CO₂跨临界热泵系统的优化与实验研究

　　1 前言

　　作为一种自然工质,CO₂制冷剂在工程应用方面具有许多显著的优点,近年来已经引起许多研究学者的兴趣。然而,由于CO₂的临界点温度(31.1°C)通常低于空调和热泵系统的放热温度,因此对于CO₂采用跨临界蒸气压缩代替传统的蒸汽压缩循环是可行的^[1]。

　　自然工质CO2制冷循环具有非常好的发展前景,如何提高系统的性能以及加快其向适用化迈进是解决的关键问题。Neksa等人的研究发现,如果根据CO₂制冷剂独特的性质,对各部件的设计进行改进,那么系统的效率将会得到提高^[2]。这说明CO₂制冷系统的性能提高还有很大潜力,因此针对其自身优势,对其制冷系统进行模拟优化研究非常有必要。Skaugen等人对CO₂制冷系统进行了计算机模拟,对不同类型的换热器、压缩机以及其它部件建立了模型^[3]。此模型既可以用于制冷计算,也可以用于制热计算,而且空气和水都可以用做热源和热汇。Wang和Hihara对CO2和R22热泵热水器的性能进行了研究,对每个部件和整个系统建立了模型^[4]。在系统大小相同的情况下,对两个装置的COP,制热量以及压缩机排气温度进行了分析。结果显示, CO₂热泵热水器的COP值低于R22装置;但是当系统中加入回热器后,CO₂的COP与R22相当,只不过CO₂压缩机的排气温度增加很快,并且最佳高压压力时所对应的制热量明显降低。Ortiz和Groll对CO₂空气-空气家用空调器建立了数学模型,并进行了模拟计算和实验验证^[5]。Robinson和Groll开发了用空气作为冷热源的CO2跨临界循环军用整体式空调系统仿真模型,主要用来替代R12制冷系统,并且在换热器体积相等、制冷量相同的条件下,与R12制冷系统进行了性能对比^[6]。美国Maryland大学的Hwang和Radermacher分别建立了CO₂跨临界循环系统和R12的亚临界循环系统计算机仿真模型^[7]。通过对比两个仿真模型的计算结果,得出了系统中各参数的变化对系统性能的影响。文献^[8]对CO₂汽车空调制冷系统建立了稳态集中参数模型,同时建立了微通道气体冷却器分布参数模型,并将这两种模型的计算结果进行了比较。

　　本文主要对带膨胀机的CO₂跨临界循环进行了优化计算,可为系统的设计及性能提高提供理论依据。根据优化计算结果建立了新的实验测试系统,并且进行了实验研究以及对优化结果进行验证。也验证了优化计算结果的正确性。

　　2 系统优化计算

　　系统或部件的最优化过程都是设计变量或参数的优选过程,最终使目标函数达到最优值。最优化问题的求解可以是求取目标函数的最小值,或求取目标函数的最大值。当目标函数与约束函数用数学式子表达后,优化问题就成为寻找目标函数的极值问题了,可简写为: