基于循环模拟模型的二氧化碳循环效能分析

　　0 前言

　　由于CO₂的全球增温潜势几乎可以忽略不计，而且其臭氧消耗潜势(ODP)为零，相对安全，所以常被看作是氯氟烃制冷剂(CFC)和氟利昂制冷剂(HFC)的替代物。跨临界二氧化碳循环在生活用水加热系统中的应用在电力消耗和加热效率方面相对于传统系统而言表现出极大的优越性[1]。然而，由于跨临界二氧化碳制冷系统的膨胀损失较大且在气体制冷过程中有较强的不可逆性，所以跨临界二氧化碳制冷系统的性能低于传统的空调系统[2]。因此，为了研究一个有竞争力的商用产品，利用先进技术来改善制冷模式中的跨临界二氧化碳系统的性能就显得尤为重要。

　　已经有很多学者对跨临界二氧化碳制冷系统的应用进行了较为广泛的研究，Hwang[3]等人已经使用膨胀机，双级压缩循环和蒸发气体制冷器对二氧化碳循环的性能进行了模拟研究; Groll[4]等人也对通过改变第一级压缩机和第二级压缩机的压缩系数来对膨胀机和双级压缩机循环的性能进行理论上的研究; 丛丽[5]等人分别利用具有相同电力消耗的往复式、旋转式和螺旋式压缩机来对二氧化碳循环性能的优化进行了探索; 秦宏波[6]等人通过引进压缩机的排出压力控制，在理论和实验上对二氧化碳循环的性能优化进行了研究; 刘敬辉[7]、乔琳琳[8]等人利用简化的数学模型来对双级压缩循环和传统循环进行了对比研究。尽管已经有很多的学者对超临界二氧化碳循环的性能进行了研究探索，但是对于有望成为商用产品的二氧化碳热泵的研究仍然停留在初级阶段[9 -10]，特别是二氧化碳循环在制冷模式运行中的性能改善方法的研究尤为重要。本文的目的在于通过对诸如膨胀机，带有中间冷却器的双级压缩机循环系统以及带有膨胀箱的双级压缩机等先进技术的效率进行理论上的估算[11]，从而分析可能实现的二氧化碳热泵性能优化的相关方法。

　　1 跨临界循环模型

　　1.1 系统模型

　　二氧化碳热泵的组成包括: 压缩机、气体冷却器、蒸发器以及一个膨胀设备[12]。由于二氧化碳的临界温度较低，因此二氧化碳中的排热过程常发生在超临界的区域内。在假定的压缩机进气状态的基础上，用于压缩机、气体冷却器以及膨胀机的各个模型都可以运行。通过对比压缩机模型中测得的工质流量和从膨胀设备模型中获得的工质流量来检查所计算的第一次汇聚，然后，在蒸发器模型中计算蒸发器的性能，把压缩机进气口的估算过热量和初始计算设定值进行比较，从而实现第二次聚合[13]。

　　通过在热泵中应用膨胀机，带有中间冷却器的双级压缩机以及带有膨胀箱的双级压缩机来改变室外温度，从而实现对二氧化碳热泵的性能模拟。膨胀机效率在膨胀机循环中是各不相同的，而且带有中间冷却器和膨胀箱的双级压缩循环中的中间制冷压力和工质流量也分别有所改变。