回热器对跨临界CO2热泵系统性能的影响

基于窄点温差的CO2回热式热泵系统性能分析王辉;王国辉【摘要】以油田低温余热利用为背景,分析了基本式和回热式两种CO2热泵系统输出参数,详细讨论了系统窄点位置和数量随冷凝压力的移动变化情况.结果表明,两种热泵系统均存在最优冷凝压力,回热器的加入有利于降低系统运行压力,提高系统性能系数(COP),在给定的条件下运行压力降低了4.2％,COP提高了1.7％.同时采用回热器是有条件的,在给定的外部工况条件下系统存在一个临界冷凝压力(9.33 MPa),当冷凝压力大于临界值时,回热器的加入不利于提高系统COP.当冷凝压力低于系统最优冷凝压力时,冷凝器的窄点只有1个,位于冷凝器入口;在系统处于最优冷凝压力时,冷凝器中出现2个窄点,分别在冷凝器内部和工质出口处;当冷凝压力高于系统最优冷凝压力时,冷凝器窄点又变为1个,固定在冷凝器工质侧出口处不变.回热器的窄点位于回热器低温侧出口,蒸发器的窄点位于蒸发器工质侧入口.【期刊名称】《油气田地面工程》【年(卷),期】2018(037)010【总页数】6页(P16-21)【关键词】热泵;回热器;窄点温差;最优冷凝压力;性能系数【作者】王辉;王国辉【作者单位】中国石化胜利油田分公司河口采油厂;中国石化胜利油田分公司河口采油厂【正文语种】中文随着环境问题的日益突出，CFC类制冷剂因臭氧层的破坏已被禁止使用，HFC类制冷剂也将因较高的GWP被逐渐淘汰，自然工质CO2、NH3、HCs因其良好的环保性而备受关注。

其中CO2因其环保、无毒、不可燃、化学性质稳定，被视为最有应用潜力的制冷剂。

关于CO2热泵已有众多学者进行了研究，其在油田余热回收方面有独特的优势，CO2热泵能够获得常规工质不能达到的热水温度。

苗承武等[1]认为在油田生产过程中大量含油污水的热源没有得到利用，造成能源浪费。

罗小明等[2]也指出油田开采过程中大部分低焓余热水多数未能充分利用就排到环境中。

SARKAR[3]对喷射式CO2热泵系统进行了实验研究，通过控制喷射器开度控制喷射压力，实验结果表明，同时增大工作流体的压力和引射流体的压力可以提高喷射器的效率，从而提高喷射热泵系统性能。

CO2跨临界循环在热泵热水器中的应用（郑州轻工业学院机电工程学院）摘要全球正面临着严重的温室效应和臭氧层破坏问题，各国都致力于研究出氟利昂的替代制冷剂。

CO2是一种天然工质，它优于其它常用制冷剂的性能表现正好符合现在的环境要求，是热泵热水器系统最具潜力的替代工质之一。

分析目前市场上出现的各种热水供应设备，将CO2和其他制冷剂做性能比较，给出了CO2跨临界循环的典型流程和特点；对CO2跨临界特性、设备的开发以及循环的可靠性和安全性进行综合分析。

说明CO2跨临界循环在热泵热水器中应用的优越性，以及该技术在国内的应用前景和方向。

关键词二氧化碳跨临界循环热泵热水器A Study on The Application of CO2 Transcritical Cycle inHeat Pump Water Heater(College of Mechanical and Electrical Engineering in Zhengzhou University of LightIndustry)Abstract We are facing serious whole world green-house effect and the ozone layer destroyed in recent years, every country is focusing on the research of a replaced refrigerant of the HFC.CO2is a natural substance, it has a more excellent performance than the other refrigerants, which is competent for the enviromental request nowadays. So it can be the most potential refrigerant in heat pump water heater to replace the HFC. By analysing a series of devices, providing hot water, saled in the markets, and comparing CO2 with the the other refrigerants, this article tells the typical diagram and the characteristic of the CO2transcritical cycle and anlyses the properties of CO2refrigeration transcritical cycle, the equipment exploitation and the security and reliability of the CO2transcritical system.The aim is to introduce the superiority of the application of CO2 transcritical cycle in heat pump water heater, and tell us the potentiality and the direction of CO2 transcritical cycle technology in China. Keywords CO2 transcritical cycle heat pump water heater0前言二氧化碳作为制冷剂已经超过100年。

二氧化碳跨临界循环制冷CO 2作为制冷剂的应用历史•CO 2作为最早的制冷剂之一，在19世纪末到20世纪30年代得到了普遍的应用，到1930年，80%的船舶采用CO 2制冷。

•但由于当时采用的CO 2亚临界循环制冷效率低，特别是当环境温度稍高时，CO 2的制冷能力急剧下降，且功耗增大。

•同时，以R12为代表的CFC 或氟氯烃制冷剂的出现，以其无毒、不可燃、不爆炸、无刺激性、适中的压力和较高的制冷效率等特点，很快取代了CO 2在安全制冷剂方面的位置。

•近年来，制冷剂对臭氧层的破坏和全球温室效应等环保问题日益突出，而CO 2跨临界制冷循环的提出，CO 2作为制冷剂开始重新得到重视•该循环系统的最大特点就是工质的吸、放热过程分别在亚临界区和超临界区进行。

压缩机的吸气压力低于临界压力，蒸发温度也低于临界温度，循环的吸热过程仍在亚临界条件下进行，换热过程主要是依靠潜热来完成。

但是压缩机的排气压力高于临界压力，工质的冷凝过程与在亚临界状态下完全不同，换热过程依靠显热来完成。

CO作为制冷工质的优缺点2优点•良好的安全性和化学稳定性•具有与制冷循环和设备相适应的热物理性质•CO2优良的流动和传热特性•CO2制冷循环的压缩比较常规工质制冷循环低缺点•运行压力高•循环效率低带回热器和不带回热器的CO 2跨临界单级循环进行理论分析和实验性能测试2•典型的CO 2跨临界单级循环主要由压缩机、气体冷却器、节流阀和蒸发器组成．图1和图2分别给出了CO 2跨临界单级循环原理图和细图．图l 中：低压气态制冷剂经压缩机被压缩成高压气态制冷剂(过程l 一2)，经气体冷却器进行定压放热(过程2—3)，然后经节流阀进行节流降压(过程3—4)，低压液态制冷剂在蒸发器内进行定压吸热(过程4一1)，最后回到压缩机，从而完成一个循环．2•制冷循环增设回热器，可以减小节流损失、增大制冷量，从而提高系统性能．图3和图4分别给出了带回热器的CO 2跨临界单级循环原理图和细图．两个循环性能对比分析•图5给出了两个循环COP随蒸发温度的变化．随着蒸发温度的增加，两个循环COP均呈增加趋势，蒸发温度越高，系统性能越优；•在整个蒸发温度变化范围内，带回热器循环平均性能要比不带回热器循环提高4．55％左右；•对于理想压缩机循环，系统性能要比实际循环性能高33．3％以上，但这种理想循环是不存在的．•图6给出了两个循环COP 随气体冷却器出口温度的变化．•随着气体冷却器出门温度的增加，两个循环COP均呈下降趋势，温度越高，系统性能越差；•在气体冷却器出口温度变化范围内，带回热器循环平均性能要比不带回热器循环提高5．23％左右．•两个循环COP 随压缩机排气温度的变化，见图7．•在排气温度变化范围内，相同对比条件下，带回热器CO 2跨临界单级循环系统COP 要高于不带回热器循环，且带回热器单级循环排气温度要稍高些．•无论带回热器还是不带回热器循环，随着压缩机效率提高，系统COP 均变大，压缩机排气温度均有所降低，不带回热器循环降低幅度较大．•由图7还可以看出，两个单级循环都存在一个最优排气温度，使得在此温度下系统COP 最大，带回热器循环对应最优排气温度要高于不带回热器循环最优排气温度．结论•(1)在蒸发温度变化范围内，带回热器循环平均性能要比不带回热器循环提高约4．55％；在气体冷却器出口温度变化范围内，带回热器循环平均性能要比不带回热器循环提高约5．23％；相同对比条件下，带回热器CO跨临界单级循环系统COP高于不2带回热器循环的，且带回热器单级循环最优排气温度稍高些．•(2)两种单级循环的制热量、制冷量、制热COP和制冷COP，均随压缩机排气压力增加存在极值；随冷却水流量、冷冻水流量以及冷冻水进口温度增加而增加，随冷却水进口温度增加而下降．•(3)相同测试工况下，带回热器循环系统具有较高的性能．其中，制热量和制冷量分别比不带回热器的单级循环平均高约3．33％和5．35％，制热COP和制冷COP分别提高约11．36％和14．29％．CO2跨临界循环的应用前景与研究进展•1、汽车空调•2、热泵•3、食品冷藏•4、循环系统关键设备的研究进展•1、汽车空调•过去汽车空调中一般使用CFC12作为制冷工质，这使得汽车空调制冷剂的排放量在所有氟利昂的排放中占有相当大的比例。

CO2跨临界（逆）循环的热力学分析时第19卷第6期工程热物理1998年11月JOURNALOFENGINEERINGTHERMOPHYSICS,r0l19.NO6NOV..1998CO2跨临界(逆)循环的热力学分析6I\马一太√吕灿仁(天津大学热能研究所天津300072)关键词co(R744),跨临界循环,热泵,回热器,膨胀机冉1)f乏未●.'...'.....…_..'一-1前言世界各国开展了寻求CFC和HCFC替代物的广泛研究.到目前这项研究已有了实质性的进展.主要提出了包括R134a在内的若干HFC及其混合物来替代R12,1%502和R22等,并且已开始商业化生产.但人们已发现这些新工质并没有达到"长期"替代物的要求,大部分HFC都有较高的温室效应和某些缺陷.随着世界范围制冷空调技术的应用和发展,对各种制冷工质的需求量逐年上升,每年达到数十万吨的消耗量,其中绝大部分将扩散到大气中去.这些物质的寿命或长或短,都会增加温室效应,或分解产生其它的副作用.人类大规模生产地球上本来不存在的气态物质,最终要破坏地球的生态平衡.作为制冷剂,在上世纪末至本世纪三十年代前CO2(R744),氨(R717),SO2(R764),氯甲烷(R40)等曾被广泛应用.由于上述除CO2之外的工质都有毒性或可燃性,无毒不燃的CO.在民用制冷和船用制冷等方面有其不可替代的优势.据文献记载,英国的HiglandChief商船在1890年安装了第一台CO2制冷机,从此CO2制冷机开始在海运轮船上普及.到1930年,80%船舶采用CO2制冷机,其余的20%则用氨制冷机,最后一艘配有CO2制冷机的轮船是在1950年退役的.CO2用于空调机较晚.它在1919年出现在剧院和商业空调,1927年用于办公楼, 1930年用于民用空调.当臭氧层破坏基本有了解决途径之后,温室效应引起人们较大的关注.CO是温室气体,但从分子角度看,各种HFC的温室效应是CO2的1000---2000倍,大量生产和应用HFC必将加速全球变暖的趋势.已故的前国际制冷学会主席G.Lorentzen曾发表多篇论文,大力提倡使用自然制冷工质,包括氨,碳氢化合物和CO2.他认为CO2是"无可取代的制冷剂",可望在制冷和热泵中发挥作用.挪威SINTEF研究所率先进行汽车空调用CO2作为制冷剂的实验研究,样机实验已得出较好的结果,德国也开展CO2工质汽车空调和热泵应用的研究.2C02热力学性质及优势采用CO2为逆循环工质是基于几方面的考虑.首先CO2是自然界存在的物质.它的臭氧层破坏势ODP值为零,其温室效应势GWP值也很低.实际上,CO2可来源于国家自然科学基金资助项目.车文曾于1997年u月在洛阳召开的中国工程熟物理学会工程热力学与能源利用学术会议上宣读修改稿于1998年1月13日收到.工程熟物理l9卷工业废气,对它加以利用并不增加其在大气中的浓度.另外,作为自然工质的CO2安全的物质,无毒不燃,容易获得,价格便宜,并与目前常用的材料相容,其热物性数据比较成熟.CO2有较低的临界温度和较高的工作压力,用于逆循环的放热过程可处于超临界区,具有较大的温度滑移,该放热过程可以和变温热源相匹配,因此是一种特殊的劳伦兹循环,亦可称三角循环.该循环更适合于以水为热源的热泵系统,以实现提供较高温度的热量输出并有较高的用能效率.这些独特的优势使CO2可作为CFCsHCFCs和HFCs的长期替代物,有非常光明的应用前景.3CO2跨临界循环(TranscriticalCycle)及其最大COP图1给出CO2逆循环系统原理图,它与普通制冷循环基本相似.所不同的是,压缩机的排气压力在临界压力之上,工质在超临界区经定压放热,如图2的1-2-3—4—1.此类循环有时也称为超临界循环(SupercrltlcalCycle).这是当前C02制冷循环研究中最为活跃的循环方式.在跨临界循环或超临界循环时,高压端换热器不叫冷凝器,而称气体冷却器(GasCoder).蒸发器图1简单CO2循环系统4,(a)T一5-图(b)P—h图图2不同压缩比下的CO2循环与外界冷却流体的温度有关.CO2在高压下冷却到终温,可有不同的压缩比,其COP值随压缩比P2/只有较大变化.图2为不同压比下的循环热力图,在一定的压缩比下其COP达最大值,见图3.在典型的空调工况下,=7.2.C,=32.C403o耋252.01510517l92I232527压缩比图3CO2跨临界循环的大G0P504540353o253035404550/℃图4最大G0P和的关系T3=40.c,并用理想压缩机,最大COP:3.61.计算表明,COP随的增加迅速下降,并随的增加而增加,见图4. 在本文中所有CO2的COP都是在给定条件下的最大值.4C02的回热循环对CO2来说,减少节流损失的有效途径之一就是采用回热循环.计算表明,当回热器中蒸气过热温度为25.C时,COP可提高6%,但压缩机的吸气量因过热度的提高而下降.见图5的相对值月与月d.6期马一太菩:c02跨临界(逆)循环的热力学分析6675C02双级压缩循环示于图6的双级压缩系统可有效地降低排气温度与单级压缩相似,在一定的压缩比尸4/下可达COP最大值.计算时中间压力=,/马××∈式中∈=1.0一l_2,根据不同工况进行调整,以保证=图7给出的结果指出,在相同的工况下,双级压缩比单级压缩的COP提高12～l4%.111OtJ.9《t1.807图5回热循环相对00P和吸气量与回热度DT1的关系图6双级压缩系统热力图6用膨胀机回收膨胀功图7单级和双级压缩系统的G0P理论上讲,在制冷循环中可以用膨胀机代替节流阀,以回收工质从高压到低压过程的膨胀功,原理图见图8.但这在传统的亚临界逆循环中几乎没有采用.原因是多方面的,如膨胀机工作在两相流条件下,膨胀功相对数量较小,工质的容积膨胀比很大(一般20—40),这样的膨胀机实现起来有许多技术上的困难.CO2跨临界循环的膨胀机同样也面临着许多难题,但比常规工质更具有可行性.如cO2的容积膨胀比是常规工质的十分之一,仅为2—4;其膨胀功所占的比例也较大,回收起来更有效益.如果设膨胀机的效率为0.65,压缩机的绝热效率为0.8,电机效率为0.9,采用四种循环模型:(1)简单循环,(2)单级压缩回热循环,嘭(3)双级压缩回热循环,(4)用膨胀气体冷却器机的单级压缩循环.在相同的条蔫发器件下,其循环实际cDP依次提高,图8有膨胀机的单级如图9所示-其中第(4)种模型是压缩系统一个很有研究和应用前景的方向图9四种模型的G0P值随的变化关系7热回收一C02循环的优势几乎所有空调系统都把冷凝熟释放到环境中,这是极大的浪费.但在传统空调系统的冷凝温度太低不便于回收.如果适当提高冷凝温度,空调系统可同时用于空气调节和热回收,COP会随之下降考虑一热泵系统,其热回收温度为一较高水平,如65.c.对霉工程热物理l9卷于R22循环,设=70.C,和与上述相同,计算得COPfL22=3.226.对于CO2循环COPco=3.725,其比值为1.12.可见在此系统中CO2可发挥重要作用.多年来人们在研究热泵循环时一直在寻求一种理想的工质,希望在蒸发过程中有较小的相变温差,以和自然界的低温热源相匹配;在冷凝过程中有较大的相变温差,以适应热泵采暖,热泵干燥等梯级放热的要求.CO2的跨临界循环正好能达到这一要求.8结论本文从热力学循环分析角度揭示了CO2跨(超)临界循环的特性,分析可得出:(1)COz具有优良的热力特性和环境特性,其跨临界循环有独特的热力学特性.(2)采用双级压缩回热循环,CO2循环的COP值可以和R22,R134a等常规循环相接近.(3)因Co2在跨临界循环中有很小的容积膨胀比和较大的膨胀功,其单级压缩亦可得到较高的COP,研究实现用膨胀机代替节流阀有非常重要的意义.(4)分析表明CO2跨临界循环可在热泵余热回收系统中发挥大的作用,达到冷热联供.致谢作者感谢美国伊利诺大学空调制冷研究中心主任ClarkW.Bullard对论文研究工作提供的方便和建议.参考文献1w_lJi&nHMotz.PrinciplesofRefrigeration,Nickerson&CollinsCo.Chicago. 1932GuatavLocentzcn,JosteinPettersen.ANewEl丑cientandEnvironmentallyBenignSystemforCarAi卜ConditioningInt.JRefrig.16r1:2l4【司Jc~teinPettersenAnEfficientNewAutomobileAi卜ConditioningSystemDasedonCO2VaporCompressionASHARE.Tra珊.1994.057MSonnekalb.JKohle~.AI卜ConditioningUnitUsingCOaa日RefrigerantInstalledinaBus.Intern~tionaIConferen∞oROzoneProtectionTechnologies.0ct21-23.1996Washington[5]JWertenbacb,JMaue.COaRefrigerationSysteminAutomobileAi卜Conditi.ning.InternationaI ConfexenceonOzoneProtectionTechnologies.Oct2I_231996Wemhington THERMoDYNAMICANALYSIS0FC0,TRANSCRITICALCYCLEMAYitaiYANGZhaoL寸Canreu(Therma/EnergyResearv~ht如TianfinUniverslT/ard~300072)AbstractCo2isasafenatrualrefHgerantwhichhadbeenandwillbewidelyusedinaircondi—tioningandheatpumpsystemsThethernodynamicanalysisoftheC02transcritiealcycle ispresentedinthispaper.TheresultshowsthattheC02cyclesoffersheatrecoverybenefit asahepumpsystem.ItispossiblethattheCOPvalueofC02cycleCancompetewith thoseofR22orR134a-ftwostagecompressionsystemoranexpandersystemareused. KeywordsCO2(R744),transcrlticulcycle,heatpump1expander。

回热器对电动汽车跨临界CO2制冷系统影响传统车⽤空调使⽤的制冷剂是R134a,尽管能满⾜车辆制冷需求,但在低温环境下制热时,系统性能较差，且R134a的温室效应指数⽐较⾼,⾯临替代问题。

CO2作为⾃然制冷剂,环保⽆污染,适合替代汽车空调CFCs类制冷剂,虽然CO2的临界温度低,临界压⼒⾼,⼀般需要跨临界运⾏,但跨临界CO2系统制热性能优越,也可以满⾜车辆制冷需求,因此,兼顾制冷制热性能的跨临界CO2热泵型空调系统是新能源汽车空调的重要发展⽅向。

1、跨临界CO2制冷系统的理论分析和实验设计1.1 系统流程和理论分析跨临界CO2制冷系统的主要部件包括压缩机、⽓体冷却器、蒸发器、回热器、膨胀阀和储液器,实验原理如图1所⽰,压缩机出⼝的制冷剂在⽓体冷却器中放热后,进⼊回热器与低温制冷剂换热,在膨胀阀中节流后进⼊蒸发器吸收车内热量,储液器出⼝的制冷剂进⼊回热器与前述⾼温制冷剂换热后回到压缩机吸⽓。

为了表⽰回热器回热量的多少,定义回热度式中:t是使⽤回热器后系统的膨胀阀前温度;twithout是相同⼯况下不使⽤回热器时膨胀阀前温度。

35 ℃环境温度下不同回热量和排⽓压⼒的跨临界CO2汽车空调系统压焓图，如图2所⽰,在35 ℃的环境下,不使⽤回热器时,调节电⼦膨胀阀使排⽓压⼒为10 MPa左右,随后不改变压缩机转速和电⼦膨胀阀开度,调节流量调节阀,使回热度从0 ℃增加到5.4 ℃。

不使⽤回热器时制冷能效⽐式中:q为单位制冷量;w为单位功耗。

使⽤回热器后,由于阀前温度的降低,跨临界CO2系统的单位制冷量增加了Δq,单位压缩功从w变为w′,其制冷能效⽐进⼀步调节电⼦膨胀阀,使排⽓压⼒升⾼⾄10 MPa左右,即使在回热度更低的情况,系统的单位制冷量还是有所提⾼。

可见,由于单位制冷量的增加,⼀⽅⾯,使⽤合适⼤⼩的回热器可以有效增加系统制冷能效⽐;另⼀⽅⾯,在不改变电⼦膨胀阀开度和压缩机转速时,使⽤回热器后,压缩机的排⽓压⼒明显降低,吸⽓压⼒略微上升,同时,吸⽓温度和排⽓温度均明显升⾼。