带内部热交换器的CO2增压制冷系统热力学分析

刘圣春，刘 坤，王嘉豪，代宝民，杨 鑫，张 鹏

（1.天津商业大学 天津市制冷技术重点实验室，天津 300134；2.大连海事大学，辽宁大连 116026）

0 引言

近十年来，考虑到F-Gas法规和《蒙特利尔议定书》基加利修正案对人工合成制冷剂使用的严格限制，天然制冷剂CO2引起了大量学者的关注，越来越多地应用在各种制冷和供热的系统中［1-3］。商超制冷系统造成了大量的能源消耗和温室效应，为了减少合成制冷剂对气候的影响，CO2也被作为制冷剂用于商超增压制冷系统［4］。

曹锋等［5］通过将CO2增压制冷系统与传统单级压缩CO2跨临界制冷系统进行热力学对比分析，前者的COP要比后者高10%以上。GULLO等［6］从理论上得出，在相同气候下，CO2增压制冷系统要比R404A制冷系统节能7.5%～17%。CO2增压制冷系统还可以用压缩机排气余热制取超市用热水，比单独供热系统更节能［7］。综上可知，相比于其它形式系统来说，CO2增压制冷系统是跨临界CO2制冷在商超领域未来的发展方向。

由于CO2增压制冷系统在环境温度高的地区COP较低，提升该系统的性能，成为了重点研究的方向［8］。内部热交换器（IHX）是一种最简单的过冷手段，通过在系统中加入该组件可以获得一定的过冷度［9］。CHEN等［10-11］的研究表明，对于跨临界CO2制冷系统，IHX效率会影响CO2增压制冷系统最优排气压力的确定及系统的COP。ZHANG等［12］研究发现，IHX不适合亚临界CO2系统，但是可以提高跨临界CO2系统的性能。SÁNCHEZ等［13］研究了IHX在不同位置对传统CO2跨临界系统的影响，结果表明，无论IHX在系统中的哪个位置，系统的最优排气压力始终低于常规系统。KARAMPOUR等［14］研究表明，IHX只能有限地提高CO2增压系统的制冷能力，但可以实现CO2增压制冷系统的热量回收。本文将IHX应用在CO2增压系统中，构建了一种新的系统形式，与常规的增压系统进行对比分析研究，并分析了该系统在中国典型城市适用性。

1 系统模型建立

常规CO2增压系统的原理如图1（a）所示，其压焓图如图1（b）所示。常规增压系统是专用于超市的冷冻冷藏的CO2制冷系统，因此具有2个蒸发器，分别是冷藏的中温（MT）蒸发器和冷冻的低温（LT）蒸发器。低压级（LP）压缩机将LT蒸发器出口的制冷剂压力提高到MT蒸发压力。高压级（HP）压缩机将制冷剂的压力提高到冷凝压力。带IHX的增压系统的原理如图2（a）所示，压焓图如图2（b）所示。

图1 常规增压系统的原理和压焓图Fig.1 Schematic diagram and pressure-enthalpy diagram of the conventional booster system

图2 带IHX的增压系统原理和压焓图Fig.2 Schematic diagram and pressure-enthalpy diagram of booster system with IHX

系统中的IHX将气体冷却器出口的制冷剂和进入HP压缩机前的制冷剂作为冷热流进行换热，从而使得气体冷却器出口的制冷剂获得一定的过冷度，但是与此同时HP压缩机入口的制冷剂也会获得一定的过热度。

2 工况设置

本文研究的CO2增压制冷系统是用于商超制冷，中温和低温蒸发器的蒸发温度不会随环境温度变化而改变，假设模拟过程中制冷量、蒸发温度，过热度等都为定值，CO2增压系统的模拟分析的工况设置见表1，热力学计算模型见表2。

表1 CO2增压系统的模拟分析的工况设置［15］Tab.1 Setting of working conditions for simulation analysis of conventional CO2 booster system

表2 CO2增压系统的热力学计算模型Tab.2 Thermodynamic calculation model of conventional CO2 booster system

3 热力学模型

本文的研究分析参考GULLO等［15］的热力学模型，当环境温度较低时，CO2增压制冷系统将在亚临界条件下运行，当环境温度较高时，系统在跨临界条件下运行，因此将根据HP压缩机的排气压力和环境温度分为4个区域，如图3所示。

图3 CO2增压系统的工况划分Fig.3 Division of working conditions of the conventional CO2 booster system

区域1：亚临界区域，A点以下，A点的状态为环境温度 -2 ℃［15］，HP 压缩机排气压力 4.28 MPa，系统在亚临界的状态运行，冷凝温度为8 ℃。区域1中HP压缩机和LP级压缩机的整体效率如下（区域1，2和3压缩机整体效率相同）［15］：

式中 ηglobal，HP，ηglobal，LP—— 高压级与低压级压缩机的整体效率；

pHP——高压级压缩机排气压力，MPa；

pMT——中温级蒸发压力，MPa；

pLT——低温级蒸发压力，MPa。

区域2：亚临界区域，介于A点与B点之间，B点的状态是环境温度为10 ℃，HP排气压力为5.73 MPa。在这个区域中，系统是以亚临界的状态进行工作。其气冷器出口CO2的温度由环境温度与接近温度决定，如下式，在区域2中取10 ℃［15］。

式中 tGC，out——气冷器 CO2出口温度，℃；

tamb——环境温度，℃；

tapp——接近温度，℃。

区域3：转换区域，位于点B与点C之间，C点的环境温度为25 ℃，HP排气压力为7.49 MPa。此区域中气冷器出口的CO2的状态如下［15］：

式中 pGC——进入气冷器中CO2的压力，MPa。

区域4：跨临界区域，本区域位于C点以上，系统处于跨临界区域运行。此时系统的气冷出口CO2的温度表达式为式（4），本区域中的接近温度取5 ℃。

本区域中的压缩机的整体效率的表达如式（6）（7）所示［15］：

区域4中的高压级压缩机的排气压力取最优排气压力。

其中高压级压缩机功耗计算公式如式（8）所示：

4 结果分析

4.1 常规系统热力学分析

通过建立热力学模型，对常规CO2增压系统模拟分析，可以研究系统性能随环境温度工况的变化情况，环境温度在-3～40 ℃范围内常规增压系统的COP及高压级和低压级压缩机功耗如图4所示。

图4 常规增压系统的COP及压缩机功耗Fig.4 COP and compressor power consumption of conventional booster system

由表2可知，蒸发温度和制冷量在模拟过程中为恒定值，因此2个蒸发器的制冷量流量是定值，同时LP压缩机的功耗为定值，但由于环境温度变化，HP压缩机的耗功在变化，从而COP也在变化，根据图4可得，环境温度从-3 ℃增加到40 ℃的时候，COP由5.24降低至1.06，这说明当环境温度升高时，系统的性能将会快速下降，这是因为随着环境温度的升高，LP压缩机的功耗是定值，但HP压缩机的功耗迅速增加，使得整个系统功耗增大，导致系统效率降低。

常规商超CO2增压系统在环境温度较低的区域制冷效率很高，但是在环境温度较高的地区，由于系统中闪蒸气体增多，压缩机功耗增加等原因COP会下降，这不利于增压系统的推广，但是这也说明了系统可提升性非常高。

4.2 系统对比分析

通过对带内部热交换器的CO2增压系统和常规增压系统的热力学模型进行对比和分析，可以找出更优的解决方案，并对系统进行有效的评估。

最优排气压力仍然是一个很重要的参数，在环境温度一定时，随着高压级压缩机排气压力上升，CO2增压系统的COP会先增加后降低，取得最大COP时，对应的压缩机排气压力称为最优排气压力。通过图5可得，在相同的工作条件下，带IHX的系统的HP压缩机排气压力的最优值始终低于常规系统，说明使用气冷器入口的制冷剂与高压级压缩机的吸气口的制冷剂在内部热交换器中进行换热，内部热交换器可以降低增压系统的最优排气压力值，最高降低了0.55 MPa，相比于常规系统，降低了5%，这有利于系统获得更合适的压比，提升系统的COP，同时也有利于工况控制。

图5 跨临界工况下各系统的最优排气压力Fig.5 Optimal exhaust pressure of each system under transcritical operating conditions

由图6可知，系统的COP随着环境温度的升高而降低。根据热力学模型，所选系统的COP与两个压缩机的功耗有关。根据图6，在区域1，区域2和区域3中，具有IHX的系统的HP压缩机的功耗大于常规增压系统，而LP压缩机的功耗与常规增压相等，因此在亚临界区域中，IHX确实没有改善系统，由于IHX使得高压级压缩机的吸气口的制冷剂比焓增大，会降低系统COP，因此在亚临界工况下应将IHX进行旁通处理。但是在区域4（跨临界区）中，带IHX的系统功耗小于常规系统，环境温度为40 ℃时，COP最高提升了6.36%，并且随着环境温度的升高提升越明显，所以IHX是可以有效改善系统性能。

图6 压缩机功耗及COPFig.6 Power consumption and COP of compressor

4.3 带IHX的系统全年性能分析

通过对我国典型城市使用带IHX的CO2增压系统的COP进行分析，可以看出该系统的年热工性能和适用性。选择4个不同气候区的城市进行比较，哈尔滨属于寒温带气候区，北京属于中温带气候区，上海属于亚热带气候区，厦门属于热带气候区。这4个城市所处的区域见表3。通过查看中国建筑热环境分析专用气象数据集，典型城市的月平均气温如图7（a）所示。不同月份的COP如图7（b）所示，ΔCOP代表所研究系统相对于常规系统的COP增加比率，不同月份的ΔCOP如图7（c）所示。以国内典型城市的月平均温度为参考，对2个系统在国内气候环境下的性能表现进行对比分析，当环境温度处于亚临界状态时，由于IHX不能对系统产生改善作用，系统采用了旁路处理，即其COP与常规系统在亚临界状态下的COP相同。

表3 4个典型城市气候分区［16-19］Tab.3 Four climatic sub-regions of typical Chinese cities

从图7（b）可以看出，哈尔滨COP最高，厦门COP最小，但是也达到了1.8。同时，从图7（c）可以看出，哈尔滨ΔCOP为0，厦门的ΔCOP最高，可达到1.7%，也就是说，月平均温度越高，IHX对系统的性能提升越高，IHX在跨临界区发挥更加积极作用。

图7 典型城市的月平均气温、COP、ΔCOPFig.7 Monthly average air temperatures，COP and ΔCOP in typical cities

综上所述，虽然常规跨临界CO2增压系统在温暖气候地区COP较低，但IHX是提高系统在这些地区性能的一个很好的途径，这对跨临界CO2增压系统在热带和亚热带地区推广具有重要意义。

5 结论

（1）使用内部热交换器可提高CO2增压系统在跨临界运行模式下的系统能效，并且环境温度越高，系统能效提升越显著。环境温度为40 ℃时，压缩机总功耗最高可降低8.73%，COP最高提升了6.36%。

（2）内部热交换器的使用可显著降低CO2增压系统的排气压力，随着环境温度的升高，排气压力降低越明显，最高降低了0.55 MPa。

（3）内部热交换器在热带和亚热带地区可有效提高系统的COP，最高提升1.7%。这对跨临界CO2增压系统在热带和亚热带地区推广具有重要意义。