CO2双级压缩制冷热泵循环系统的研究

CO2跨临界循环热泵热水器实验研究李敏霞 龚文瑾 刘秋菊 马一太 鞠小雨天津大学热能研究所 300072Email: tjmxli@摘要：本文对CO2跨临界循环热泵热水器进行了实验研究，测定了压缩机功率，同时对热水器在不同工况下的工作情况进行了测试，发现在热水器在环境温度越高，其效率越高，在夏季，此热水器会有比较高的效率。

在出水温度为60o C 时，系统COP可达到3.0以上，但入水温度越高越不利于系统效率，因此适合于直流式供水系统。

如果CO2跨临界循环热泵热水器的制冷与热水功能同时利用，系统总效率可达5.0以上。

关键词：CO2跨临界循环，热泵热水器，COP1 引言CO2作为制冷剂具有独特的优势，加上目前的国际大环境，使得许多研究所和相关厂商对其工质系统作出了大量的深入的研究工作。

CO2跨临界循环气体冷却器所具有的较高排气温度和较大的温度滑移可与冷却介质的温升过程相匹配，以及气体冷却器出口温度越低，系统性能越好等特性，非常适用于热水系统。

CO2热泵热水器替代传统的电热水器可以削减CO2排放，据估算如果采用CO2热泵热水器代电热水器，每年可减少CO2排放量为几千万吨。

CO2热泵热水器从而得到了广泛和深远的发展，特别是在发达国家和地区。

20时世纪九十年代，挪威SINTEF能源研究所的G.Lorentzen 与Neksa Petter等人率先对CO2跨临界循环在热泵上的应用作了理论和实验上的研究。

研究表明，CO2跨临界循环不仅具有高的供热系数，而且系统紧凑，产生的热水温度高。

实验结果表明,在蒸发温度为0℃时，水温可以从9℃加热到60℃，其热泵系数可高达4.3。

同时，比起电热水器和燃气热水器，它的能耗可降低75％ [1、2]。

此外，他们发现CO2热泵系统比传统热泵热水器更为显著的优点是它易于提供90℃的热水。

日本是发展CO2热泵热水器最快的国家，它地处寒冷地带，全年中使用热水器的时间长。

据统计，在家庭中30%的能量为热水器所消耗。

CO2双级压缩制冷循环气冷器的改进刘业凤; 王东亮; 陈申【期刊名称】《《轻工机械》》【年(卷),期】2019(037)005【总页数】5页(P84-88)【关键词】冷藏柜; CO2双级压缩制冷循环系统; 中冷器; MATLAB【作者】刘业凤; 王东亮; 陈申【作者单位】上海理工大学能源与动力工程学院上海200093【正文语种】中文【中图分类】TB657目前，制冷剂替代的一个研究方向是使用天然工质，而CO2是其中的一个重要的研究方向[1]。

CO2作为自然工质，近几十年对其作为制冷剂的研究和应用越来越多，尤其是CO2跨临界循环使用的领域(汽车空调、热泵热水器、复叠式制冷等)[2-4]。

CO2作为天然工质(臭氧消耗潜值为0，全球变暖潜能值为1)，无毒、不可燃，既具有良好的安全性，又具有蒸发潜热较大和单位容积制冷量高等优点[5]。

由于CO2临界压力高，跨临界循环气冷器的不可逆热损失和节流损失较大[6]，性能效率暂时和传统制冷剂还有一定的差距，因此提升它的使用效率和安全性，推广其应用范围是研究的热点。

对于双级压缩制冷循环系统的性能，其高压压力和中间压力起着重要的作用。

所以对于CO2 双级压缩带中冷器制冷循环来说，2个冷却器效果的好坏直接决定了制冷循环的性能。

在计算优化气冷器的换热效果时，气冷器的结构和质量也是必须考虑的因素[7]。

近几年, 针对翅片管式气冷器的优化研究, 承压和胀管问题已经不再是翅片管式气冷器设计主要考虑的问题, 提高其效率是目前研究的一个重点[8]。

课题组以CO2跨临界循环双级压缩制冷机组中的管翅式换热器为研究对象进行试验，试验所用的机组是用于冷藏饮料的超市展示柜。

通过探索降低机组中的带中冷器的管翅式气冷器出口温度的方法，对原有机组的气冷器的管程布置进行了改进，给CO2跨临界循环双级压缩制冷机组中的气冷器的开发提供参考和优化的意见。

1 CO2双级压缩制冷循环试验系统组成1.1 实验研究图1是课题组搭建的CO2带中冷器的双级压缩制冷试验系统图，对该系统进行试验研究的目的是：1) 检查实验机组的气冷器的实际换热效果。

CO2跨临界双级压缩制冷循环的热力学分析
谢英柏;孙刚磊;刘春涛;刘迎福
【期刊名称】《化工学报》
【年(卷),期】2008(59)12
【摘要】由于臭氧层破坏和温室效应的不利影响，用自然工质替代合成工质越来
越受到国内外制冷界的重视。

在几种常用的自然工质中，除水和空气以外，CO2
是与环境最为友善的制冷工质之一。

CO2使用安全，无毒；物理化学稳定性好；
单位容积制冷量大，有利于减少装置体积；在超临界条件下，它的流动传热性能好；此外，CO2容易获取，价格低廉，不需要回收，
【总页数】5页(P2985-2989)
【作者】谢英柏;孙刚磊;刘春涛;刘迎福
【作者单位】华北电力大学电站设备状态监测与控制教育部重点实验室,河北,保定,071003;华北电力大学电站设备状态监测与控制教育部重点实验室,河北,保
定,071003;华北电力大学电站设备状态监测与控制教育部重点实验室,河北,保
定,071003;华北电力大学电站设备状态监测与控制教育部重点实验室,河北,保
定,071003
【正文语种】中文
【中图分类】TB61
【相关文献】
1.CO2跨临界双级压缩制冷循环的热力学分析 [J], 刘圣春;李正
2.跨临界 CO2 双级压缩制冷循环的热力学分析与比较 [J], 张振迎;佟丽蕊;王洪利;马一太
3.CO2跨临界双级压缩带低压膨胀机制冷循环性能分析 [J], 谢英柏;孙刚磊;张雪东;宗露香
4.CO2跨临界压缩式制冷循环理论分析 [J], 王燕江;陶乐仁;刘银燕;王超
5.CO_2跨临界两级压缩制冷循环热力学分析 [J], 刘军朴;陈江平;陈芝久
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文章编号:ISSN1005-9180(2009)04-0042-07X二氧化碳制冷和热泵循环周子成(广东西屋康达空调有限公司,广东佛山528000)[摘要]二氧化碳制冷剂由于它的制热性能系数高和对大气的全球气候变暖潜能值小,现在获得了愈来愈多的应用,尤其是在热泵热水器和汽车空调领域。

本文论述二氧化碳制冷剂的各种制冷和热泵循环。

[关键词]二氧化碳;制冷;热泵;循环[中图分类号]TQ05115;TU833[文献标识码]AC arbon Dioxide C ooling and Heating C yclesZ HOU Zicheng(Guangdong Siukonda Air Conditioning Co1,Ltd1,Guangdong528000,China) Abstract:Owing to the hi gh coefficient of heating and low Global Worming Potential,The application of carbon dioxide refri gerant is more and more widely1Especially in the area of heat pu mp water heaters and car air conditioners1In this pa-per,the di fferent kinds of carbon diox ide refrigerant cooling and heating cycles are discussed1Keywords:Carbon Dioxide;Refrigeration;Heat pump;Cycle1引言二氧化碳(CO2)是一种不破坏大气臭氧层(ODP=0)和全球气候变暖指数很小(GW P=1)的天然制冷剂。

国际标准和国家标准中的编号是R744。

它安全、低毒、不燃烧、与润滑油和金属及非金属材料不起作用、高温下也不会分解成有害气体。

基金项目:上海市科委科技创新行动计划(编号:１９D Z １２０７５０３);上海市科委公共服务平台建设项目(编号:２０D Z ２２９２２００)作者简介:徐好,女,上海海洋大学在读硕士研究生.通信作者:谢晶(１９６８ ),女,上海海洋大学教授,博士.E Ｇm a i l :jx i e ＠s h o u ．e d u ．c n 收稿日期:２０２２Ｇ０８Ｇ２９㊀㊀改回日期:２０２３Ｇ０５Ｇ２６D O I :１０．１３６５２/j ．s p jx ．１００３．５７８８．２０２２．８０７３８[文章编号]１００３Ｇ５７８８(２０２３)０７Ｇ００７７Ｇ０８C O ２跨临界双级压缩制冷系统的火用分析E x e r g y a n a l y s i s o f t r a n s c r i t i c a l t w o s t a g eC O ２r e f r i g e r a t i o n s ys t e m 徐㊀好１,２X U H a o１,２㊀高建业１,２G A OJ i a n Ｇy e １,２㊀王金锋１,２,３WA N GJ i n Ｇf e n g １,２,３㊀谢㊀晶１,２,３,４X I EJ i n g１,２,３,４(１．上海海洋大学食品学院,上海㊀２０１３０６;２．上海冷链装备性能与节能评价专业技术服务平台,上海㊀２０１３０６;３．上海水产品加工及贮藏工程技术中心,上海㊀２０１３０６;４．食品科学与工程国家级实验教学示范中心,上海㊀２０１３０６)(１．C o l l e g e o f F o o dS c i e n c e a n dT e c h n o l o g y ,S h a n g h a iO c e a nU n i v e r s i t y ,S h a n gh a i ２０１３０６,C h i n a ;２．S h a n g h a iP r o f e s s i o n a lT e c h n o l o g y S e r v i c eP l a t f o r mo nC o l dC h a i nE q u i p m e n tP e r fo r m a n c e a n d E n e r g y S a v i n g E v a l u a t i o n ,S h a n g h a i ２０１３０６,C h i n a ;３．S h a n g h a iE n g i n e e r i n g R e s e a r c hC e n t e r o fA q u a t i cP r o d u c tP r o c e s s i n g a n dP r e s e r v a t i o n ,S h a n g h a i ２０１３０６,C h i n a ;４．N a t i o n a lE x p e r i m e n t a l T e a c h i n g D e m o n s t r a t i o nC e n t e r f o rF o o dS c i e n c e a n dE n g i n e e r i n g ,S h a n gh a i ２０１３０６,C h i n a )摘要:目的:提升C O ２跨临界双级压缩制冷系统性能.方法:对该系统进行了常规火用分析与高级火用分析,围绕内源可避免火用损失㊁内源不可避免火用损失㊁外源可避免火用损和外源不可避免火用损失这４个方面进行各部件火用损失计算.结果:C O ２跨临界双级压缩制冷系统有很大提升效率的潜力.常规火用分析与高级火用分析所得优化部件的优先级不同.高㊁低压级压缩机和蒸发器的性能优化是提高系统能效的重点.结论:高㊁低压级压缩机和蒸发器的内源可避免火用损失分别占系统总内源可避免火用损失的２０．９％,１５．２％,３６．５％,且通过改进高㊁低压级压缩机和蒸发器可分别减少其５８．８％,４９．３％,９０．２％的火用损失,常规火用分析无法提供此类建议.关键词:二氧化碳;高级火用分析;压缩机;热力学;火用损失A b s t r a c t :O b je c t i v e :I no r d e r t o i m p r o v e t h e e n e r g y ef f i c i e n c y o f t h e t r a n s c r i t i c a l t w o s t ag e C O ２r e f r i g e r a t i o n s y s t e m ,th e c o n v e n ti o n a l e x e r g y a n a l y s i s a n da d v a n c e de x e r g y a n a l y s i so f t h e s y s t e m w e r e c o n d u c t e d ．M e t h o d s :A d v a n c e d e x e r g y a n a l y s i s pr o v i d e sm o r ev a l u a b l ei n f o r m a t i o no nt h ei n t e r a c t i o n b e t w e e n s y s t e mc o m p o n e n t s a n d t h e p o t e n t i a l f o r c o m p o n e n t i m p r o v e m e n t b y s p l i t t i n g t h ee x e r g y d e s t r u c t i o ni n t oe n d o g e n o u s /e x o ge n o u s a n du n a v o i d a b l e /a v o i d a b l e p a r t s ．R e s u l t s :T h er e s u l t si n d i c a t e d t h a tt h et r a n s c r i t i c a lt w os t a g e C O ２r ef r ig e r a t i o n s y s t e mh a d si g n i f i c a n t p o t e n t i a l f o re f f i c i e n c y i m p r o v e m e n t ．T h e p r i o r i t y o f t h e o p t i m i z e d c o m p o n e n t s f r o mc o n v e n t i o n a l a n d a d v a n c e d e x e r g ya n a l y s i sw a s d i f f e r e n t ．T h e a d v a n c e d e x e r g y a n a l ys i s s h o w e d t h a t p e r f o r m a n c e o p t i m i z a t i o no f t h eh i g h Ｇp r e s s u r e s t a g e c o m pr e s s o r ,l o w Ｇp r e s s u r e s t a g e c o m p r e s s o r a n de v a po r a t o rw e r e t h e f o c u so f i m p r o v i n g s y s t e me n e r g y e f f i c i e n c y ．C o n c l u s i o n :T h e e n d o g e n o u s a v o i d a b l e e x e r g y d e s t r u c t i o n o f t h e h i g h Ｇp r e s s u r e s t a ge c o m p r e s s o r ,l o w Ｇp r e s s u r e s t a g e c o m p r e s s o r a n d e v a p o r a t o r a c c o u n t e df o r２０．９％,１５．２％a n d３６．５％o ft h ee n d og e n o u s a v o i d a b l ee x e r g y d e s t r u c t i o n o fth es y s t e m ,r e s p e c ti v e l y．T h e i m p r o v e m e n t o f t h e h i g h Ｇp r e s s u r e s t a g e c o m p r e s s o r ,l o w Ｇp r e s s u r e s t a g e c o m p r e s s o r a n d e v a po r a t o r a r e a b l e t o r e d u c e t h e i r e x e r g y d e s t r u c t i o nb y ５８．８％,４９．３％a n d９０．２％,r e s p e c t i v e l y ．T h e c o n v e n t i o n a l e x e r g y a n a l y s i s c a n n o t p r o v i d e s u c h r e c o mm e n d a t i o n s ．K e yw o r d s :c a r b o n d i o x i d e ;a d v a n c e d e x e r g y a n a l y s i s ;c o m p r e s s o r ;t h e r m o d y n a m i c s ;e x e r g y de s t r u c t i o n 随着«‹蒙特利尔议定书›基加利修正案»的落实,制冷剂的替代成为了目前要解决的首要问题[１－２].C O ２作为自然界中广泛存在的物质,以其良好的热物性㊁高密度㊁低黏度㊁臭氧消耗潜能值(O D P )为０与全球变暖潜能值(GW P )为１等优点而被广泛关注,成为最有希望的制冷剂替代工质[３].C O ２跨临界制冷循环方式则因其低环境温度适应性㊁全工况范围高效性等优势成为制冷领域的热门研究课题之一[４].作为优化系统效率评估系统性能的工具,常规火用分７７F O O D &MA C H I N E R Y 第３９卷第７期总第２６１期|２０２３年７月|Copyright ©博看网. All Rights Reserved.析既考虑了能量的数量也考虑了能量的质量,赖艳华等[５]对R４０４A/C O２复叠式制冷系统进行了常规火用分析,得到高温级膨胀阀㊁压缩机㊁冷凝蒸发器和低温级压缩机的火用损约占总火用损的８０％,应尽量减小以上４个过程的能耗.S u n等[６]对C O２两级压缩制冷系统进行了常规火用分析,研究了不同工况下系统火用效率的变化情况.常规火用分析可以确定系统中火用损失最高的部件[７－９],但并未揭示系统部件间的热力学相互作用[１０].高级火用分析的概念最初由T s a t s a r o n i s提出.区别于常规火用分析,高级火用分析进一步评估火用损失的来源,将系统内的火用损失分为可避免/不可避免和内源/外源部分,揭示了系统部件间的相互关系和系统的改进潜力.运用高级火用分析能够得出较常规火用分析更为准确的结论[１１－１３].目前有多位学者利用高级火用分析方法进行了各种研究,如S a r k a r等[１４]对采用不同制冷剂的制冷系统进行高级火用分析,表明对于以C O２和R４０４a为制冷剂的制冷系统,压缩机是需改进的首选部件,而以N H３为制冷剂的制冷系统,蒸发器是需要改进的首选部件;M o h a mm a d i等[１５]对再压缩超临界C O２循环进行高级火用分析,表明系统可通过改进部件从而使总火用损失减少４９．５８％.目前尚未有将常规火用分析和高级火用分析同时应用到C O２跨临界双级压缩制冷系统的研究报告.研究拟建立C O２跨临界双级压缩制冷系统热力模型,并进行验证.针对C O２跨临界双级压缩制冷系统进行常规火用分析和高级火用分析,确定系统部件不可逆性的主要来源.以期为提高系统的运行效率和性能改进提供依据.１㊀C O２跨临界双级压缩制冷系统由于C O２跨临界系统在运行时高低压差较大且一般大于６M P a,故为防止压缩机实际压缩过程太过偏离等熵过程以及过高的排气温度,一般采用双级压缩机来提高压缩机的工作效率[１６].且与C O２单级压缩制冷循环相比,C O２双级压缩制冷循环可以降低排气温度㊁提高容积效率并避免制冷剂泄漏[１７],因此采用C O２跨临界双级压缩制冷系统进行研究.该C O２跨临界双级压缩制冷系统用于－１８ħ冻藏食品的储存.设计工况如表１所示,循环流程及设备组成如图１所示.㊀㊀制冷系统主要部件由低压级压缩机㊁高压级压缩机㊁电子膨胀阀㊁气体冷却器㊁蒸发器㊁中间冷却器组成,系统制冷循环在压焓图上的表示见图２.表１㊀系统运行的设计工况T a b l e１㊀D e s i g n c o n d i t i o nv a l u e s f o r s y s t e mo p e r a t i o n系统制冷量/k W 气体冷却器出口温度/ħ蒸发温度/ħ环境温度/ħ气体冷却器压力/k P a０．５７３７－２３３２９０００图１㊀C O２跨临界双级制冷循环流程示意图F i g u r e１㊀D i a g r a mo f t r a n s c r i t i c a l t w o s t a g eC O２r e f r i g e r a t i o n s y s t em１－２－３－４－５－６－７－１为完整的C O２制冷循环,其中５－８－９－３为制冷剂流经中间冷却器辅路的过程图２㊀C O２跨临界双级制冷循环pＧh示意图F i g u r e２㊀T h e pＧh d i a g r a mo f t r a n s c r i t i c a l t w o s t a g eC O２r e f r i g e r a t i o n s y s t e m２㊀热力学分析基于热力学第一定律和第二定律对系统进行热力学建模,在表１所示系统运行设计工况下进行火用分析.为了简化系统的热力学模型,作出以下假设:(１)系统各部件在稳定状态下运行,制冷剂为稳定流动状态.(２)部件进出口的动能和势能变化忽略不计.(３)连接各部件间的管内压降和热损失忽略不计,中间冷却器无热损失.(４)蒸发器出口为饱和状态,无过热现象.(５)压缩机压缩过程不可逆,考虑压缩机等熵效率.(６)制冷剂的参考状态条件为T０＝２９８K㊁P０＝１０１３２５P a.２．１㊀热力学模型对系统和各部件应用质量守恒和能量守恒原理及火用平衡方程来计算火用分析所需的热力学数据,具体的计算公式:８７食品装备与智能制造F O O DE Q U I P M E N T&I N T E L L I G E N T MA N U F A C T U R I N G总第２６１期|２０２３年７月|Copyright©博看网. All Rights Reserved.q ＝h １－h ７,(１)m l ＝Q０q.(２)m h 可由中间换热器的能量守恒公式[式(３)]获得:m l (h ５－h ６)＝(m h －m l )(h ９－h ８),(３)Q c ＝m h (h ４－h ５).(４)状态点３的制冷剂由状态点９与状态点２的制冷剂混合得到,状态点３的焓值通过式(５)求得:(m h －m l )h ９＋m l h ２＝m h h ３.(５)压缩机的等熵效率和功耗表示为[１８－１９]:ηs ,l ＝１－０．０４ˑp ２p １(),(６)W c o m p,l ＝m l (h ２s －h １)ηs ,l ＝m l (h ２－h １),(７)ηs ,h ＝１－０．０４ˑp ４p ３(),(８)W c o m p,h ＝m h (h ４s －h ３)ηs ,h ＝m h (h ４－h ３).(９)电子膨胀阀的能量平衡方程为:h i n ＝h o u t .(１０)制冷系统性能系数(C O P )的方程为:C O P ＝Q ０W c o m p ,l ＋W c o m p ,h ,(１１)式中:C O P制冷系统性能系数;q蒸发器单位制冷量,k J /k g ;Q ０ 系统制冷量,k W ;h １㊁h ２㊁h ３㊁h ４㊁h ５㊁h ６㊁h ７㊁h ８㊁h ９ 制冷剂在状态点１㊁２㊁３㊁４㊁５㊁６㊁７㊁８和９的比焓,k J /k g;m l 流经蒸发器制冷剂的质量流量,k g/s ;m h 流经气体冷却器制冷剂的质量流量,k g/s ;Q c 气体冷却器中制冷剂的传热量,k W ;p １㊁p ２㊁p ３㊁p ４制冷剂在状态点１㊁２㊁３和４的压力,k P a ;h ２s ㊁h ４s低压级压缩机㊁高压级压缩机理论出口比焓,k J /k g;ηs ,l ,ηs ,h 低压级压缩机㊁高压级压缩机等熵效率;W c o m p ,l ㊁W c o m p,h 低压级压缩机㊁高压级压缩机功耗,k W ;h i n ㊁h o u t电子膨胀阀入口㊁出口比焓,k J /k g .火用可分为两个组成部分:物理火用和化学火用[２０],物理火用可由式(１２)获得,系统在运行过程中并无化学变化,只考虑物理火用部分:e ＝e ph ＋e c h ,(１２)e p h ＝(h －T ０S )－(h ０－T ０S ０),(１３)即e ＝(h －T ０S )－(h ０－T ０S ０),(１４)式中:e p h ㊁e c h 制冷剂单位物理火用㊁单位化学火用,k J /k g ;h ０ 制冷剂参考点的比焓,k J /k g ;T ０ 制冷剂参考点的温度,K ;S ０ 制冷剂参考点的比熵,k J /(k gK ).火用平衡的表达式为:E D ＝ðEi n－ðE o u t ,(１５)式中:E i n ㊁E o u t 系统入口和出口处的火用,k W ;E D 系统的总火用损失,k W .式(１５)在稳态过程中的火用平衡可写为:E D ＝ði n m e －ðo u tm e ＋ðQ １－T ０T b()[]i n－ðQ １－T ０T b()[]o u t＋ðW i n －ðW o u t ,(１６)式中:e 制冷剂单位火用值,k J /k g ;Q 换热量,k W ;T b 热量通过的边界温度,K ;W 系统的功率,k W .２．２㊀火用分析根据火用平衡方程可得系统每个部件的火用损失表达式如下:低压级压缩机:E c o m p,l ＝m l T ０(S ２－S １),(１７)高压级压缩机:E c o m p,h ＝m h T ０(S ４－S ３),(１８)气体冷却器:E g c ＝m hT ０(S ５－S ４)＋T ０Q CT b ．g c ,(１９)蒸发器:E e v a p ＝ml T ０(S １－S ７)－T ０Q ０T b ．e v a p ,(２０)辅路电子膨胀阀:E T X V １＝(m h －m l )(e ５－e ８),(２１)主路电子膨胀阀:E T X V ２＝m l (e ６－e ７),(２２)中间冷却器:E I C ＝(m h －m l ) (e ８－e ９)＋m l (e ５－e ６),(２３)系统的火用效率表达式为:ηe ＝E o u tE i n＝１－E DW c o m p ,l ＋W c o m p,h ,(２４)式中:e ５㊁e ６㊁e ７㊁e ８㊁e ９ 制冷剂对应状态点的单位火用值,k J /k g;S １㊁S ２㊁S ３㊁S ４㊁S ５㊁S ７ 制冷剂对应状态点的比熵,k J /(k gK );T b ．e v a p蒸发器传热边界温度,K ;T b ．gc 气体冷却器传热边界温度,K ;ηe 火用效率.将每个部件的火用损失分为内源火用损失和外源火用损失[１０]:E D ,k ＝E E N D ,k ＋E E X D ,k ,(２５)式中:９７|V o l ．３９,N o ．７徐㊀好等:C O ２跨临界双级压缩制冷系统的火用分析Copyright ©博看网. All Rights Reserved.E D ,k部件k 的火用损失,k W .内源火用损失E E ND ,k 是指由部件本身的不可逆性而产生的火用损失,其只与部件本身有关,通过使所研究部件为真实情况运行,系统其余部件为理想情况运行计算得到该部件的内源火用损失,外源火用损失E E XD ,k 则是指由系统其他部件的不可逆性而导致该部件的火用损失,通过这种划分方法能够更加清晰地确定造成火用损失的原因[１３].将每个部件的火用损失分为可避免火用损失和不可避免火用损失[７]:E D ,k ＝E U N D ,k ＋E A VD ,k .(２６)不可避免火用损失E U ND ,k 指由于材料或制作工艺等技术限制而在近期不能通过技术手段消除的部分,通过使系统部件在不可避免损失情况下运行计算获得,可避免火用损失E A VD ,k 则指可以减少的火用损失.将内源火用损失与外源火用损失分为可避免火用损失和不可避免火用损失可得到[２１]:E D ,k ＝E E N ,A V D ,k ＋E E N ,U N D ,k ＋E E X ,A V D ,k ＋E E X ,U ND ,k,(２７)式中:E E N ,A VD ,k 部件k 的内源可避免火用损失,k W ;E E N ,U N D ,k 部件k 的内源不可避免火用损失,k W ;E E X ,A V D ,k部件k 的外源可避免火用损失,k W ;EE X ,U N D ,k部件k 的外源不可避免火用损失,k W .内源不可避免火用损失E E N ,U N D ,k可通过使所研究部件为不可避免条件下运行,系统其余部件为理想情况下运行计算获得,式(２５)~式(２７)的未知部分结合式(２８)~式(３１)求出.E E X D ,k＝E D ,k －E E ND ,k,(２８)EE N ,A VD ,k＝EE ND ,k－EE N ,U ND ,k,(２９)E E X ,U N D ,k ＝E U N D ,k －E E N ,U ND ,k,(３０)E E X ,A V D ,k ＝E E X D ,k －E E X ,U N D ,k.(３１)高级火用分析将火用损失分为内源可避免部分㊁内源不可避免部分㊁外源可避免部分㊁外源不可避免部分,通过这种区分方式可以确定系统每个部件的各类火用损失占比从而获得部件改进潜力和改进部件的优先级,这是常规火用分析不能得到的.为了更加清晰地阐明高级火用分析方法,引入真实循环:指系统所有部件均处于实际运行状态下工作;不可避免状态循环:指系统所有部件均处于不可避免状态下工作.表２为高级火用分析所做假设,区分部件以真实情况㊁理想情况㊁不可避免情况运行.２．３㊀模型验证在E E S 软件中建立火用分析仿真模型[１９,２３].为了验证文中热力学模型的可靠性,使用该仿真模型进行C O P 与总火用损失计算,并与文献[６]中的数值结果进行比较.如图３所示,当气体冷却器排气压力分别在７７００,７９００,８０００,８１００,８３００,８６００k P a 时,系统C O P 与总火用损失的相对误差均小于７％,表明数据的一致性较好,模型的可靠性得到了验证.３㊀结果与分析３．１㊀系统常规火用分析基于热力学第二定律提出火用的概念,能量在进行转化过程中,可有限转换的部分即称为火用.火用能够从能量 质 的角度对制冷系统进行性能评估.如图４所示,气体冷却器的火用损失占比最高,为３１．３％,具有较大的优化潜力.而低压级压缩机的火用损失占比最小,仅为５．１％.在C O ２跨临界制冷系统中,制冷剂在气体冷却器中处于超临界区,有较大的温度滑移,因此有较高的不可逆损失.其次火用损失最高的为主路电子膨胀阀和辅路电子膨胀阀,分别占比２１．５％,１５．４％.主路电子膨胀阀与辅路电子膨胀阀入口处均为超临界流体,其有较强的流动性且对温度变化更为敏感,故节流过程不可逆损失很大.主路电子膨胀阀的制冷剂流量较辅路电子膨胀阀制冷剂的更多,且主路电子膨胀阀的压降更大,不可逆损失也相应增加.剩余系统部件的火用损失占比分别为中间冷却器(占比１０．４％)㊁高压级压缩机(占比８．４％)和蒸发器(占比８％).表２㊀真实㊁理想㊁不可避免情况所做假设T a b l e ２㊀M a i nd a t a n e e d e d t o s o l v e t h e r e a l ,i d e a l a n du n a v o i d a b l e c o n d i t i o n s部件真实情况理想情况不可避免情况低压级压缩机ηs ,l ＝１－０．０４ˑp ２p １()ηs ,l ＝１ηs ,l ＝１－０．０１ˑp ２p １()[１８]高压级压缩机ηs ,h ＝１－０．０４ˑp ４p ３()ηs ,h ＝１ηs ,h ＝１－０．０１ˑp ４p ３()[１８]气体冷却器әT m i n ＝５әT m i n ＝０әT m i n ＝０．５[２２]辅路电子膨胀阀－ηs ,１＝１ηs ,１＝０．９６[１８]主路电子膨胀阀－ηs ,２＝１ηs ,２＝０．９６[１８]蒸发器әT m i n ＝５әT m i n ＝０әT m i n ＝０．５[２２]中间冷却器әT m i n ＝５әT m i n ＝０әT m i n ＝０．５[２２]０８食品装备与智能制造F O O DE Q U I P M E N T &I N T E L L I G E N T MA N U F A C T U R I N G 总第２６１期|２０２３年７月|Copyright ©博看网. All Rights Reserved.图３㊀与文献[６C O P 和总火用损失的比较F i g u r e ３㊀C o m p a r i s o no f p r e s e n t s t u d y a n dS u n s t u d yf o r t h eC O Pa n d t o t a l e x e rg y de s t r u c t i o n ㊀㊀根据各部件火用损失的占比,排名由高到低为:气体冷却器㊁主路电子膨胀阀㊁辅路电子膨胀阀㊁中间冷却器㊁高压级压缩机㊁蒸发器㊁低压级压缩机.由火用效率的表达式(２４)可知,减小系统部件火用损失可提高火用效率,火用损失占比越高则说明该部件的改进潜力越大.综上所述,根据常规火用分析,为了减少部件火用损失㊁提高系统火用效率,改进部件的优先级应为气体冷却器㊁主路电子膨胀阀和辅路电子膨胀阀.３．２㊀系统高级火用分析系统在表１设计工况下运行,进行高级火用分析,得到系统部件的各类火用损失,具体结果见表３~表５.３．３㊀系统各部件内源火用损失与外源火用损失由表５可知,系统中气体冷却器㊁主路电子膨胀阀㊁蒸发器㊁辅路电子膨胀阀㊁高压级压缩机㊁中间冷却器和低压级压缩机的内源火用损失逐次减少.内源火用损失只与部件本身有关,而部件的外源火用损失则是由系统其余部件的不可逆过程导致该部件的火用损失,表明在改进部件图４㊀系统部件火用损失的相对比重F i g u r e ４㊀T h e r e l a t i v e e x e r g y d e s t r u c t i o no f s ys t e m c o m po n e n t s 时应该将更多注意力放在内源火用损失较多的部件上,而其他部件的外源火用损失也会由于该部件的改进而得到减少[１８].㊀㊀系统各部件外源火用损失由大到小的排列顺序为:辅路电子膨胀阀㊁气体冷却器㊁中间冷却器㊁主路电子膨胀阀㊁高压级压缩机和低压级压缩机,在减少上述部件火用损失时不能只关注其本身性能的提升,也要关注部件与部件之间的影响,以减少该部件的外源火用损失.由表５可知,系统中的气体冷却器㊁主路电子膨胀阀㊁高压级压缩机㊁低压级压缩机和蒸发器,其内源火用损失均大于其外源火用损失,表明上述部件由其自身的不可逆性导致的火用损失占其总火用损失的大部分.而辅路电子膨胀阀和中间冷却器因其外源火用损失占比较大,分别为５９．８％,５５．２％,表明上述两部件除改进自身性能减少内源火用损失外,还可通过改进除本身外部件的性能以减少自身占比较大的外源火用损失从而使系统获得更大的性能提升.值得注意的是蒸发器所有的火用损失都为内源火用损失,全部由自身不可逆性产生,且蒸发器的性能影响着其余部件的外源可避免火用损失,说明改进蒸发器对于优化系统来说是极其必要的.表３㊀实际状态下C O ２跨临界双级制冷循环中不同状态点的热力学性质和质量流量T a b l e ３㊀T h e r m o d y n a m i c p r o p e r t i e s a n dm a s s f l o wr a t e o f t r a n s c r i t i c a l t w o s t a g eC O ２re f r i g e r a t i o n c y c l e a t d i f f e r e n t s t a t e p o i n t su n d e r r e a l c o n d i t i o n s状态点T /K P /k P ah /(k J k g －１)s /(k J k g －１ K －１)m /(k g s －１)e /(k J k g－１)E /k W１２５０．０１７８５－６９．７４－０．７７４９０．００２６２４１６１．５０．４２３７７２３０８．６４００８－３２．６０－０．７６４１０．００２６２４１９５．４０．５１２７３３２９３．６４００８－５３．１９－０．８３２５０．００４６６９１９５．２０．９１１３９４３６０．７９０００－１３．１０－０．８２２５０．００４６６９２３２．３１．０８４６１５３１０．０９０００－１９６．１０－１．３８５００．００４６６９２１７．０１．０１３１７６２８３．５９０００－２８７．００－１．６８９００．００２６２４２１６．７０．５６８６２７２５０．０１７８５－２８７．００－１．６４４００．００２６２４２０３．２０．５３３２０８２７８．５４００８－１９６．１０－１．３４３００．００２０４５２０４．５０．４１８２０９２７８．５４００８－７９．６０－０．９２５００．００２０４５１９６．３０．４０１４３０２９８．０１０１．３－１．０６７－０．００２６－－－１８|V o l ．３９,N o ．７徐㊀好等:C O ２跨临界双级压缩制冷系统的火用分析Copyright ©博看网. All Rights Reserved.表４㊀不可避免状态下C O２跨临界双级制冷循环中不同状态点的热力学性质和质量流量T a b l e４㊀T h e r m o d y n a m i c p r o p e r t i e s a n dm a s s f l o wr a t e o f t r a n s c r i t i c a l t w o s t a g eC O２r e f r i g e r a t i o n c y c l ea t d i f f e r e n t s t a t e p o i n t su n d e r u n a v o i d ab l ec o nd i t i o n s状态点T/K P/k P a h/(k J k g－１)s/(k J k g－１ K－１)m/(k g s－１)e/(k J k g－１)E/k W１２５４．５２０５３－７０．０１－０．７９７０．００２４７５１６７．８０．４１５３１２３０６．７４２９８－３８．９４－０．７９５０．００２４７５１９８．２０．４９０５５３２９７．２４２９８－５２．８３－０．８４１０．００３６５１１９８．１０．７２３２６４３５６．９９０００－１９．０４－０．８３９０．００３６５１２３１．３０．８４４４８５３０５．５９０００－２２１．１０－１．４６６０．００３６５１２１６．２０．７８９３５６２８１．８９０００－２９１．００－１．７０４０．００２４７５２１７．００．５３７０８７２５４．５２０５３－３００．３０－１．７０２０．００２４７５２０７．２０．５１２８２８２８１．３４２９８－２２９．１０－１．４６５０．００１１７６２０７．８０．２４４３７９２８１．３４２９８－８２．０２－０．９４２０．００１１７６１９９．００．２３４０２０２９８．０１０１－１．０７－０．００３－－－表５㊀C O２跨临界双级压缩制冷系统高级火用分析结果T a b l e５㊀R e s u l t s o f a d v a n c e de x e r g y a n a l y s i s f o r t h e t r a n s c r i t i c a l t w o s t a g eC O２r e f r i g e r a t i o n s y s t e m㊀W 部件E D,k E E N D,k E E X D,k E A V D,k E U N D,k E E N,A VD,k E E N,U ND,k E E X,A VD,k E E X,U ND,k 低压级压缩机８．４９６．５２１．９７６．９２１．５７４．９９１．５３１．９３０．０４高压级压缩机１３．９３８．９５４．９８１１．７７２．１６６．８６２．０９４．９１０．０７气体冷却器５１．８９４０．０７１１．８２１３．６０３８．２３２．９５３７．１２１０．７１１．１１辅路电子膨胀阀２５．５５１０．２７１５．２８１５．６７９．８２１．０５９．２２１４．６２０．６６主路电子膨胀阀３５．６１２８．７０６．９１１１．４１２４．２０４．９６２３．７４６．４５０．４６蒸发器１３．３２１３．３２０．００１２．０１１．３１１２．０１１．３１０．０００．００中间冷却器１７．２２７．７１９．５１８．９４８．２８０．０５７．６６８．８９０．６２合计１６６．０１１１５．５４５０．４７８０．３２８５．５７３２．８７８２．６７４７．５１２．９６３．４㊀系统各部件可避免火用损失系统总部件可避免火用损失为０．０８０３８３k W,这意味着系统有很大改进潜力,可通过改进系统部件减少系统总火用损失４８．４％.由表５可以看出:辅路电子膨胀阀㊁气体冷却器㊁蒸发器㊁高压级压缩机㊁主路电子膨胀阀㊁中间冷却器和低压级压缩机,上述部件可避免火用损失依次减少,值得注意的是其中低压级压缩机和高压级压缩机可通过改进自身和其余部件分别减少其８１．５％,８４．５％的火用损失,蒸发器可通过改进自身减少其９０．２％的火用损失.３．５㊀系统各部件内源可避免火用损失由表５可知,低压级压缩机㊁高压级压缩机和蒸发器的内源可避免火用损失大于其外源可避免火用损失,而系统其他部件的内源可避免火用损失均小于其外源可避免火用损失,表明优化高㊁低压级压缩机和蒸发器是减少其火用损失的主要方式,且由于气体冷却器㊁辅路电子膨胀阀㊁主路电子膨胀阀和中间冷却器的外源可避免火用损失均高于其内源可避免火用损失,故在改进高㊁低压级压缩机和蒸发器减少其内源火用损失的同时上述部件的外源火用损失也随之减少[１２],系统效率得到提升.由图５可知,内源可避免火用损失由大到小排列为:蒸发器㊁高压级压缩机㊁低压级压缩机㊁主路电子膨胀阀㊁气体冷却器㊁辅路电子膨胀阀㊁中间冷却器.观察表５可知,通过改进低压级压缩机和高压级压缩机可分别减少５８．８％,４９．３％的内源可避免火用损失,而气体冷却器㊁辅路电子膨胀阀㊁主路电子膨胀阀㊁中间冷却器则可通过改进其自身性能而分别减少其５．７％,４．１％,１３．９％,０．３％的内源可避免火用损失.高㊁低压级压缩机和蒸发器的内源可避免火用损失大于其内源不可避免火用损失,且高㊁低压级压缩机和蒸发器的内源可避免火用损失的数值相对其他部件较高,分别占系统内源可避免火用损失的２０．９％,１５．２％,３６．５％,表明改进该部件不仅能使自身火用损失减少㊁效率提高,也能对系统总火用损失的减少起到较大作用.对于外源可避免火用损失而言可通过改进除该部件外的部件来减少这部分火用损失,值得注意的是辅路电子膨胀阀和中间冷却器其外源可避免火用损失较其他部件的外源可避免火用损失占比更大,分别占其总火用损失的５７．２％,５１．６％,说２８食品装备与智能制造F O O DE Q U I P M E N T&I N T E L L I G E N T MA N U F A C T U R I N G总第２６１期|２０２３年７月|Copyright©博看网. All Rights Reserved.图５㊀系统部件内源可避免火用损失的相对比重F i g u r e ５㊀T h e p e r c e n t a g e o f e n d o g e n o u s a v o i d a b l e e x e r g yd e s t r u c t i o no f s y s t e mc o m po n e n t s 明对辅路电子膨胀阀和中间冷却器而言减少除本身之外部件的不可逆损失是减少这两个部件火用损失的重要措施,而不是一味改进自身来减少其火用损失.另外值得注意的是主路电子膨胀阀与辅路电子膨胀阀的火用损失分布并不相同,这可能是制冷剂状态与膨胀阀压降不同所导致,应对主路电子膨胀阀与辅路电子膨胀阀采取不同的改进措施,如分别采用喷射器㊁膨胀机或涡流管等装置代替膨胀阀从而减少节流损失.㊀㊀综上所述,常规火用分析的优化顺序:气体冷却器㊁主路电子膨胀阀㊁辅路电子膨胀阀㊁中间冷却器㊁高压级压缩机㊁蒸发器㊁低压级压缩机.高级火用分析在常规火用分析基础上进行划分,对火用损失的产生原因进行定位,提高了火用分析的准确性.区别于常规火用分析,应用高级火用分析得出了部件优化的优先级为蒸发器㊁高压级压缩机㊁低压级压缩机㊁主路电子膨胀阀㊁气体冷却器㊁辅路电子膨胀阀㊁中间冷却器.４㊀结论(１)常规火用分析可以确定系统部件火用损失的相对比重:气体冷却器的火用损失占比最高,为３１．３％,低压级压缩机的火用损失占比最小,为５．１％.根据常规火用分析,为了减少部件火用损失㊁提高系统火用效率,改进部件的优先级应为气体冷却器㊁主路电子膨胀阀和辅路电子膨胀阀.(２)高级火用分析将系统内的火用损失分为可避免/不可避免和内源/外源部分,得出的部件优化的优先级为蒸发器㊁高压级压缩机㊁低压级压缩机㊁主路电子膨胀阀㊁气体冷却器㊁辅路电子膨胀阀㊁中间冷却器.(３)蒸发器所有的火用损失都为内源火用损失,全部由本身不可逆性所产生,且蒸发器的性能影响着其余部件的外源可避免火用损失,改进蒸发器对于优化系统来说是极其必要的.(４)主路电子膨胀阀与辅路电子膨胀阀的火用损失分布并不相同,应对主路电子膨胀阀与辅路电子膨胀阀采取不同的改进措施,如分别采用喷射器㊁膨胀机或涡流管等装置代替膨胀阀从而减少节流损失,降低火用损失.(５)常规火用分析无法揭示系统部件间的热力学相互作用,而高级火用分析进一步评估火用损失的来源,揭示了系统部件间的相互关系,可以确定系统每个部件的各类火用损失占比从而获得部件改进潜力和改进部件的优先级,这是常规火用分析不能得到的.高级火用分析在常规火用分析基础上进行划分,对火用损失的产生原因进行定位,提高了火用分析的准确性.(６)C O ２跨临界双级压缩制冷系统有很大提升效率的潜力,高㊁低压级压缩机和蒸发器的性能优化是提高系统能效的重点.高㊁低压级压缩机和蒸发器的内源可避免火用损失分别占系统总内源可避免火用损失的２０．９％,１５．２％,３６．５％,且通过改进高㊁低压级压缩机和蒸发器可分别减少其５８．８％,４９．３％,９０．２％的火用损失,常规火用分析无法提供此类建议.参考文献[1]SONG X,LU D X,LEI Q,et al.Energy and exergy analyses of a transcritical CO 2air conditioning system for an electric bus [J ].Applied Thermal Engineering,2021,190:116819.[2]轩福臣,谢晶.跨临界CO 2制冷循环系统与应用研究进展[J].食品与机械,2019,35(8):226Ｇ231.XUAN F C,XIE J.Research progress of trans Ｇcritical CO 2refrigeration cycle system and application [J].Food &Machinery,2019,35(8):226Ｇ231.[3]GULLO P,ELMEGAARD B,CORTELLA G.Advanced exergy analysis of a R744booster refrigeration system with parallel compression[J].Energy,2016,107:562Ｇ571.[4]宋昱龙,王海丹,殷翔,等.跨临界CO 2蒸气压缩式制冷与热泵技术综述[J].制冷学报,2021,42(2):1Ｇ24.SONG Y L,WANG H D,YIN X,et al.Review of transcritical CO 2vapor compression technology in refrigeration and heat pump [J].Journal of Refrigeration,2021,42(2):1Ｇ24.[5]赖艳华,王庆为,吕明新,等.R404A/CO 2复叠式制冷系统的火用分析[J].山东大学学报(工学版),2011,41(6):115ＧI Y H,WANG Q W,LU M X,et al.Exergy analysis of the R404A /CO 2cascade refrigeration system[J].Journal of Shandong University (Engineering Science ),2011,41(6):115Ｇ121.[6]SUN Y Y ,WANG J F,XIE J.Performance optimizations of the transcritical CO 2two Ｇstage compression refrigeration system and influences of the auxiliary gas cooler [J].Energies,2021,14(17):5578.[7]KELLY S,TSATSARONIS G,MOROSUK T.Advanced exergeticanalysis:Approaches for splitting the exergy destruction into endogenous and exogenous parts[J].Energy,2008,34(3):384Ｇ391.３８|V o l ．３９,N o ．７徐㊀好等:C O ２跨临界双级压缩制冷系统的火用分析Copyright ©博看网. 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