跨临界CO2制冷制热4大技术趋势

    

          虽然跨临界CO     ₂     技术前景可观，但仍存在性能短板，如汽车、客车、高铁额定工况下，该循环制冷能效仅约为Ｒ134a、Ｒ407C 系统的 80%，严重掣肘了该技术的广泛普及。     因此，本文我们将来介绍3 种循环结构改造方法以及较为先进的系统优化方法。

（本图仅供参考，不对应文中具体产品）

 

1 、带喷射器的跨临界CO ₂ 循环    

 

利用喷射器内压力能与动能的相互转化回收膨胀功，已成为制冷领域内一种较为普遍的性能提升方法。 而跨临界CO ₂ 循环高低压差大，可回收膨胀功上限高，非常适宜喷射器发挥效果。

喷射器内部结构、喷射式跨临界CO ₂ 循环及 p-h 图如下图 所示。

 

气体冷却器后的高压CO ₂ 进入主喷嘴进行膨胀加速，在喷嘴出口以较低压力( 状态点 4)引射蒸发器出口的低压CO ₂ 被引射流体经副喷嘴轻微加速膨胀后与主流体充分混合，以一定速度进入扩压段后，动能几乎被完全转化为压力能，以中压两相状态进入气液分离器，其中气相部分进入压缩机，液相部分节流后进入蒸发器。 由于超临界CO2流体进入喷射器后所经历的流动及相变过程极其复杂，因此CO2喷射器的性能模拟方法一直是学术界探讨的热点话题 ，这些探讨经历了几个阶段。

 

阶段一：采取零维模拟和经验系数

这个阶段一般采取零维模拟的方法，回避喷射器内复杂流动过程的数学刻画，采用经验系数来假设喷射器的主要性能指标，如引射率、等熵效率等，然后从系统层面计算整个循环性能。在设计工况下，喷射式跨临界CO ₂ 循环的性能比基础循环提升了 16% 以上。

 

阶段二：利用质量、动量与能量守恒方程

这个阶段，尝试利用质量、动量与能量守恒方程来代替经验公式，此后喷射器的三维 CFD 模拟逐渐成为主流。该方法可以呈现出喷射器内部流场的所有细节，从根本原理层面展示喷射器具体结构尺寸与喷射器内热力学参数之间的对应关系，更加真实的反映出实际应用过程中喷射器的热力学性能。

 

阶段三：三维 CFD 模拟

近年的研究中，CO ₂ 喷射器的三维 CFD 模拟通常分为两种类型:

一种是带相变模型( VOP 相变模型、欧拉相变模型等) 仿真方法，即当流体进入两相区域后，由于温度与压力成为相互耦合的一对参数，因此，在基于温度的能量守恒方程中引入相变源项，来解析流体相变过程中的能量转移问题;

另一种是不带相变模型仿真方法，通过 UDS 将 Fluent 软件内嵌能量方程改写为基于焓值的形式，之后便可以通过单相方法求解CO ₂ 在喷射器内的流动及相变。由于CO ₂ 喷射器仿真模拟具有一定难度，因此该循环的实验研究也较为丰富。

G． Boccardi 等专门提出了可调阀针式、伸缩管式喷射器或多喷射器并联的方式，成功将喷射器推广至更多的跨临界CO ₂ 循环中。3 只不同的喷射器可以组成7 种流量搭配方式，而 4 只喷射器可以组成 15 种流量搭配方式，这从根本原理上解决了喷射器系统变工况跟随性能较差的问题。

 

2、 带涡流管的跨临界CO ₂ 循环    

 

K． I． Matveev 等提出采用涡流管能量分离效果回收制冷循环中的压力能，转变为附加制冷/制热量的技术方案，可使系统性能提升 10%以上。涡流管的内部结构及典型循环方式如下图所示。

 

高压CO ₂ 进入涡流管喷嘴后膨胀、加速形成高速涡流，沿轴向通道近壁侧区域流向热端出口，其中一部分直接从热端出口流出，另一部分在分离孔板作用下反向旋转，沿轴向通道中心区域流向冷端出口。

 

上述两股高速涡流方向相反，经过传热传质作用后，外环主流温度升高，内环逆流分量温度降低，实现热( 温度) 质( 流量) 分离。跨临界CO ₂ 循环引入涡流管后，冷端出口两相流体中的饱和液相( 状态点 4) 及饱和气相( 状态点 C) 一般被分别收集，然后混合进入蒸发器。混合状态( 3') 相比传统等焓节流结束状态的焓值更低，为系统带来附加制冷量。

 

同时，热端出口( 状态点 H) 的温度很高，可在附加换热器中提供附加制热量，显著提升整个循环的冷热综合利用效率。针对超临界CO ₂ 流体进入涡流管后的流动与分离，各国学者纷纷开展了深入研究， 证明了CO2的物理性质与涡流管分离效应十分契合。 然而，目前研究大多停留在理论仿真阶段，实验主要依靠高压罐中的压缩CO ₂ 为工质源进行开式实验，仍未将涡流管真正引入跨临界CO ₂ 循环中。

 

3、带膨胀机的跨临界CO ₂ 循环    

 

通过膨胀机回收膨胀功可以有效减少系统功耗，显著提升跨临界CO ₂ 系统 COP。 带膨胀机的跨临界CO2循环系统 T-s 图如下图所示。

1－2s－3－4s－1 为理想膨胀机循环，1－2－3－4－1为实际膨胀机循环，1－2－3－4h －1为实际节流循环。 使用膨胀机替代节流阀可以回收膨胀功同时增大制冷量，是提升跨临界CO ₂ 循环效率最有效的途径之一。

 

目前研究中的膨胀机大多根据现有压缩机形式开发，如自由活塞式膨胀机结构及热力学特性、旋叶式膨胀机理论及实验、双螺杆膨胀机、涡旋膨胀机结构及性能特点、滚动活塞膨胀机的结构及性能特点、摆动转子膨胀机等。 同时，各结构形式的CO ₂ 膨胀机均改进并舍弃了进排气阀的设计，增强了稳定性与可靠性。

除了材料机械强度等技术问题外，CO ₂ 膨胀机的应用还需要考虑使用成本高、适用工况范围窄、系统性能和制造成本不可兼得等问题，故进行商业推广仍存在困难，近十年间跨临界CO ₂ 膨胀机的相关研究几乎处于停滞状态。

未来的 CO 2膨胀机结构优化改进设计应使泄漏损失和摩擦损失尽可能小，同时扩大适用工况范围，降低制造成本，这样才能将CO2膨胀机从实验室推向市场。

 

4、跨临界CO ₂ 循环的控制与优化方法    

 

由上述论述可知，跨临界CO ₂ 循环及其各种改进形式中均至少存在一个可优化量，实时预测并保证系统维持在最优状态下，在一定程度上比形式改造获得较高能效更为重要。跨临界CO ₂ 循环中最重要的可优化量是最优排气压力，在某些特定工况下，是否运行在最优排气压力状态下可能为系统带来 20%以上的能效差距。

 

由于寻找关联式需耗费大量前期投入，有些学者开始转投实时优化控制策略。

如：I． PeArrocha 等提出采用多项式对应方法将制冷剂物性参数拟合进跨临界CO ₂ 系统的控制单元内，通过纯数学运算方法计算该系统实时最佳COP 对应的排气压力。实时计算系统 COP 的数学偏导，偏导为零的状态即对应最优排气压力。

如：Zhang Weijiang 等提出了无需基于模型或关联式的控制理论，使系统在运行过程中可以自行计算并找到最优值。

但目前这样的方法在实际应用中一般不现实或不经济。

 

在此技术上， 有学者将一种名为“极值搜索”的先进算法引入跨临界CO2循环，通过给被控制变量附加一个高频低幅的正弦扰动，捕捉待优化性能参数的随动效应，通过一系列解调和滤波算法，直接通过简单的数学计算找到待优化参数随被控制变量的偏导数，通过将此数值解积分为零，最终找到最优参数。 该算法无需大量计算，无需知晓制冷剂热物性或制冷系统内部工作原理，只需要监测待优化性能参数的随动效应即可，是一种值得广泛推广的优化控制算法。