，選出了6種溫度滑移合理的混合制冷劑及7種純質制冷劑，其最大COP和最優(yōu)高壓在環(huán)境溫度為20～40 ℃、蒸發(fā)溫度為-40～10 ℃時的變化規(guī)律如圖12～圖13所示。由圖12可知，當TE=-5 ℃，T0=20～40 ℃時，R32/R152a(40/60)的COP與基本CO2循環(huán)相比提高了13.70%～44.19%。因此，機械過冷循環(huán)在環(huán)境溫度較高和蒸發(fā)溫度較低的工況條件下發(fā)揮的作用更顯著。并且從圖中還可以看到采用混合工質的循環(huán)的COP明顯高于采用純質的COP。

圖13 最優(yōu)排氣壓力在不同工況條件下的變化Fig.13 Variation of optimum discharge pressure under different working conditions

圖13所示為在不同工況條件下最優(yōu)排氣壓力的變化。由圖13(a)可知，隨著環(huán)境溫度的增加，最優(yōu)排氣壓力近似線性變化，通過引入機械過冷循環(huán)，降壓效果隨著環(huán)境溫度的升高越來越顯著，以R32/R152a(40/60)為例，當環(huán)境溫度為40 ℃時，與基本CO2循環(huán)相比，排氣壓力降低了1.725 MPa，但當環(huán)境溫度低于22 ℃時，壓力與基本循環(huán)基本相等。并且當環(huán)境溫度低于25 ℃時，最優(yōu)排氣壓力低于臨界壓力，CO2循環(huán)工作在亞臨界模式。

由圖13(b)可知，當蒸發(fā)溫度為-15 ℃時，曲線出現了階躍，這是由于CO2循環(huán)在單級和雙級壓縮之間進行了切換。對于基本CO2循環(huán)，最優(yōu)排氣壓力隨蒸發(fā)溫度變化顯著，但增加機械過冷循環(huán)后，最優(yōu)排氣壓力變化平緩，且遠遠低于基本CO2循環(huán)的排氣壓力。降壓效果在較低蒸發(fā)溫度工況下更加明顯，在蒸發(fā)溫度為-40 ℃工況下，壓力降低了2.758 MPa。由圖13(c)可知，采用混合工質作為機械過冷循環(huán)制冷劑的CO2排氣壓力顯著低于采用純質制冷劑的CO2排氣壓力。

3 結論

本文提出了采用非共沸混合制冷劑作為機械過冷循環(huán)工質對氣體冷卻器出口的CO2流體進行過冷的新型CO2制冷循環(huán)。根據Lorenz循環(huán)的概念，機械過冷循環(huán)制冷劑在蒸發(fā)冷凝過程中存在溫度滑移，與超臨界CO2和換熱流體形成溫度匹配，提高CO2制冷循環(huán)的性能。對該新型熱力循環(huán)的性能進行了詳細分析，得到如下結論：

1)循環(huán)存在最優(yōu)排氣壓力和最優(yōu)過冷度對應最大循環(huán)COP。最優(yōu)排氣壓力、最優(yōu)過冷度和最大COP與機械過冷循環(huán)工質的溫度滑移大小密切相關。

2)當機械過冷循環(huán)選用溫度滑移合適的混合制冷劑時，相對于使用純質制冷劑循環(huán)總COP明顯提升，排氣壓力顯著降低。與基本CO2循環(huán)對比，采用R32/R152a(40/60)在蒸發(fā)溫度為-40 ℃、環(huán)境溫度為35 ℃的工況條件下，總COP提升了46.53%，排氣壓力降低了2.758 MPa。

3)推薦溫度滑移合理的混合制冷劑用于機械過冷循環(huán)。

4)COP的提升及降低高壓的效果在環(huán)境溫度較高和蒸發(fā)溫度較低的工況下更為顯著。推薦本文提出的新型制冷循環(huán)用于溫暖和炎熱的氣候地區(qū)以及冷凍冷藏等低溫應用領域。

本文受天津市高等學校自然科學研究(160018)項目資助。(The project was supported by the Natural Science Research Project of Tianjin Higher Learning Institution (No.160018).)