影响跨临界影响跨临界 CO2 系统性能的分析与评价系统性能的分析与评价 王哲1，龚毅，吴学红，吕彦力 （郑州轻工业学院 机电工程系制冷与低温中心，河南郑州 450002） 摘摘 要要: : 对双节流阀带有平衡储液器的跨临界 CO2 制冷热泵系统进行试验分析，研究了外部热源和热汇、双节流阀控制、回热器和运行最优压力对系统性能的影响并在实验研究的基础上，开展了 CO2 跨临界循环的热力学分析，拟合了系统最优能效比，探讨了运行调节的基本方法结果表明：热源温度对冷冻水出水温度影响较大，而热汇温度对其影响较小；系统在最优压力范围内能效比较高；双节流阀可以很好的调节高、低压侧压力，热源和热汇恒温槽方便模拟各种外界温度，使试验参数的采集范围更加全面，可以为跨临界 CO2 制冷热泵系统开发提供更广泛的实验依据 关键词关键词: : 热源热汇温度 CO2 跨临界循环 系统性能 最优压力 Performance Analysis and Evaluation of Transcritical CO2 System Wang Zhe，Gong Yi，Wu Xuehong，Lv Yanli (Electrical and Mechanical Engineering, Refrigeration and Cryogenic Center, Zhengzhou University of light Industry, Henan Zhengzhou 450003, China) Abstracts: Experimental Study on the two-throttle with the balance reservoir transcritical CO2 refrigeration and heat pump system. It is analysis of the source and sink temperatures, dual throttle control, intermediate heat exchanger and running optimal pressure on the system performance. On the basis of experimental studies, It carried out a thermodynamic analysis of the CO2 transcritical cycle, derivation of the optimal pressure and COP, and explored the basic method of operation and adjustment. The results showed that: the source temperature greater impact on the chilled water than the sink temperature; The dual throttle valve can adjust the high and low pressure side pressure, the source and sink bath convenient to simulate a variety of outside temperature, which can acquisition a more comprehensive range of test parameters. It serve as transcritical CO2 refrigeration heat pump system development to provide a broader experimental basis. Key words: The source and sink temperatures，CO2 transcritical cycle，System performance ，Optimal pressure 王哲，男，(1986-)，硕士，郑州轻工业学院，河南省郑州市金水区东风路 5 号郑州轻工业学院机电工程系制冷与低温中心西三楼 209 办公室(450002)，:13849087260，E-mail: zhezhenature@， 研究方向：自然工质 CO2 在制冷热泵领域中的应用。
进行项目：国家十一五科技支撑计划项目(2006BAJ01A10-07) 1 前言 环境学者们希望和蒙特利尔协定替代危害臭氧层的气体一样， 去逐步替代具有强烈温室效应的制冷剂，而根据 IIR 统计制冷与热泵行业大约占全世界 15%的电力消耗[1]，由此产生的间接温室气体排放和制冷热泵设备系统维修、 改造、 制冷剂泄露等因素引起的直接排放使减缓气候变暖的使命任重而道远 而自然工质 CO2 由于其优秀的环保特性， 良好的热力学性质，多种循环方式等在制冷和热泵设备中得到了广泛的运用和肯定[2] 然而跨临界 CO2 系统具有独特的运行特性， 除压缩机和气体冷却器等部件的设计对性能的影响外， 系统运行时环境的热源热汇和高压侧压力等外部因素的变化将引起系统制冷剂流量、排气压力、制冷与热泵性能系数等因素的变化文献[3-7]介绍了 CO2 制冷或热泵系统变工况下的系统性能研究，但针对系统外参数变化对系统各内参数影响的实验研究论文较少因此有必要研究影响跨临界 CO2 制冷热泵系统性能的参数规律 本文利用热力学分析与实验研究， 设定在不同热源热汇温度下， 通过双节流阀装置改变高、低压侧压力，来实现变工况条件下系统的运行，对比跨临界 CO2 制冷热泵循环各个参数的分布趋势寻求提高效率的途径， 为跨临界 CO2 系统的在不同条件下研发提供更广泛的理论支持和实验依据。
2 实验系统 如图 1 为跨临界 CO2 制冷热泵实验台流程图 系统含三大部分包括制冷热泵系统、 循环水系统和数据采集系统包括活塞式 CO2 压缩机额定功率为 1.4KW，额定转速为 1450RPM，排气量为 1.12m3/h；气体冷却器、蒸发器和回热器均为同轴套管式换热器，采用新型同轴套管式换热器，水走内侧，制冷剂走外侧，同时为了满足压力要求，内管采用的是镍白铜，外管采用的是冷轧不锈钢； 高低压侧手动节流阀采用耐高压的减压阀以适应跨临界 CO2 的工况要求；耐高压储液器、压力控制安全阀等水循环系统包括蒸发器侧恒温水槽和气冷器侧恒温水槽，止回阀和多级静音水泵等参数测量采集系统包括：Keithley 数据采集仪、压力变送仪、差压变送仪、水侧和制冷剂侧质量流量计、功率变送仪和热电偶与数据采集仪器等 中间换热器中间换热器MCO2 流量计流量计中间储液器中间储液器高压节流阀高压节流阀低压节流阀低压节流阀涡轮流量计涡轮流量计M气液分离器气液分离器截止阀截止阀手动节流阀手动节流阀安全阀安全阀控制阀控制阀CO2 钢瓶钢瓶水泵水泵真空泵真空泵压缩机压缩机蒸发器蒸发器软化水软化水恒温槽恒温槽排污排污恒温槽恒温槽排水排水气体冷却器气体冷却器TTPTTPΔΔP热水热水TTTTPPΔΔPTWTTPTPT1 12 23 34 45 56 67 7PT压力变送器压力变送器温度变送仪温度变送仪压差感应仪压差感应仪ΔΔPW功率变送器功率变送器图 1 跨临界 CO2 制冷热泵系统实验台流程 3 系统热力学分析 与传统的亚临界制冷循环不同，跨临界 CO2 系统运行时，进入回热器的是超临界流体并非高温高压的制冷剂液体，回热器出口即节流阀进口 CO2 的状态是液体和超临界流体的混合物，于是在此状态下直接节流将会导致很大的节流损失，影响跨临界 CO2 制冷循环的性能。
并且系统高压侧压力和温度相互独立，在一定工况下系统整体压力和温度波动较大，对系统运行和性能也会有一定影响[8-10] 图 2 跨临界 CO2 循环系统 P-H 图 针对以上问题本系统通过高压侧节流阀和低压侧节流阀分两步节流， 可以很好地调节低压侧压力(蒸发温度)和高压侧压力；附带一个处于中间压力下的储液器可以使 CO2 在系统中以一个中间压力贮存起来，达到平衡高低压侧压力波动对整个系统运行的影响如图 2所示(1-2)为制冷剂经过压缩机压缩，变为超临界 CO2 流体；(2-3)为经过气冷器等压冷却，将热量传给冷却水；再经过回热器(3-3')，把热量传给低温低压的亚临界 CO2(1-1')，使进入压缩机的制冷剂过热，防止液击；然后液体和超临界流体的混合物状态下的 CO2 经过高压侧节流阀节流(3-4')，变为饱和 CO2 液体和气体的混合物，流入中间压力下的储液器储存，储液器是上进下出，则只有液态的 CO2 制冷剂可以流出，进入低压侧节流阀进行第二次节流(4'-4)；降为低温低压的制冷剂，进入蒸发器，从冷冻水中吸取热量，再经过回热器过热，最后进入压缩机(4-1)完成跨临界 CO2 制冷循环。
如图 1 所示本实验台的改进之处在于使用一种新型双节流阀带有平衡储液器的调节装置；并通过阀门 1、2 和 3、4 的开闭可以调节回热器的使用状态，方便实验条件的转换和测量 2.1 最优高压侧压力推导 下面通过热力学分析推导出在循环工况下对应最大制冷系数 COP 与最佳高压侧压力的关系式如图 2 可得跨临界 CO2 系统的制冷系数： 12311231 hhhh hhhhCOPsis (1) 需要指出的是过程(1-2)代表不可逆的压缩过程，而(1-2s)为绝热可逆过程，而(1-2d)代表一个非等熵非绝热压缩过程，而压缩机等熵系数为： 1212 hhhhs is (2) 定义压缩机向环境的散热量与压缩功之比为散热系数[11]： 121212212 1122211)( hhhhhhhhhh hhhhsdsdiss isd (3) 回热器的热负荷： ' 11' 33hhhhqI H X (4) 由数学推导可得[12]，最佳高压侧压力可以通过求解以下微分方程得出： 0condPCOP(5) (3)式对高压侧压力进行偏微分求导，整理可得： 0000c o n dc o n dc Pw wC O PwPq(6) 带入压缩机等熵系数整理可得： condisscondc PhhCOPPq)(12(7) 3 关联式分析 通过对式(8)进行热力学分析，确定可能的影响参数。
可以得出系统达到最优 COP 时的最佳高压侧压力和系统压缩机的等熵效率有直接关系， 压缩机等熵效率公式可从不同文献对比得出以下公式： PisR04478. 09343. 0 (8) PisR121. 0003. 1 (9) 714. 0)(107987. 0994451. 0PisR (10) 32)(0001. 0)(0041. 0022. 0815. 0PPPisRRR (11) PPC O PisRRRA0328. 07595. 0)1 ( (12) 0123456789100.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0压力比Rp压缩机等熵系数isBrownLiaoY.T.GeRobinsonPettersen图 3 压缩机等熵效率分析图 如图 3 所示为跨临界 CO2 压缩机等熵效率分析图其中公式(9)和(10)是由布朗[13]和廖[14]等人根据丹佛斯压缩机。