2.4.3 改善制冷循环的高温性能在线视频

第三 改善热泵循环的高温性能

下面 我们来探讨一下

改善热泵循环高温性能的技术途径

对于热泵系统而言

我们往往需要 热泵系统能制取更高的热源介质

以满足生活热水 工艺热水的特定需求

如果 一味地通过提高冷凝温度的方式

来制取高温

必然会导致 制热能效比（COPh）严重降低

因此

我们下面介绍一种新的循环形式

跨临界蒸气压缩式制冷循环 或者是热泵循环

此前

我们学习的制冷与热泵循环

其制冷剂为高温或者是中温制冷剂

其冷凝压力和蒸发压力 都远低于临界压力（pc）

即 处于亚临界区

故 我们将这类循环称为“亚临界循环”

这种亚临界循环是制冷 空调领域

主要应用的循环形式

而对于一些低温制冷剂的制冷循环

在普冷范围内

利用冷却水或者是室外空气 作为冷却介质时

压缩机的排气压力

会超过制冷剂的临界压力pc

但是 蒸发压力却低于临界压力

这种循环在制冷剂的压焓图上

则跨越了制冷剂的临界点C

我们将这种循环 称为“跨临界循环”

或者叫做“超临界循环”

CO2（R744）就是一种这样的低温制冷剂

或高压制冷剂

在通常条件下的制冷或热泵循环

就是“跨临界循环”

这是一个CO2跨临界单级压缩制冷循环

的原理图和压焓图

它与前面介绍的亚临界循环基本相同

其不同点 有两个

第一 在T-s图中

由于高压制冷剂在临界温度线左侧为再冷液体

右侧呢 为过热蒸气

只在临界温度线上发生气相向液相的转变

由于很难说清楚

这个制冷剂所处的状态是液体 还是气体

故 我们将超过临界压力的液体和气体

统称为“超流体”

因此

我们将 把压缩机排气冷却成再冷液体的换热器

称为“气体冷却器”

而不叫做“冷凝器”

第二 我们从压焓图上可以看到

压缩机的排气压力 也就是制冷循环的高压

超过了CO2的临界压力

气体冷却器出口的超流体3

可能是 过热蒸气

也可能是 再冷液体

我们知道

当给定制冷循环的蒸发压力和吸气状态时

亚临界循环的制冷系数

取决于冷凝压力和再冷度

冷凝压力即高压 降低

再冷度增大 都有助于提高制冷循环的制冷系数

那么

跨临界循环又是怎样的呢

与亚临界循环相同的是

气体冷却器出口的温度t3降低

其理论制冷系数（εth）也会增大

但 与亚临界循环不同的是

在跨临界循环中

压缩机排气压力p2降低

其理论制冷系数εth不见得就高

而是呈现出这样的规律

随着高压p2的逐渐升高

εth先升高再降低

即 存在一个最优的压缩机排气压力p2

使得制冷系数（εth）最优

因此

我们在跨临界制冷或者是热泵系统中

应控制压缩机的排气压力

以保证系统的高效运行

从跨临界循环的T-s图中 可以看出

高压超流体在定压条件下冷却时

其温度是逐渐降低的

将之与自来水 进行逆流的换热

则可实现大温差加热热水

可以获得更高温度的热水

同时 进水温度较低的自来水

也使得CO2被冷却到更低的温度t3

因此

采用热泵循环 制取高温热水

是跨临界制冷循环的最佳应用方式

也正因为如此

我才将跨临界循环作为

“改善热泵循环高温性能”的技术措施

放在这里来讲解

当然

跨临界循环 也是一种重要的制冷循环

特别是 在大力倡导采用零ODP

低GWP制冷剂的今天

CO2等自然工质 将在制冷空调行业中得到高度重视

因此

我们今后应重视跨临界循环的工程应用

至于跨临界循环的热力计算问题

它与亚临界循环完全相同

我们在这里就不再重复讲解了

与亚临界制冷循环一样

我们也需讨论

改善跨临界制冷循环能效比的技术途径问题

再冷

是提高亚临界制冷循环能效比的重要措施

毋容置疑

降低气体冷却器出口温度t3

也是提高跨临界制冷循环能效比的重要途径

这在上面我们已经提到了这个问题

此前我们说过

回热循环是否能够改善能效比

取决于制冷剂的物性

而对于CO2而言

由于其绝热指数小

故其跨临界循环采用回热循环

是改善制冷系数的重要方式之一

这里给出了CO2跨临界回热循环的

原理图和压焓图

改善跨临界制冷循环能效比的另一个措施

是回收膨胀功

即 采用膨胀机代替常规的膨胀阀

这在亚临界循环部分我们已经提到过

制冷循环回收的膨胀功 主要为相变功

即 由气液两相流体的容积膨胀输出的轴功

在跨临界循环中

如果 采用膨胀阀节流时

其循环在T-s图中可表示为1→2→3→4→1

而采用膨胀机后

循环则变为1→2→3→6→5→1

CO2的物性决定了

跨临界循环可回收的单位质量膨胀功 较大

因此

CO2膨胀机是目前行业中研发的重要工作

由于 膨胀机入口的状态为超流体

其膨胀功包含两部分

一部分是液体功

超流体转变为饱和液体过程中输出的轴功

即 T-s图中的3点→6点

而另一部分膨胀功 是相变功

即是6点→5点

当气体冷却器出口的温度越低 如3→3a

其膨胀功中液体功的比例就越大

需要说明的是

由于液体膨胀产生了气化核心

出现“过热液体”的亚稳态现象

有可能在膨胀机中出现 爆炸式闪发

导致膨胀机效率下降

因此

我们在实际产品研发中

应采取措施

尽量避免过热液体出现的现象

使液体瞬时气化

则可 更高效率地回收膨胀功

同样

多级压缩

也是改善跨临界循环能效比的重要措施

我们可以从压焓图中 可以看出

低压级压缩机的排气

经过自然环境中的冷却介质冷却 成为过热的蒸气

再进入高压级压缩机压缩

我们注意到

CO2跨临界循环 并不像亚临界循环那样

采用节流成中压的（液体）制冷剂的蒸发

来冷却低压级（压缩机）排气

大家思考一下

这是为什么呢

这是由于 CO2属于低温制冷剂

低压级压缩机的排气温度

远高于室外空气 或者是冷却水等自然环境的温度

故 采用自然冷源

就能很好地 将低压级排气温度降低下来

而不需要牺牲制冷循环自身制取的冷量

因此

在CO2跨临界双级压缩循环中的中间冷却

仅需自然环境的冷却介质

就足以 将低压级排气冷却至较低的温度

我们将 单级压缩跨临界循环

与采用上述三种性能改善措施后的

跨临界循环的能效比 进行比较发现

回收膨胀功是最为有效的技术措施

从上述分析 可以看出

用于提高亚临界循环能效比的技术途径

也同样适用于跨临界循环

这些技术措施 可以单项应用

在技术经济性允许的情况下

还可以采用多项技术措施的组合应用

从而更大程度地提高 制冷或者是制热的能效比