膨胀阀开度对跨临界CO2制冷系统损失影响的实验研究

马娟丽,刘昌海,周骞,陈兴亚,侯予,2

(1.西安交通大学能源与动力工程学院, 710049, 西安;2.西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室, 710049, 西安)

马娟丽1,刘昌海1,周骞1,陈兴亚1,侯予1,2

(1.西安交通大学能源与动力工程学院, 710049, 西安;2.西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室, 710049, 西安)

为提高跨临界CO2制冷系统的性能,研究电子膨胀阀开度变化对水-水跨临界CO2制冷系统各个组件相对火用损失的影响,搭建了带电子膨胀阀的水-水跨临界CO2制冷系统实验台,测试了跨临界CO2制冷系统在恒定进水温度、不同电子膨胀阀开度下的运行参数。基于实验数据,给出了不同电子膨胀阀开度下系统性能系数、系统火用效率和各个设备组件的相对火用损失,计算了膨胀阀在最佳开度、气体冷却器侧水进口温度为30 ℃、蒸发器侧水进口温度为15℃时,各个设备的火用效率。基于最佳膨胀阀开度时系统内各设备的相对火用损失和火用效率的计算结果,分析了各设备性能提高的潜力。计算结果显示:膨胀阀开度在最佳值时,压缩机和气体冷却器的相对火用损失分别为总火用损失的49.4%和18.9%,设备火用效率分别为60.7%和37.6%,压缩机和气体冷却器性能有较大的提升空间。

跨临界CO2制冷系统;膨胀阀开度;火用损失

作为一种良好的自然工质制冷剂,CO2具有很多独特的性质,比如零消耗臭氧潜能值(ODP)、可忽略的全球变暖潜能值(GWP)、较高的传热系数和体积容量、无毒性、不易燃性及低廉的价格。自从Lorentzen等提出将跨临界CO2循环用于汽车空调[1]后,使用CO2工质替代氯氟碳化合物(CFC)以及氢氯氟碳化合物(HCFC)制冷剂逐渐引起人们的关注,并将CO2工质扩展至其他领域,比如制冷、热泵及民用空调领域。

火用分析广泛用于蒸汽压缩式制冷系统,很多学者已经对跨临界CO2循环进行了火用分析[2-6]。Douglas等建立了CO2循环的数学模型,根据模型的计算结果,给出了跨临界CO2循环的火用分析结果,指出膨胀阀的火用损失最大,其次是压缩机的火用损失以及气体冷却器的火用损失,最后是蒸发器的火用损失[2]。Fartaj依据热力学第二定律对CO2制冷循环进行了分析,该制冷系统采用空气作为载冷剂,他们的分析结果显示压缩机和气体冷却器对系统的总火用损失贡献最大[3]。Yang对带有膨胀阀和膨胀机的跨临界CO2制冷系统进行了比较研究,分析结果表明最大的火用损失发生在膨胀阀,气体冷却器和压缩机的火用损失分别排在第二和第三位,蒸发器的火用损失最小[4]。Sarkar给出了跨临界CO2热泵同时制冷制热系统的火用分析,该热泵系统采用水作为传递气体冷却器和蒸发器热量的工质,计算结果表明压缩机的火用损失最大,随后是气体冷却器、蒸发器和膨胀阀的火用损失,回热器的火用损失基本可以忽略[5]。Tao依据实验数据对跨临界CO2民用空调系统做了火用分析,该空调系统采用空气作为载冷剂,计算结果表明气体冷却器和膨胀阀的火用损失对系统总火用损失的贡献最大[6]。

文献综述表明以往的火用分析大多基于理论计算,且仅研究了运行条件对循环火用损失和火用效率的影响。与传统亚临界循环不同,气体冷却器的压力和温度是非耦合的,这样跨临界CO2循环就存在一个最优压力,循环在该压力时,循环效率最高。对于跨临界CO2系统,一般主要通过改变膨胀阀开度来调节气体冷却器压力。膨胀阀开度对系统性能有很大影响,但是关于膨胀阀开度对跨临界CO2系统性能和压力的影响的研究文献很少,Baek等研究了恒定室外温度和室内温度下,膨胀阀开度对跨临界CO2系统性能和压力的影响[7]。目前还没有关于膨胀阀开度对跨临界CO2系统火用损失影响的研究工作,本文测试了带有膨胀阀的跨临界CO2水-水系统在恒定进水温度、不同膨胀阀开度下的运行参数。基于测试结果,本文给出了膨胀阀开度对设备相对火用损失和系统火用效率的影响,并给出了膨胀阀开度为最佳值、水进口温度为常数时,各设备的火用效率。基于膨胀阀开度为最佳值时系统内各设备的相对火用损失和火用效率的计算结果,本文最后分析了各设备性能提高的潜力。

1 实验台建设

CO2实验系统由制冷系统、水系统和数据采集系统3部分组成。制冷系统的流程图见图1。制冷系统主要由往复式压缩机、蒸发器、电子膨胀阀、气液分离器、气体冷却器和油分离器组成。更多的设备细节特性见表1。

1～4:状态点

两个水系统分别用于调节蒸发器和气体冷却器的换热量。进口水温的调节范围为5～90 ℃,控制精度为±0.5℃。

温度测量采用T型热电偶,所有热电偶采用标准热电阻进行标定,标定后的精度为0.1 ℃,测量范围为-10～100 ℃。压力通过压力传感器测量,压力传感器的测量精度为±2.5%。为了减少管路的热损失,系统连接管路都采用保温层进行绝热。压缩机功率采用青智QZ8901功率仪进行测量,功率仪电压测量范围为10.0～500.0 V,电流测量范围为0.030～40.00 A,测量误差为±(0.4%读数+0.1%量程)。水流量采用涡轮流量计进行测量,精度均为±0.5%。所有的压力、温度和流量都使用YOKOGAWA MV2000数据记录仪连续记录。

表1 主要设备特性

2 热力分析

对纯工质,忽略动能和势能时在某一状态下的比火用可表示为

ψ=h-h0-T0(s-s0)

(1)

不同设备组件的火用损失计算如下:

压缩机的火用损失

Icom=W+mr(ψ1-ψ2)

(2)

气体冷却器的火用损失

Igas=mr(ψ2-ψ3)+mwg(ψwgi-ψwgo)

(3)

膨胀阀的火用损失

Ival=mr(ψ3-ψ4)

(4)

蒸发器的火用损失

Ieva=mr(ψ4-ψ1)+mwe(ψwei-ψweo)

(5)

相对火用损失

(6)

各个组件的火用效率计算如下:

压缩机的火用效率

(7)

式中:mr表示制冷剂的质量流量。

气体冷却器的火用效率

(8)

式中:ψwgi和ψwgo分别表示气体冷却器进出口的比火用;mwg表示气体冷却器侧水的质量流量。

膨胀阀的火用效率

(9)

蒸发器的火用效率

(10)

式中:ψwei和ψweo分别表示蒸发器进出口的比火用;mwe表示蒸发器侧水的质量流量。

系统总的火用效率

(11)

系统性能系数(COP)

(12)

3 火用分析结果和讨论

在本文的实验中,选择膨胀阀开度作为控制参数。基于测试数据,下面给出了膨胀阀开度对COP、系统火用效率和各设备相对火用损失的影响。另外,为了分析设备性能提高的潜力,文中也给出了膨胀阀在最佳开度、气体冷却器侧水进口温度为30 ℃、蒸发器侧水进口温度为15℃时,各个设备的火用效率。

3.1 膨胀阀开度对COP和火用效率的影响

合理控制气体冷却器压力可提高跨临界CO2循环的性能,气体冷却器压力主要通过膨胀阀开度来调节。如图2所示:COP和火用效率开始随着膨胀阀开度的增大而增大,然后又随着膨胀阀开度的增大而减小;当膨胀阀开度达到60%时,COP达到最大值;当膨胀阀开度达到50%时,火用效率达到最大值。造成这种COP趋势的原因是由于超临界区内S型的t3等温线和压缩过程线的形状所导致的。

图2 膨胀阀开度对COP和火用效率的影响

3.2 膨胀阀开度对总火用损失的影响

图3给出了膨胀阀开度对总火用损失的影响。从图中可以看出,总火用损失也存在极值,当膨胀阀开度达到60%,也就是COP达到最大时,系统的总火用损失最小。

图3 膨胀阀开度对总火用损失的影响

3.3 膨胀阀开度对设备相对火用损失的影响

图4给出了膨胀阀开度对不同设备相对火用损失的影响。从图中可以看出:压缩机的相对火用损失最大,占总火用损失的44.3%～49.7%;蒸发器的相对火用损失最小,占总火用损失的9.0%～10.4%;气体冷却器和膨胀阀的相对火用损失分别占总火用损失的15.4%～24.9%和16.3%～29.9%;压缩机和气体冷却器的火用损失随着膨胀阀开度的增大而减小,同时膨胀阀和蒸发器的火用损失随着膨胀阀开度的增大而增大。压缩机的相对火用损失趋势可以归因为压缩比随着膨胀阀开度的增大而减小。气体冷却器出口温度随着膨胀阀开度的增大而降低,这导致了CO2和水的温差随膨胀阀开度的增大而减小。气体冷却器内相对火用损失趋势的形成原因是CO2和水两种流体传热温差随着膨胀阀开度的增大而减小。制冷剂流量随膨胀阀开度增大而增大,膨胀阀前后压差随膨胀阀开度增大而减小,这两个因素平衡的结果使膨胀阀的相对火用损失随着膨胀阀开度的增大而增大。对于蒸发器,蒸发温度随着膨胀阀开度的增大微微上升,这对蒸发器的火用损失影响不大,但是CO2的流量随着膨胀阀开度的增大而增大,流量的上升导致蒸发器内火用损失随着膨胀阀开度的增大而增大。

图4 膨胀阀开度对相对火用损失的影响

当膨胀阀开度达到最优值时,膨胀阀中的相对火用损失和气体冷却器的相对火用损失所占的百分比差不多。膨胀阀中的相对火用损失占总火用损失的20.1%,气体冷却器的相对火用损失占总火用损失的18.9%。

3.4 各设备性能提高潜力

设备火用效率决定了提高设备性能的难度。表2显示了膨胀阀开度在最佳值、气体冷却器侧水进口温度为30 ℃、蒸发器侧水进口温度为15℃时,各个设备的火用效率。

表2 不同设备的火用效率

从表2可以看出,膨胀阀开度在最佳值时,压缩机的相对火用损失较大,占系统总火用损失的49.4%,但其火用效率较低,为60.7%。压缩机较低的火用效率主要是因为工质在其内部的混合、节流,进出口阀的摩擦损失,工质内部的对流及环境的热损失所引起的。压缩机的火用效率对COP有很大的影响,而较好的压缩机设计,比如增大压缩机气缸气阀尺寸、增大吸气阀到气缸的流道面积、增大气缸到排气阀之间的流道面积、减少气缸内气阀与端盖间的流道损失、对压缩机气缸进行冷却等措施都可以提高压缩机的火用效率。膨胀阀的火用效率是94.7%,与其他设备相比,膨胀阀的提升空间较小。气体冷却器和蒸发器的火用效率分别为37.6%和47.5%,这意味着两个换热器有较大的提升空间。但是,蒸发器的相对火用损失较小,其性能的提高对COP影响不大。气体冷却器主要的不可逆损失来自换热流体的温差和工质在换热器内的压差,可以通过增加流体传热面积,比如增加换热器长度或翅片数量、采用微通道换热器等来减少流体换热温差。增加换热器长度或翅片数量都会使工质在换热器中的压差损失增大,需要注意温差损失和压差损失的平衡。另外,采用微通道换热器是比较好的选择。

4 结 论

本文依据实验数据给出了水-水跨临界CO2系统各个组件的火用效率和相对火用损失随膨胀阀开度的变化情况,结果显示:

(1)压缩机对系统总火用损失的贡献最大,大约占总火用损失的44.3%～49.7%,蒸发器的火用损失最小,占总火用损失的9.0%～10.4%;

(2)压缩机和气体冷却器的火用损失随着膨胀阀开度的增大而减小,同时膨胀阀和蒸发器的火用损失随着膨胀阀开度的增大而增大,膨胀阀开度为最佳值时,膨胀阀的相对火用损失与气体冷却器的相对火用损失相当,分别占总火用损失的20.1%和18.9%;

(3)膨胀阀开度为最佳值时,压缩机和气体冷却器的火用效率分别为60.7%和37.6%,而膨胀阀的火用效率已达到94.7%,与膨胀阀相比,压缩机和气体冷却器效率有较大的提升空间。

[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.

[2] ROBINSON D M, GROLL E A.Efficiencies of transcritical CO2cycles with and without an expansion turbine: Rendement de cycles transcritiques au CO2avec et sans turbine d’expansion [J].Int J Refrig, 1998, 21(7): 577-589.

[3] FARTAJ A, TING D S K, YANG W W.Second law analysis of the transcritical CO2refrigeration cycle [J].Energ Convers Manage, 2004, 45(13/14): 2269-2281.

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(编辑 荆树蓉)

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。

马娟丽(1981—),女,博士生;侯予(通信作者),男,教授,博士生导师。

国家自然科学基金资助项目(50976082);高等学校博士学科点专项科研基金资助项目(20090201110006)。

时间: 2013-12-10

TB61

:A

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

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