当前位置： 压缩机 >> 压缩机资源 >> CO2空调制冷系统性能提高的措施及研究进
在制冷系统中使用天然制冷剂是解决诸如全球变暖等重要环境问题的有效途径。其中CO2是唯一的一种无毒、不易燃、稳定性好且成本低廉的制冷剂。因此，研究人员对CO2制冷系统进行了广泛和深入的研究，研究的目的旨在提高系统的性能系数COP。与其他常规制冷剂系统相比，CO2工质用于热泵系统尤其是热泵热水系统具有显著优势，但是当用于空调制冷系统时整体能效通常比较低。原因主要是：基于CO2的制冷系统的低临界点温度低（31.1℃），压缩过程需要大量的电能消耗，系统COP快速衰减。在温暖气候条件下，制冷循环必须以跨临界模式运行，因此这一问题会更加严重，进一步降低了系统性能。
因此，研究如何提高跨临界CO2制冷系统的COP，有利于扩大其应用范围。本文主要探讨CO2空调制冷系统性能提高的措施及研究进展。
2.性能提高措施及研究进展目前，学者们采用多种技术提升跨临界CO2制冷系统的能效，对系统进行优化，如通过回热器、并行压缩、过冷系统、膨胀机、喷射器等措施。
2.1普通CO2制冷系统
普通跨临界CO2制冷系统（单级压缩单级节流系统）的高压部分运行于CO2的临界点之上，此时CO2为超临界流体，不存在冷凝过程，所以高压部分的换热器称为气体冷却器。
（a）流程图
（b）压焓图
图1-2-1普通CO2制冷系统
如图1-2-1所示，在普通的跨临界CO2制冷系统中包含４个基本部件：压缩机、气体冷却器、节流阀和蒸发器。结构比较简单。
2.2通过回热器提高CO2系统性能
对于普通跨临界CO2制冷系统，可以通过增加回热器提高系统COP。带回热器的跨临界CO2制冷系统如图1-２-2所示。从蒸发器出来的低温气体，在回热器内被加热变为过热气体，然后进入压缩机，通常压缩机吸气保持一定的过热度有利于其安全运行，但是如果吸气过热度过大，会造成压缩机排气温度过高，带来其他问题，例如润滑油黏度降低，润滑密封性能下降。从气体冷却器出来的高温超临界CO2流体，在回热器内部等压降温冷却，降低了进入蒸发器的制冷剂焓值，蒸发器进出口焓差变大，其单位制冷量变大，系统COP增大。
（a）流程图
（b）压焓图
图1-2-2带回热器的CO2制冷系统
2.3通过并行压缩机提高CO2系统性能
通过增加并行压缩机可以改善跨临界CO2系统的运行效率。并行压缩系统如图1-2-3所示，从气体冷却器出来的高压CO2经过高压阀节流降压进入储液器，在储液器内分为气、液两部分，其中：液体部分通过二级节流阀节流降压后进入蒸发器，蒸发吸热后进入主压缩机；气体部分则进入并行压缩机，压缩后进入气体冷却器。并行压缩机可以减少进入主压缩机的制冷剂流量，降低主压缩机的功耗；而且并行压缩机本身的吸气压力为储液器压力，较高的吸气压力也可以降低其自身的功耗。
（a）流程图
（b）压焓图
图1-2-3带并行压缩机的CO2制冷系统
2.4通过双级压缩过冷循环提高CO2系统性能
采用双级压缩机械过冷循环也可以提升传统跨临界循环能源效率。所谓双级压缩机械过冷循环(如图1-2-4所示)，就是在传统跨临界循环的基础上，新增一套制冷机组，将该制冷循环产生的冷量用来给跨临界循环气冷器出口的CO2提供一定程度的过冷。
图1-2-4双级压缩机械过冷循环原理图
CO2跨临界制冷系统中采用双级压缩机械过冷循环有以下好处：一方面采用过冷能够增加主循环的制冷量；另一方面，用专用机械过冷循环还可以降低跨临界循环的最优冷却压力，从而降低循环压缩比，提高整个跨临界系统COP。
2.5通过膨胀机提高CO2系统性能
跨临界循环的过热损失和节流损失都比较大，尽管采用回热循环并调节最佳压缩比可得到较大的COP,但它比常规工质制冷循环的制冷系数还是要低约25%,其中最主要的原因是节流损失较大。采用节流阀调节时，不仅难以在维持一定蒸发温度的同时调节压缩比，而且还会引起较大的节流损失，浪费能量，降低效率。因此可以引入膨胀机来取代节流阀，这种情况会有很大改善，可以消除节流损失，提高系统COP。
图1-2-5带膨胀机的CO2跨临界制冷循环原理图
图1-2-6带膨胀机的CO2跨临界制冷循环t-s图
如图1-2-5和图1-2-6所示，采用膨胀机后，一方面回收了膨胀功，弥补了压缩机的耗功量，减小了节流损失，提高了系统的COP；另一方面，可以降低CO2进人蒸发器时的比焓，增加了二氧化碳单位质量的制冷能力，也使系统COP得以有效提升。
当然,在利用膨胀机循环时应当取消系统中的回热器,这是因为回热器的功能是一定程度上回收节流阀前高压工质的部分有用功,目的是减小节流损失,而安装膨胀机的目的就是回收高压工质膨胀过程的膨胀功并提供给压缩机,因此安装了膨胀机就无需安装回热器。
2.6通过喷射器提高CO2系统性能
制冷系统在跨临界CO2制冷系统中，喷射器可以回收部分高压节流侧的膨胀功，减少节流过程中的有效能损失。喷射器一方面可将高压制冷剂节流降压，另一方面提升部分低压制冷剂的压力，减小主压缩机的功耗。随着环境温度上升，气体冷却器内的最优高压压力增大，喷射器的提升力变大。因此，在跨临界CO2系统中采用喷射器后，即使在环境温度较高的区域，系统的CO2仍然具有优势，从而减小了不同地区温度差异对跨临界CO2制冷系统的限制。
图1-2-7喷射器工作原理图
喷射器工作原理如图1-2-7所示，从气体冷却器出来的高压制冷剂（ph）在喷射器内转变为高速流体，在喷嘴出口其压力已低于吸气口的压力（pe），在压差作用下，低压制冷剂（pe）开始进入喷射器，二者混合后在扩散室增压后，进入储液器（pr）。
（a）流程图
（b）压焓图
图1-2-8带喷射器的CO2制冷系统
喷射器有多种形式，其中等压混合喷射器性能最优且应用广泛。并行压缩系统多采用CTM-HP高提升压力型气体喷射器，图1-2-8所示为带喷射器的跨临界CO2制冷系统流程图和压焓图。
3.实例分析
3.1计算模型
基于以上介绍的跨临界CO2制冷系统，以Coolprop制冷剂物性计算软件为基础，建立各系统的数学模型，篇幅所限，仅以带喷射器的跨临界CO2制冷系统为例进行介绍。在系统中，各节点的制冷剂物性参数包括：温度（t）、压力（p）、焓值（h）、熵值（s）和干度（q）。在这5个参数中已知任意2个参数即可计算出其余参数。以图1-2-8为例，给定工况条件下，已知系统的蒸发压力、气体冷却器压力和储液器压力。以蒸发器出口制冷剂的温度（t9）和压力（p9）作为初始条件，调用制冷剂物性函数prop，即可进行计算，包括：
h9=prop（p9，t9，R）（1）
h1，s1=prop（p1，t1，R）（2）
h2，t2=prop（p2，s1，R）（3）
h3=prop（p3，t3，R）（4）
h5，s5=prop（p5，q5，R4）（5）
h6，t6=prop（p6，s5，R）（6）
h8=h7=prop（p7，q7，R）（7）
其中，喷射器出口制冷剂焓值（h4）的计算，需要先计算给定工况下喷射器的引射比。通过Coolselector?2软件中的数据库查找出给定工况下喷射器的引射比，然后将引射比代入式（8）完成计算。计算出各状态点的焓值后，可以通过焓差和蒸发器换热量计算出制冷剂流量，从而计算出整个系统的运行数据，并输出结果。
h4=（h3+h9×φ）/（1+φ）（8）
式中：
φ为喷射器的引射比，即喷射器吸气口制冷剂流量和喷射器高压进气口制冷剂流量的比值；
h3为喷射器高压进气口制冷剂焓值（kJ/kg）；
h9为喷射器吸气口制冷剂焓值（kJ/kg）；
h4为喷射器出口制冷剂焓值（kJ/kg）。
3.2计算结果
基于以上计算模型，以环境温度35℃为例，考虑到5K的换热温差，气体冷却器出口制冷剂温度为40℃；系统蒸发温度选为0℃，以贴合空调冷水机组（GB/T）的应用。根据表1-3-1，得到各CO2制冷系统性能参数计算结果，如表1-3-2所示。
表1-3-1计算条件
参数
单位
数值
环境干球温度
℃
35
蒸发温度
℃
0
蒸发器换热量
kW
蒸发器出口过热度
K
2
额外过热度
K
3
气体冷却器出口温度
℃
40
注：额外过热度指制冷剂经吸气管后产生的过热度。
表1-3-2不同CO2制冷系统性能计算结果
参数
单位
普通CO2制冷系统
带并行压缩机的CO2制冷系统
带喷射器的CO2制冷系统
蒸发压力
MPa
3.5
3.5
3.5
储液器压力
MPa
-
5.7
4.6
气体冷却器压力
MPa
10.2
10.2
10.2
主压缩机功耗
kW
47.9
33.1
14.4
并行压缩机功耗
kW
-
7.9
23.6
压缩机总功耗
kW
47.9
41.0
38.0
COP
2.72
3.17
3.42
由表1-3-2可以看出，在给定的工况条件下，普通跨临界CO2制冷系统的COP为2.72，并行压缩系统的COP提高了16.5%，带喷射器的跨临界CO2制冷系统的COP提高了25.7%.与普通跨临界CO2制冷系统相比，并行压缩系统的压缩机功耗降低了14.4%，带喷射器的CO2制冷系统的压缩机总功耗降低了20.5%.
4.结束语
本文对最近有关提升CO2跨临界制冷循环能效的几种解决方案，进行了总结分析。分析了不同解决措施对系统COP的影响，改善系统COP的措施包括：
（1）在普通跨临界CO2制冷系统中，可以采用换热效率高的回热器；
（2）采用双级压缩过冷循环提高系统性能；
（3）采用带并行压缩机的跨临界CO2制冷系统；
（4）用膨胀机代替节流阀实现性能提升；
（5）在带喷射器的跨临界CO2制冷系统中，喷射器不仅可以优化系统流量分配，还能提高系统COP。
提高跨临界CO2制冷系统COP的方法有多种，在实际工程应用中，应综合考虑各方面因素，对整个系统进行经济性分析，比较各个解决方案在经济方面是否具有竞争力和说服力。
参考文献：
[1]S.M.HojjatMohammadi.Theoreticalinvestigationonperformanceimprovementofalow-temperaturetranscriticalcarbondioxide
转载请注明:http://www.aideyishus.com/lkzp/1502.html
