采用两段式引射器的跨临界CO2两相流制冷系统性能的数值模拟

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跨临界CO2制冷系统的Matlab仿真实验

跨临界CO2制冷系统的Matlab仿真实验
张云峰;焦玉琳;王新华
【期刊名称】《食品与机械》
【年(卷),期】2008(024)005
【摘要】运用Matlab中Simulink的功能,针对跨临界CO2制冷系统,采用集中参数法建立动态仿真模型,并求解计算.通过仿真跨临界CO2制冷循环的试验过程,分析相关重要运行参数对跨临界CO2制冷系统性能的影响.
【总页数】5页(P73-77)
【作者】张云峰;焦玉琳;王新华
【作者单位】长沙理工大学能源与动力工程学院,湖南,长沙,410076;商丘职业技术学院,河南,商丘,476000;商丘职业技术学院,河南,商丘,476000
【正文语种】中文
【中图分类】TS2
【相关文献】
1.膨胀阀开度对跨临界CO2制冷系统(火用)损失影响的实验研究 [J], 马娟丽;刘昌海;周骞;陈兴亚;侯予
2.两级蒸发对跨临界CO2引射制冷系统影响的实验研究 [J], 郑立星;邓建强;何阳
3.带回热器的跨临界CO2两相流引射制冷系统性能实验研究 [J], 孔海利;郭宪民;李添龙;李倩;王冬丽
4.CO2跨临界制冷系统在饮料现调机中的实验研究 [J], 葛住军; 王培文; 田立强
5.回热器对电动汽车跨临界CO2制冷系统影响的实验研究 [J], 方健珉;王静;孙西峰;殷翔;曹锋
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两级节流跨临界CO2引射制冷系统性能模拟及实验研究

两级节流跨临界CO2引射制冷系统性能模拟及实验研究CO2作为一种天然制冷剂,其ODP值为0、GWP值为1,非常符合我们对环境保护的要求。

传统跨临界二氧化碳制冷系统压力高,节流损失较大,因此提升系统COP意义重大。

本文采用针阀和引射器两种节流装置对系统进行两级节流,其中第一节流装置用来控制高压侧压力,第二节流装置控制蒸发温度并回收部分膨胀功。

本文主要对系统中的第二节流装置引射器进行了数值模拟和实验研究,研究了不同工况条件下的系统性能,分析了系统性能的影响因素;实验对比了第二节流装置采用引射器和使用传统节流装置对系统性能的影响。

本文使用ANSYS CFX对不同尺寸的引射器内部流动及性能进行了数值模拟,分别模拟了不同引射器进口压力条件下引射器内部速度场、温度场、压力场及引射比。

模拟结果表明:二氧化碳在引射器中速度整体上呈先增加后减小的趋势;压力、温度在第二喷嘴喉部处出现快速下降;对喷嘴距分别为0mm、9mm、15mm 的引射器内部的速度分布、压力分布、温度分布及引射比等参数的模拟。

结果表明,喷嘴距为9mm时引射器的引射比最大。

同时,对混合室长度分别为92mm、124mm的引射器模拟结果表明,混合室长度为124mm的引射器性能高于于混合室长度92mm的引射器性能。

实验数据表明,在固定蒸发压力和气冷器出口温度时,压缩机功耗随排气压力的增加呈增加趋势,制冷量及系统性能系数随排气压力的增加呈先增加后减小的趋势,在排气压力为9MPa时系统性能达到最值。

对于不同的工况条件,系统性能系数随喷嘴距的增加呈先增加后减小的趋势,在喷嘴距为9mm时系统性能系数取得最大值。

混合室长度分别为92mm、124mm的引射器实验数据表明,使用混合室长度为124mm引射器的系统性能系数大于混合室长度92mm引射器的系统性能系数。

这些结论与数值模拟结论是一致的,但引射器引射比模拟值要高于实验值。

引射器节流与传统节流的比较结果表明,在相同的实验工况条件下,使用引射器节流装置减少了的二氧化碳节流损失,提升了二氧化碳制冷系统性能。

跨临界CO2热泵热水系统标准化热水供应的仿真模型与实验研究

跨临界CO2热泵热水系统标准化热水供应的仿真模型与实验研究王哲龚毅吴学红侯锋李亚强郑州轻工业学院制冷与低温研究中心河南郑州450002摘要：使用CO2天然制冷剂作为空气源或水源热泵介质技术已经逐步商业化，跨临界CO2热泵热水系统的研究有助于节能减排，优化住宅热水供应。

本文的目标是在研究不同热水需求量变化对热泵热水系统性能影响的实验基础上，针对热泵和水箱系统的相关性能参数建立了跨临界CO2热泵和储水箱的数学模型。

实验结果表明：在±20%热水需求量变化范围内，热泵系统性能参数呈现平稳变化趋势；高压侧压力对热泵系统COP和热水流量，温度等参数均有影响。

关键词：跨临界CO2、热泵、COP、水箱、仿真模型、实验研究Experimental Study and Simulation Model of a CO2Transcritical Heat Pump Water Heating System under a Standardized Demand Wang Zhe GongYi Wu-Xuehong HouFeng Li-YaqiangZhengzhou University of Light Industry,Henan Zhengzhou450002Abstract:Water-to-water or air-to-water heat pumps using CO2as a natural refrigerant have been developed and commercialized.They are expected to contribute to energy saving in residential hot water supply.The goal of this paper is in experimental basis on the different hot water demand changes in the heat pump and hot water system performance ing of performance parameters to establish the mathematical model of a transcritical CO2heat pump and storage tank.The experimental results show that:in the range of±20%of hot water demand,heat pump system performance parameters show a steady trend;The high-pressure side pressure changes affect the COP of the heat pump system and the flow and temperature of the hot water system.Keyword:Transcritical CO2,Heat pump,COP,Water tanks,Simulation model,Experimental study 1.引言使用自然工质CO2的空气源和水源热泵热水器已经逐步走向商业化，而通过实际验证跨临界CO2热泵热水系统的应用有助于节能减排，优化住宅热水供应等[1]。

超临界CO2冷却换热特性数值模拟

计算中使用了结构化的四边形网格，对计算结并果进行了网格独立性验证。在壁面附近均设置边界层，由于近壁面处温度梯度较大，引起物性变化，从而
造成较大的密度梯度，而在划分网格时对壁面网格因
ｉｅｅｏｉｙＷｉｈｉｃｅｓｓｆＣＯ２ｉｌｔＲｅ，ｃｅｃｅｏｅｔｔａｆｒｉｐｏｅｇａｕｌｎｌｔｖｌｃｔ．ｔｔｅｎｒａｅｏｈｎｅｏｆｉｎｔｆｈａｒｎｓｅｍｒｖｓｒｄａｌｉｙ．Ｈｅｔａｔａｓｅｏｆｉｉｎｎｒａｅｓｗａｅｎｅｎｒａｅｎｔｅｇｓｌｋｅｉｎ，ｗｈｌｔｉｒｅｐｃｉｅｉｈｒｎｆｒｃｅｆｃｅｔｉｃｅｓｓａｔｒｉｌｔＲｅｉｃｅｓｓｉｈａ —ｉｅｒｇｏｉｅｉｓｉｒｓｅｔｖｎｔｅｌｑｉｌｅｉｎ．ｉｕｄ—ｉｒｇｏｋｅＫｅｙｗｏｒｄｓ：ｕｐｒｒｔａａｂｎｄｉｘｄｎｍｅｉａｔｄｃｏｉｇｃｎｉｉｎｓｅｃｉｃｌｃｒｏｏｉｅ；ｕｒｃｌｓｕｙ；ｏｌｎｏｄｔｏｉ
化碳的冷却实验研究，出Ｎ得ｕ数随着管径减小而减
水
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小的结论。Ｓｏｅｋ等、ｕｉＨａ等对圆管内超临界二

带回热器的跨临界CO2两相流引射制冷系统性能实验研究

ｐａｃｉｔｙｎｄａＣＯＰｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍｉｎｃｒｅａｓｅｂｙ０．８５％一８．６％ａｎｄ０．８８％一１１．７％ｒｅｓｐｅｃｔｉｖ由ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃｏｏ期
制冷技术
Ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ
Ｃｒｙｏ．＆ＳｕｐｅｒｃｏｎｄＶ０１．４１Ｎｏ．７
带回热器的跨临界ＣＯ２两相流引射制冷系统性能
实验研究
孔海利，郭宪民，李添龙，李倩，王冬丽
（天津商业大学天津市制冷技术重点实验室，天津３００１３４）摘要：对带和不带回热器（ＩＨＸ）的跨临界二氧化碳两相引射制冷系统进行了实验研究，主要分析了回热器、实验工况、引射器尺寸参数对系统性能的影响。结果表明：对于固定的气冷器出口温度、不同的气冷器压力工况，回
（ＴｉａｎｊｉｎＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＲｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＴｉａｎｊｉｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＣｏｍｍｅｒｃｅ，Ｔｉａｎｊｉｎ３００１３４，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＡｓｅｉｒｅｓｏｆｅｘｐｅｉｒｍｅｎｔａｌｓｔｕｄｉｅｓｏｎｔｈｅｔｒａｎｓｅｒｉｔｉｅｌａＣＯ２ｔｗｏ—ｐｈａｓｅｅｊｅｃｔｏｒｒｅｆｉｒｇｅｒａｔｉｏｎｃｙｃｌｅｗｉｔｈａｎｄｗｉｔｈｏｕｔｉｎ — ｔｅｒｎｌａｈｅａｔｅｘｃｈａｎｇｅｒ（ＩＨＸ）ｗｅｒｅｃａｒｒｉｅｄｏｕｔ．ＴｈｅｅｆｅｃｔｏｆＩＨＸ，ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓａｎｄｔｈｅｇｅｏｍｅｔｉｒｃｐａｒａｍｅｔｅｓｒｏｆｔｈｅｅ —

跨临界CO_2汽车空调系统的有效能分析

的联合项目 !204#。 "--- 年 1 月，挪威、瑞典、英国和 H76 联合日本、美国启动 “ I’A’F)’= HBB>’ %( ./+ <B J%&K:(; LA>:= :( .%?D 的三年计划项目，各个国家分别分配了不同的 E&’BB:%( ICB)’?B” 研究方向和目标 !M#。在我国，天津大学、上海交通大学、西安交通大学、南京理工大学以及长沙铁道学院等科研院所也对 ./+ 制冷系统进行了研究，并发表了多篇论文。挪威的 $%&’()*’( 教授在他的文章中以有效能流图的形式，给出了系统各个部分的有效能损失和所需要的功率的比值 !+#。
纳米技术与纳米材料。国防工业出版社 PBCCC EB 张志琨 P 崔作林。（编辑吴英捷）・
30 ,-2+/09:;-0+/42+/09 20< 2/1 =30</+/30/09$
清华大学出版社， >>???@?A.$ 北京， BCCD 年
，国家知识产权局知识产权出 ? 发明专利公报（ =0E.FDAEG2 ）版社 : 0’)CG BCC.)B
N%>;A<B OP 5%Q:(B%( 与 7FKR<&= 6P S&%AA 模拟分析了带膨胀机
与不带膨胀机的跨临界 ./+ 制冷系统的 ./T 随高压侧压力、蒸发温度的变化，以及 5++ 与 ./+ 的热力学第二定律效率随着蒸发温度的变化。 IPOP $:<% 等人通过建立模型，模拟了跨临界
A 朱明善， BE 世纪制冷空调行业绿色环保制冷剂的趋势与展

CO2热泵双级冷却套管式气体冷却器性能数值模拟

CO2热泵双级冷却套管式气体冷却器性能数值模拟马瑞芳;李雯;李世平;罗会龙【摘要】建立了跨临界CO2制冷系统中双级冷却套管式气体冷却器模型,对管内CO2侧和水侧的流动及换热进行了数值仿真.分析了各种参数下的双级冷却套管式气体冷却器的性能.比较了多种工况下的仿真结果与试验数据,验证了该模型的正确性.【期刊名称】《制冷与空调（四川）》【年(卷),期】2016(030)005【总页数】6页(P520-524,548)【关键词】CO2热泵;跨临界循环;双级冷却套管式冷凝器;仿真【作者】马瑞芳;李雯;李世平;罗会龙【作者单位】昆明理工大学建筑工程学院昆明 650500;云南省农村科技服务中心昆明 650021;云南省农村科技服务中心昆明 650021;昆明理工大学建筑工程学院昆明 650500【正文语种】中文【中图分类】TK172.4CO2热泵备受国内外学者关注，其工质CO2对环境友好，ODP值为0，GWP值为1。

此外，CO2热泵出水温度可达90℃，可较好地满足采暖、空调和生活热水的需求。

目前国内CO2跨临界循环系统中气体冷却器主要有微通道气体冷却器及套管式气体冷却器，微通道的应用研究只是出现在CO2汽车空调等空冷式气体冷却器中，套管式气体冷却器在CO2热泵热水器中比较常见[1]。

跨临界CO2热泵系统中高压热交换器（即气体冷却器）内的工质工作在临界压力之上（7.4～12MPa）。

跨临界CO2的热物性随温度和压力剧烈变化，使得管内的流动换热十分复杂，根据文献[2-6]比较发现Gnielinski公式的计算值与实验值有较好的符合度。

本文以能量平衡的方法建立气体冷却器模型，采用coolpack软件进行CO2的热物性计算，分析各因素对双级套管式气体冷却器换热性能的影响。

双级冷却套管式气体冷却器是一种高效紧凑式换热器，其结构与外观见图1。

如图1（a）所示，它由两部分组成，Ⅰ级和Ⅱ级。

CO2进入的一端为Ⅰ级，Ⅰ级和Ⅱ级分别有三根和四根套管并联，Ⅰ级和Ⅱ级则是串联。

CO2跨临界双级压缩制冷循环的热力学分析

CO2跨临界双级压缩制冷循环的热力学分析
谢英柏;孙刚磊;刘春涛;刘迎福
【期刊名称】《化工学报》
【年(卷),期】2008(59)12
【摘要】由于臭氧层破坏和温室效应的不利影响，用自然工质替代合成工质越来
越受到国内外制冷界的重视。

在几种常用的自然工质中，除水和空气以外，CO2
是与环境最为友善的制冷工质之一。

CO2使用安全，无毒；物理化学稳定性好；
单位容积制冷量大，有利于减少装置体积；在超临界条件下，它的流动传热性能好；此外，CO2容易获取，价格低廉，不需要回收，
【总页数】5页(P2985-2989)
【作者】谢英柏;孙刚磊;刘春涛;刘迎福
【作者单位】华北电力大学电站设备状态监测与控制教育部重点实验室,河北,保定,071003;华北电力大学电站设备状态监测与控制教育部重点实验室,河北,保
定,071003;华北电力大学电站设备状态监测与控制教育部重点实验室,河北,保
定,071003;华北电力大学电站设备状态监测与控制教育部重点实验室,河北,保
定,071003
【正文语种】中文
【中图分类】TB61
【相关文献】
1.CO2跨临界双级压缩制冷循环的热力学分析 [J], 刘圣春;李正
2.跨临界 CO2 双级压缩制冷循环的热力学分析与比较 [J], 张振迎;佟丽蕊;王洪利;马一太
3.CO2跨临界双级压缩带低压膨胀机制冷循环性能分析 [J], 谢英柏;孙刚磊;张雪东;宗露香
4.CO2跨临界压缩式制冷循环理论分析 [J], 王燕江;陶乐仁;刘银燕;王超
5.CO_2跨临界两级压缩制冷循环热力学分析 [J], 刘军朴;陈江平;陈芝久
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CO2跨临界双级压缩制冷系统的

基金项目:上海市科委科技创新行动计划(编号:１９D Z １２０７５０３);上海市科委公共服务平台建设项目(编号:２０D Z ２２９２２００)作者简介:徐好,女,上海海洋大学在读硕士研究生.通信作者:谢晶(１９６８ ),女,上海海洋大学教授,博士.E Ｇm a i l :jx i e ＠s h o u ．e d u ．c n 收稿日期:２０２２Ｇ０８Ｇ２９㊀㊀改回日期:２０２３Ｇ０５Ｇ２６D O I :１０．１３６５２/j ．s p jx ．１００３．５７８８．２０２２．８０７３８[文章编号]１００３Ｇ５７８８(２０２３)０７Ｇ００７７Ｇ０８C O ２跨临界双级压缩制冷系统的火用分析E x e r g y a n a l y s i s o f t r a n s c r i t i c a l t w o s t a g eC O ２r e f r i g e r a t i o n s ys t e m 徐㊀好１,２X U H a o１,２㊀高建业１,２G A OJ i a n Ｇy e １,２㊀王金锋１,２,３WA N GJ i n Ｇf e n g １,２,３㊀谢㊀晶１,２,３,４X I EJ i n g１,２,３,４(１．上海海洋大学食品学院,上海㊀２０１３０６;２．上海冷链装备性能与节能评价专业技术服务平台,上海㊀２０１３０６;３．上海水产品加工及贮藏工程技术中心,上海㊀２０１３０６;４．食品科学与工程国家级实验教学示范中心,上海㊀２０１３０６)(１．C o l l e g e o f F o o dS c i e n c e a n dT e c h n o l o g y ,S h a n g h a iO c e a nU n i v e r s i t y ,S h a n gh a i ２０１３０６,C h i n a ;２．S h a n g h a iP r o f e s s i o n a lT e c h n o l o g y S e r v i c eP l a t f o r mo nC o l dC h a i nE q u i p m e n tP e r fo r m a n c e a n d E n e r g y S a v i n g E v a l u a t i o n ,S h a n g h a i ２０１３０６,C h i n a ;３．S h a n g h a iE n g i n e e r i n g R e s e a r c hC e n t e r o fA q u a t i cP r o d u c tP r o c e s s i n g a n dP r e s e r v a t i o n ,S h a n g h a i ２０１３０６,C h i n a ;４．N a t i o n a lE x p e r i m e n t a l T e a c h i n g D e m o n s t r a t i o nC e n t e r f o rF o o dS c i e n c e a n dE n g i n e e r i n g ,S h a n gh a i ２０１３０６,C h i n a )摘要:目的:提升C O ２跨临界双级压缩制冷系统性能.方法:对该系统进行了常规火用分析与高级火用分析,围绕内源可避免火用损失㊁内源不可避免火用损失㊁外源可避免火用损和外源不可避免火用损失这４个方面进行各部件火用损失计算.结果:C O ２跨临界双级压缩制冷系统有很大提升效率的潜力.常规火用分析与高级火用分析所得优化部件的优先级不同.高㊁低压级压缩机和蒸发器的性能优化是提高系统能效的重点.结论:高㊁低压级压缩机和蒸发器的内源可避免火用损失分别占系统总内源可避免火用损失的２０．９％,１５．２％,３６．５％,且通过改进高㊁低压级压缩机和蒸发器可分别减少其５８．８％,４９．３％,９０．２％的火用损失,常规火用分析无法提供此类建议.关键词:二氧化碳;高级火用分析;压缩机;热力学;火用损失A b s t r a c t :O b je c t i v e :I no r d e r t o i m p r o v e t h e e n e r g y ef f i c i e n c y o f t h e t r a n s c r i t i c a l t w o s t ag e C O ２r e f r i g e r a t i o n s y s t e m ,th e c o n v e n ti o n a l e x e r g y a n a l y s i s a n da d v a n c e de x e r g y a n a l y s i so f t h e s y s t e m w e r e c o n d u c t e d ．M e t h o d s :A d v a n c e d e x e r g y a n a l y s i s pr o v i d e sm o r ev a l u a b l ei n f o r m a t i o no nt h ei n t e r a c t i o n b e t w e e n s y s t e mc o m p o n e n t s a n d t h e p o t e n t i a l f o r c o m p o n e n t i m p r o v e m e n t b y s p l i t t i n g t h ee x e r g y d e s t r u c t i o ni n t oe n d o g e n o u s /e x o ge n o u s a n du n a v o i d a b l e /a v o i d a b l e p a r t s ．R e s u l t s :T h er e s u l t si n d i c a t e d t h a tt h et r a n s c r i t i c a lt w os t a g e C O ２r ef r ig e r a t i o n s y s t e mh a d si g n i f i c a n t p o t e n t i a l f o re f f i c i e n c y i m p r o v e m e n t ．T h e p r i o r i t y o f t h e o p t i m i z e d c o m p o n e n t s f r o mc o n v e n t i o n a l a n d a d v a n c e d e x e r g ya n a l y s i sw a s d i f f e r e n t ．T h e a d v a n c e d e x e r g y a n a l ys i s s h o w e d t h a t p e r f o r m a n c e o p t i m i z a t i o no f t h eh i g h Ｇp r e s s u r e s t a g e c o m pr e s s o r ,l o w Ｇp r e s s u r e s t a g e c o m p r e s s o r a n de v a po r a t o rw e r e t h e f o c u so f i m p r o v i n g s y s t e me n e r g y e f f i c i e n c y ．C o n c l u s i o n :T h e e n d o g e n o u s a v o i d a b l e e x e r g y d e s t r u c t i o n o f t h e h i g h Ｇp r e s s u r e s t a ge c o m p r e s s o r ,l o w Ｇp r e s s u r e s t a g e c o m p r e s s o r a n d e v a p o r a t o r a c c o u n t e df o r２０．９％,１５．２％a n d３６．５％o ft h ee n d og e n o u s a v o i d a b l ee x e r g y d e s t r u c t i o n o fth es y s t e m ,r e s p e c ti v e l y．T h e i m p r o v e m e n t o f t h e h i g h Ｇp r e s s u r e s t a g e c o m p r e s s o r ,l o w Ｇp r e s s u r e s t a g e c o m p r e s s o r a n d e v a po r a t o r a r e a b l e t o r e d u c e t h e i r e x e r g y d e s t r u c t i o nb y ５８．８％,４９．３％a n d９０．２％,r e s p e c t i v e l y ．T h e c o n v e n t i o n a l e x e r g y a n a l y s i s c a n n o t p r o v i d e s u c h r e c o mm e n d a t i o n s ．K e yw o r d s :c a r b o n d i o x i d e ;a d v a n c e d e x e r g y a n a l y s i s ;c o m p r e s s o r ;t h e r m o d y n a m i c s ;e x e r g y de s t r u c t i o n 随着«‹蒙特利尔议定书›基加利修正案»的落实,制冷剂的替代成为了目前要解决的首要问题[１－２].C O ２作为自然界中广泛存在的物质,以其良好的热物性㊁高密度㊁低黏度㊁臭氧消耗潜能值(O D P )为０与全球变暖潜能值(GW P )为１等优点而被广泛关注,成为最有希望的制冷剂替代工质[３].C O ２跨临界制冷循环方式则因其低环境温度适应性㊁全工况范围高效性等优势成为制冷领域的热门研究课题之一[４].作为优化系统效率评估系统性能的工具,常规火用分７７F O O D &MA C H I N E R Y 第３９卷第７期总第２６１期|２０２３年７月|Copyright ©博看网. All Rights Reserved.析既考虑了能量的数量也考虑了能量的质量,赖艳华等[５]对R４０４A/C O２复叠式制冷系统进行了常规火用分析,得到高温级膨胀阀㊁压缩机㊁冷凝蒸发器和低温级压缩机的火用损约占总火用损的８０％,应尽量减小以上４个过程的能耗.S u n等[６]对C O２两级压缩制冷系统进行了常规火用分析,研究了不同工况下系统火用效率的变化情况.常规火用分析可以确定系统中火用损失最高的部件[７－９],但并未揭示系统部件间的热力学相互作用[１０].高级火用分析的概念最初由T s a t s a r o n i s提出.区别于常规火用分析,高级火用分析进一步评估火用损失的来源,将系统内的火用损失分为可避免/不可避免和内源/外源部分,揭示了系统部件间的相互关系和系统的改进潜力.运用高级火用分析能够得出较常规火用分析更为准确的结论[１１－１３].目前有多位学者利用高级火用分析方法进行了各种研究,如S a r k a r等[１４]对采用不同制冷剂的制冷系统进行高级火用分析,表明对于以C O２和R４０４a为制冷剂的制冷系统,压缩机是需改进的首选部件,而以N H３为制冷剂的制冷系统,蒸发器是需要改进的首选部件;M o h a mm a d i等[１５]对再压缩超临界C O２循环进行高级火用分析,表明系统可通过改进部件从而使总火用损失减少４９．５８％.目前尚未有将常规火用分析和高级火用分析同时应用到C O２跨临界双级压缩制冷系统的研究报告.研究拟建立C O２跨临界双级压缩制冷系统热力模型,并进行验证.针对C O２跨临界双级压缩制冷系统进行常规火用分析和高级火用分析,确定系统部件不可逆性的主要来源.以期为提高系统的运行效率和性能改进提供依据.１㊀C O２跨临界双级压缩制冷系统由于C O２跨临界系统在运行时高低压差较大且一般大于６M P a,故为防止压缩机实际压缩过程太过偏离等熵过程以及过高的排气温度,一般采用双级压缩机来提高压缩机的工作效率[１６].且与C O２单级压缩制冷循环相比,C O２双级压缩制冷循环可以降低排气温度㊁提高容积效率并避免制冷剂泄漏[１７],因此采用C O２跨临界双级压缩制冷系统进行研究.该C O２跨临界双级压缩制冷系统用于－１８ħ冻藏食品的储存.设计工况如表１所示,循环流程及设备组成如图１所示.㊀㊀制冷系统主要部件由低压级压缩机㊁高压级压缩机㊁电子膨胀阀㊁气体冷却器㊁蒸发器㊁中间冷却器组成,系统制冷循环在压焓图上的表示见图２.表１㊀系统运行的设计工况T a b l e１㊀D e s i g n c o n d i t i o nv a l u e s f o r s y s t e mo p e r a t i o n系统制冷量/k W 气体冷却器出口温度/ħ蒸发温度/ħ环境温度/ħ气体冷却器压力/k P a０．５７３７－２３３２９０００图１㊀C O２跨临界双级制冷循环流程示意图F i g u r e１㊀D i a g r a mo f t r a n s c r i t i c a l t w o s t a g eC O２r e f r i g e r a t i o n s y s t em１－２－３－４－５－６－７－１为完整的C O２制冷循环,其中５－８－９－３为制冷剂流经中间冷却器辅路的过程图２㊀C O２跨临界双级制冷循环pＧh示意图F i g u r e２㊀T h e pＧh d i a g r a mo f t r a n s c r i t i c a l t w o s t a g eC O２r e f r i g e r a t i o n s y s t e m２㊀热力学分析基于热力学第一定律和第二定律对系统进行热力学建模,在表１所示系统运行设计工况下进行火用分析.为了简化系统的热力学模型,作出以下假设:(１)系统各部件在稳定状态下运行,制冷剂为稳定流动状态.(２)部件进出口的动能和势能变化忽略不计.(３)连接各部件间的管内压降和热损失忽略不计,中间冷却器无热损失.(４)蒸发器出口为饱和状态,无过热现象.(５)压缩机压缩过程不可逆,考虑压缩机等熵效率.(６)制冷剂的参考状态条件为T０＝２９８K㊁P０＝１０１３２５P a.２．１㊀热力学模型对系统和各部件应用质量守恒和能量守恒原理及火用平衡方程来计算火用分析所需的热力学数据,具体的计算公式:８７食品装备与智能制造F O O DE Q U I P M E N T&I N T E L L I G E N T MA N U F A C T U R I N G总第２６１期|２０２３年７月|Copyright©博看网. All Rights Reserved.q ＝h １－h ７,(１)m l ＝Q０q.(２)m h 可由中间换热器的能量守恒公式[式(３)]获得:m l (h ５－h ６)＝(m h －m l )(h ９－h ８),(３)Q c ＝m h (h ４－h ５).(４)状态点３的制冷剂由状态点９与状态点２的制冷剂混合得到,状态点３的焓值通过式(５)求得:(m h －m l )h ９＋m l h ２＝m h h ３.(５)压缩机的等熵效率和功耗表示为[１８－１９]:ηs ,l ＝１－０．０４ˑp ２p １(),(６)W c o m p,l ＝m l (h ２s －h １)ηs ,l ＝m l (h ２－h １),(７)ηs ,h ＝１－０．０４ˑp ４p ３(),(８)W c o m p,h ＝m h (h ４s －h ３)ηs ,h ＝m h (h ４－h ３).(９)电子膨胀阀的能量平衡方程为:h i n ＝h o u t .(１０)制冷系统性能系数(C O P )的方程为:C O P ＝Q ０W c o m p ,l ＋W c o m p ,h ,(１１)式中:C O P制冷系统性能系数;q蒸发器单位制冷量,k J /k g ;Q ０系统制冷量,k W ;h １㊁h ２㊁h ３㊁h ４㊁h ５㊁h ６㊁h ７㊁h ８㊁h ９制冷剂在状态点１㊁２㊁３㊁４㊁５㊁６㊁７㊁８和９的比焓,k J /k g;m l 流经蒸发器制冷剂的质量流量,k g/s ;m h 流经气体冷却器制冷剂的质量流量,k g/s ;Q c 气体冷却器中制冷剂的传热量,k W ;p １㊁p ２㊁p ３㊁p ４制冷剂在状态点１㊁２㊁３和４的压力,k P a ;h ２s ㊁h ４s低压级压缩机㊁高压级压缩机理论出口比焓,k J /k g;ηs ,l ,ηs ,h 低压级压缩机㊁高压级压缩机等熵效率;W c o m p ,l ㊁W c o m p,h 低压级压缩机㊁高压级压缩机功耗,k W ;h i n ㊁h o u t电子膨胀阀入口㊁出口比焓,k J /k g .火用可分为两个组成部分:物理火用和化学火用[２０],物理火用可由式(１２)获得,系统在运行过程中并无化学变化,只考虑物理火用部分:e ＝e ph ＋e c h ,(１２)e p h ＝(h －T ０S )－(h ０－T ０S ０),(１３)即e ＝(h －T ０S )－(h ０－T ０S ０),(１４)式中:e p h ㊁e c h 制冷剂单位物理火用㊁单位化学火用,k J /k g ;h ０制冷剂参考点的比焓,k J /k g ;T ０制冷剂参考点的温度,K ;S ０制冷剂参考点的比熵,k J /(k gK ).火用平衡的表达式为:E D ＝ðEi n－ðE o u t ,(１５)式中:E i n ㊁E o u t 系统入口和出口处的火用,k W ;E D 系统的总火用损失,k W .式(１５)在稳态过程中的火用平衡可写为:E D ＝ði n m e －ðo u tm e ＋ðQ １－T ０T b()[]i n－ðQ １－T ０T b()[]o u t＋ðW i n －ðW o u t ,(１６)式中:e 制冷剂单位火用值,k J /k g ;Q 换热量,k W ;T b 热量通过的边界温度,K ;W 系统的功率,k W .２．２㊀火用分析根据火用平衡方程可得系统每个部件的火用损失表达式如下:低压级压缩机:E c o m p,l ＝m l T ０(S ２－S １),(１７)高压级压缩机:E c o m p,h ＝m h T ０(S ４－S ３),(１８)气体冷却器:E g c ＝m hT ０(S ５－S ４)＋T ０Q CT b ．g c ,(１９)蒸发器:E e v a p ＝ml T ０(S １－S ７)－T ０Q ０T b ．e v a p ,(２０)辅路电子膨胀阀:E T X V １＝(m h －m l )(e ５－e ８),(２１)主路电子膨胀阀:E T X V ２＝m l (e ６－e ７),(２２)中间冷却器:E I C ＝(m h －m l ) (e ８－e ９)＋m l (e ５－e ６),(２３)系统的火用效率表达式为:ηe ＝E o u tE i n＝１－E DW c o m p ,l ＋W c o m p,h ,(２４)式中:e ５㊁e ６㊁e ７㊁e ８㊁e ９制冷剂对应状态点的单位火用值,k J /k g;S １㊁S ２㊁S ３㊁S ４㊁S ５㊁S ７制冷剂对应状态点的比熵,k J /(k gK );T b ．e v a p蒸发器传热边界温度,K ;T b ．gc 气体冷却器传热边界温度,K ;ηe 火用效率.将每个部件的火用损失分为内源火用损失和外源火用损失[１０]:E D ,k ＝E E N D ,k ＋E E X D ,k ,(２５)式中:９７|V o l ．３９,N o ．７徐㊀好等:C O ２跨临界双级压缩制冷系统的火用分析Copyright ©博看网. All Rights Reserved.E D ,k部件k 的火用损失,k W .内源火用损失E E ND ,k 是指由部件本身的不可逆性而产生的火用损失,其只与部件本身有关,通过使所研究部件为真实情况运行,系统其余部件为理想情况运行计算得到该部件的内源火用损失,外源火用损失E E XD ,k 则是指由系统其他部件的不可逆性而导致该部件的火用损失,通过这种划分方法能够更加清晰地确定造成火用损失的原因[１３].将每个部件的火用损失分为可避免火用损失和不可避免火用损失[７]:E D ,k ＝E U N D ,k ＋E A VD ,k .(２６)不可避免火用损失E U ND ,k 指由于材料或制作工艺等技术限制而在近期不能通过技术手段消除的部分,通过使系统部件在不可避免损失情况下运行计算获得,可避免火用损失E A VD ,k 则指可以减少的火用损失.将内源火用损失与外源火用损失分为可避免火用损失和不可避免火用损失可得到[２１]:E D ,k ＝E E N ,A V D ,k ＋E E N ,U N D ,k ＋E E X ,A V D ,k ＋E E X ,U ND ,k,(２７)式中:E E N ,A VD ,k 部件k 的内源可避免火用损失,k W ;E E N ,U N D ,k 部件k 的内源不可避免火用损失,k W ;E E X ,A V D ,k部件k 的外源可避免火用损失,k W ;EE X ,U N D ,k部件k 的外源不可避免火用损失,k W .内源不可避免火用损失E E N ,U N D ,k可通过使所研究部件为不可避免条件下运行,系统其余部件为理想情况下运行计算获得,式(２５)~式(２７)的未知部分结合式(２８)~式(３１)求出.E E X D ,k＝E D ,k －E E ND ,k,(２８)EE N ,A VD ,k＝EE ND ,k－EE N ,U ND ,k,(２９)E E X ,U N D ,k ＝E U N D ,k －E E N ,U ND ,k,(３０)E E X ,A V D ,k ＝E E X D ,k －E E X ,U N D ,k.(３１)高级火用分析将火用损失分为内源可避免部分㊁内源不可避免部分㊁外源可避免部分㊁外源不可避免部分,通过这种区分方式可以确定系统每个部件的各类火用损失占比从而获得部件改进潜力和改进部件的优先级,这是常规火用分析不能得到的.为了更加清晰地阐明高级火用分析方法,引入真实循环:指系统所有部件均处于实际运行状态下工作;不可避免状态循环:指系统所有部件均处于不可避免状态下工作.表２为高级火用分析所做假设,区分部件以真实情况㊁理想情况㊁不可避免情况运行.２．３㊀模型验证在E E S 软件中建立火用分析仿真模型[１９,２３].为了验证文中热力学模型的可靠性,使用该仿真模型进行C O P 与总火用损失计算,并与文献[６]中的数值结果进行比较.如图３所示,当气体冷却器排气压力分别在７７００,７９００,８０００,８１００,８３００,８６００k P a 时,系统C O P 与总火用损失的相对误差均小于７％,表明数据的一致性较好,模型的可靠性得到了验证.３㊀结果与分析３．１㊀系统常规火用分析基于热力学第二定律提出火用的概念,能量在进行转化过程中,可有限转换的部分即称为火用.火用能够从能量质的角度对制冷系统进行性能评估.如图４所示,气体冷却器的火用损失占比最高,为３１．３％,具有较大的优化潜力.而低压级压缩机的火用损失占比最小,仅为５．１％.在C O ２跨临界制冷系统中,制冷剂在气体冷却器中处于超临界区,有较大的温度滑移,因此有较高的不可逆损失.其次火用损失最高的为主路电子膨胀阀和辅路电子膨胀阀,分别占比２１．５％,１５．４％.主路电子膨胀阀与辅路电子膨胀阀入口处均为超临界流体,其有较强的流动性且对温度变化更为敏感,故节流过程不可逆损失很大.主路电子膨胀阀的制冷剂流量较辅路电子膨胀阀制冷剂的更多,且主路电子膨胀阀的压降更大,不可逆损失也相应增加.剩余系统部件的火用损失占比分别为中间冷却器(占比１０．４％)㊁高压级压缩机(占比８．４％)和蒸发器(占比８％).表２㊀真实㊁理想㊁不可避免情况所做假设T a b l e ２㊀M a i nd a t a n e e d e d t o s o l v e t h e r e a l ,i d e a l a n du n a v o i d a b l e c o n d i t i o n s部件真实情况理想情况不可避免情况低压级压缩机ηs ,l ＝１－０．０４ˑp ２p １()ηs ,l ＝１ηs ,l ＝１－０．０１ˑp ２p １()[１８]高压级压缩机ηs ,h ＝１－０．０４ˑp ４p ３()ηs ,h ＝１ηs ,h ＝１－０．０１ˑp ４p ３()[１８]气体冷却器әT m i n ＝５әT m i n ＝０әT m i n ＝０．５[２２]辅路电子膨胀阀－ηs ,１＝１ηs ,１＝０．９６[１８]主路电子膨胀阀－ηs ,２＝１ηs ,２＝０．９６[１８]蒸发器әT m i n ＝５әT m i n ＝０әT m i n ＝０．５[２２]中间冷却器әT m i n ＝５әT m i n ＝０әT m i n ＝０．５[２２]０８食品装备与智能制造F O O DE Q U I P M E N T &I N T E L L I G E N T MA N U F A C T U R I N G 总第２６１期|２０２３年７月|Copyright ©博看网. All Rights Reserved.图３㊀与文献[６C O P 和总火用损失的比较F i g u r e ３㊀C o m p a r i s o no f p r e s e n t s t u d y a n dS u n s t u d yf o r t h eC O Pa n d t o t a l e x e rg y de s t r u c t i o n ㊀㊀根据各部件火用损失的占比,排名由高到低为:气体冷却器㊁主路电子膨胀阀㊁辅路电子膨胀阀㊁中间冷却器㊁高压级压缩机㊁蒸发器㊁低压级压缩机.由火用效率的表达式(２４)可知,减小系统部件火用损失可提高火用效率,火用损失占比越高则说明该部件的改进潜力越大.综上所述,根据常规火用分析,为了减少部件火用损失㊁提高系统火用效率,改进部件的优先级应为气体冷却器㊁主路电子膨胀阀和辅路电子膨胀阀.３．２㊀系统高级火用分析系统在表１设计工况下运行,进行高级火用分析,得到系统部件的各类火用损失,具体结果见表３~表５.３．３㊀系统各部件内源火用损失与外源火用损失由表５可知,系统中气体冷却器㊁主路电子膨胀阀㊁蒸发器㊁辅路电子膨胀阀㊁高压级压缩机㊁中间冷却器和低压级压缩机的内源火用损失逐次减少.内源火用损失只与部件本身有关,而部件的外源火用损失则是由系统其余部件的不可逆过程导致该部件的火用损失,表明在改进部件图４㊀系统部件火用损失的相对比重F i g u r e ４㊀T h e r e l a t i v e e x e r g y d e s t r u c t i o no f s ys t e m c o m po n e n t s 时应该将更多注意力放在内源火用损失较多的部件上,而其他部件的外源火用损失也会由于该部件的改进而得到减少[１８].㊀㊀系统各部件外源火用损失由大到小的排列顺序为:辅路电子膨胀阀㊁气体冷却器㊁中间冷却器㊁主路电子膨胀阀㊁高压级压缩机和低压级压缩机,在减少上述部件火用损失时不能只关注其本身性能的提升,也要关注部件与部件之间的影响,以减少该部件的外源火用损失.由表５可知,系统中的气体冷却器㊁主路电子膨胀阀㊁高压级压缩机㊁低压级压缩机和蒸发器,其内源火用损失均大于其外源火用损失,表明上述部件由其自身的不可逆性导致的火用损失占其总火用损失的大部分.而辅路电子膨胀阀和中间冷却器因其外源火用损失占比较大,分别为５９．８％,５５．２％,表明上述两部件除改进自身性能减少内源火用损失外,还可通过改进除本身外部件的性能以减少自身占比较大的外源火用损失从而使系统获得更大的性能提升.值得注意的是蒸发器所有的火用损失都为内源火用损失,全部由自身不可逆性产生,且蒸发器的性能影响着其余部件的外源可避免火用损失,说明改进蒸发器对于优化系统来说是极其必要的.表３㊀实际状态下C O ２跨临界双级制冷循环中不同状态点的热力学性质和质量流量T a b l e ３㊀T h e r m o d y n a m i c p r o p e r t i e s a n dm a s s f l o wr a t e o f t r a n s c r i t i c a l t w o s t a g eC O ２re f r i g e r a t i o n c y c l e a t d i f f e r e n t s t a t e p o i n t su n d e r r e a l c o n d i t i o n s状态点T /K P /k P ah /(k J k g －１)s /(k J k g －１ K －１)m /(k g s －１)e /(k J k g－１)E /k W１２５０．０１７８５－６９．７４－０．７７４９０．００２６２４１６１．５０．４２３７７２３０８．６４００８－３２．６０－０．７６４１０．００２６２４１９５．４０．５１２７３３２９３．６４００８－５３．１９－０．８３２５０．００４６６９１９５．２０．９１１３９４３６０．７９０００－１３．１０－０．８２２５０．００４６６９２３２．３１．０８４６１５３１０．０９０００－１９６．１０－１．３８５００．００４６６９２１７．０１．０１３１７６２８３．５９０００－２８７．００－１．６８９００．００２６２４２１６．７０．５６８６２７２５０．０１７８５－２８７．００－１．６４４００．００２６２４２０３．２０．５３３２０８２７８．５４００８－１９６．１０－１．３４３００．００２０４５２０４．５０．４１８２０９２７８．５４００８－７９．６０－０．９２５００．００２０４５１９６．３０．４０１４３０２９８．０１０１．３－１．０６７－０．００２６－－－１８|V o l ．３９,N o ．７徐㊀好等:C O ２跨临界双级压缩制冷系统的火用分析Copyright ©博看网. All Rights Reserved.表４㊀不可避免状态下C O２跨临界双级制冷循环中不同状态点的热力学性质和质量流量T a b l e４㊀T h e r m o d y n a m i c p r o p e r t i e s a n dm a s s f l o wr a t e o f t r a n s c r i t i c a l t w o s t a g eC O２r e f r i g e r a t i o n c y c l ea t d i f f e r e n t s t a t e p o i n t su n d e r u n a v o i d ab l ec o nd i t i o n s状态点T/K P/k P a h/(k J k g－１)s/(k J k g－１ K－１)m/(k g s－１)e/(k J k g－１)E/k W１２５４．５２０５３－７０．０１－０．７９７０．００２４７５１６７．８０．４１５３１２３０６．７４２９８－３８．９４－０．７９５０．００２４７５１９８．２０．４９０５５３２９７．２４２９８－５２．８３－０．８４１０．００３６５１１９８．１０．７２３２６４３５６．９９０００－１９．０４－０．８３９０．００３６５１２３１．３０．８４４４８５３０５．５９０００－２２１．１０－１．４６６０．００３６５１２１６．２０．７８９３５６２８１．８９０００－２９１．００－１．７０４０．００２４７５２１７．００．５３７０８７２５４．５２０５３－３００．３０－１．７０２０．００２４７５２０７．２０．５１２８２８２８１．３４２９８－２２９．１０－１．４６５０．００１１７６２０７．８０．２４４３７９２８１．３４２９８－８２．０２－０．９４２０．００１１７６１９９．００．２３４０２０２９８．０１０１－１．０７－０．００３－－－表５㊀C O２跨临界双级压缩制冷系统高级火用分析结果T a b l e５㊀R e s u l t s o f a d v a n c e de x e r g y a n a l y s i s f o r t h e t r a n s c r i t i c a l t w o s t a g eC O２r e f r i g e r a t i o n s y s t e m㊀W 部件E D,k E E N D,k E E X D,k E A V D,k E U N D,k E E N,A VD,k E E N,U ND,k E E X,A VD,k E E X,U ND,k 低压级压缩机８．４９６．５２１．９７６．９２１．５７４．９９１．５３１．９３０．０４高压级压缩机１３．９３８．９５４．９８１１．７７２．１６６．８６２．０９４．９１０．０７气体冷却器５１．８９４０．０７１１．８２１３．６０３８．２３２．９５３７．１２１０．７１１．１１辅路电子膨胀阀２５．５５１０．２７１５．２８１５．６７９．８２１．０５９．２２１４．６２０．６６主路电子膨胀阀３５．６１２８．７０６．９１１１．４１２４．２０４．９６２３．７４６．４５０．４６蒸发器１３．３２１３．３２０．００１２．０１１．３１１２．０１１．３１０．０００．００中间冷却器１７．２２７．７１９．５１８．９４８．２８０．０５７．６６８．８９０．６２合计１６６．０１１１５．５４５０．４７８０．３２８５．５７３２．８７８２．６７４７．５１２．９６３．４㊀系统各部件可避免火用损失系统总部件可避免火用损失为０．０８０３８３k W,这意味着系统有很大改进潜力,可通过改进系统部件减少系统总火用损失４８．４％.由表５可以看出:辅路电子膨胀阀㊁气体冷却器㊁蒸发器㊁高压级压缩机㊁主路电子膨胀阀㊁中间冷却器和低压级压缩机,上述部件可避免火用损失依次减少,值得注意的是其中低压级压缩机和高压级压缩机可通过改进自身和其余部件分别减少其８１．５％,８４．５％的火用损失,蒸发器可通过改进自身减少其９０．２％的火用损失.３．５㊀系统各部件内源可避免火用损失由表５可知,低压级压缩机㊁高压级压缩机和蒸发器的内源可避免火用损失大于其外源可避免火用损失,而系统其他部件的内源可避免火用损失均小于其外源可避免火用损失,表明优化高㊁低压级压缩机和蒸发器是减少其火用损失的主要方式,且由于气体冷却器㊁辅路电子膨胀阀㊁主路电子膨胀阀和中间冷却器的外源可避免火用损失均高于其内源可避免火用损失,故在改进高㊁低压级压缩机和蒸发器减少其内源火用损失的同时上述部件的外源火用损失也随之减少[１２],系统效率得到提升.由图５可知,内源可避免火用损失由大到小排列为:蒸发器㊁高压级压缩机㊁低压级压缩机㊁主路电子膨胀阀㊁气体冷却器㊁辅路电子膨胀阀㊁中间冷却器.观察表５可知,通过改进低压级压缩机和高压级压缩机可分别减少５８．８％,４９．３％的内源可避免火用损失,而气体冷却器㊁辅路电子膨胀阀㊁主路电子膨胀阀㊁中间冷却器则可通过改进其自身性能而分别减少其５．７％,４．１％,１３．９％,０．３％的内源可避免火用损失.高㊁低压级压缩机和蒸发器的内源可避免火用损失大于其内源不可避免火用损失,且高㊁低压级压缩机和蒸发器的内源可避免火用损失的数值相对其他部件较高,分别占系统内源可避免火用损失的２０．９％,１５．２％,３６．５％,表明改进该部件不仅能使自身火用损失减少㊁效率提高,也能对系统总火用损失的减少起到较大作用.对于外源可避免火用损失而言可通过改进除该部件外的部件来减少这部分火用损失,值得注意的是辅路电子膨胀阀和中间冷却器其外源可避免火用损失较其他部件的外源可避免火用损失占比更大,分别占其总火用损失的５７．２％,５１．６％,说２８食品装备与智能制造F O O DE Q U I P M E N T&I N T E L L I G E N T MA N U F A C T U R I N G总第２６１期|２０２３年７月|Copyright©博看网. All Rights Reserved.图５㊀系统部件内源可避免火用损失的相对比重F i g u r e ５㊀T h e p e r c e n t a g e o f e n d o g e n o u s a v o i d a b l e e x e r g yd e s t r u c t i o no f s y s t e mc o m po n e n t s 明对辅路电子膨胀阀和中间冷却器而言减少除本身之外部件的不可逆损失是减少这两个部件火用损失的重要措施,而不是一味改进自身来减少其火用损失.另外值得注意的是主路电子膨胀阀与辅路电子膨胀阀的火用损失分布并不相同,这可能是制冷剂状态与膨胀阀压降不同所导致,应对主路电子膨胀阀与辅路电子膨胀阀采取不同的改进措施,如分别采用喷射器㊁膨胀机或涡流管等装置代替膨胀阀从而减少节流损失.㊀㊀综上所述,常规火用分析的优化顺序:气体冷却器㊁主路电子膨胀阀㊁辅路电子膨胀阀㊁中间冷却器㊁高压级压缩机㊁蒸发器㊁低压级压缩机.高级火用分析在常规火用分析基础上进行划分,对火用损失的产生原因进行定位,提高了火用分析的准确性.区别于常规火用分析,应用高级火用分析得出了部件优化的优先级为蒸发器㊁高压级压缩机㊁低压级压缩机㊁主路电子膨胀阀㊁气体冷却器㊁辅路电子膨胀阀㊁中间冷却器.４㊀结论(１)常规火用分析可以确定系统部件火用损失的相对比重:气体冷却器的火用损失占比最高,为３１．３％,低压级压缩机的火用损失占比最小,为５．１％.根据常规火用分析,为了减少部件火用损失㊁提高系统火用效率,改进部件的优先级应为气体冷却器㊁主路电子膨胀阀和辅路电子膨胀阀.(２)高级火用分析将系统内的火用损失分为可避免/不可避免和内源/外源部分,得出的部件优化的优先级为蒸发器㊁高压级压缩机㊁低压级压缩机㊁主路电子膨胀阀㊁气体冷却器㊁辅路电子膨胀阀㊁中间冷却器.(３)蒸发器所有的火用损失都为内源火用损失,全部由本身不可逆性所产生,且蒸发器的性能影响着其余部件的外源可避免火用损失,改进蒸发器对于优化系统来说是极其必要的.(４)主路电子膨胀阀与辅路电子膨胀阀的火用损失分布并不相同,应对主路电子膨胀阀与辅路电子膨胀阀采取不同的改进措施,如分别采用喷射器㊁膨胀机或涡流管等装置代替膨胀阀从而减少节流损失,降低火用损失.(５)常规火用分析无法揭示系统部件间的热力学相互作用,而高级火用分析进一步评估火用损失的来源,揭示了系统部件间的相互关系,可以确定系统每个部件的各类火用损失占比从而获得部件改进潜力和改进部件的优先级,这是常规火用分析不能得到的.高级火用分析在常规火用分析基础上进行划分,对火用损失的产生原因进行定位,提高了火用分析的准确性.(６)C O ２跨临界双级压缩制冷系统有很大提升效率的潜力,高㊁低压级压缩机和蒸发器的性能优化是提高系统能效的重点.高㊁低压级压缩机和蒸发器的内源可避免火用损失分别占系统总内源可避免火用损失的２０．９％,１５．２％,３６．５％,且通过改进高㊁低压级压缩机和蒸发器可分别减少其５８．８％,４９．３％,９０．２％的火用损失,常规火用分析无法提供此类建议.参考文献[1]SONG X,LU D X,LEI Q,et al.Energy and exergy analyses of a transcritical CO 2air conditioning system for an electric bus [J ].Applied Thermal Engineering,2021,190:116819.[2]轩福臣,谢晶.跨临界CO 2制冷循环系统与应用研究进展[J].食品与机械,2019,35(8):226Ｇ231.XUAN F C,XIE J.Research progress of trans Ｇcritical CO 2refrigeration cycle system and application [J].Food &Machinery,2019,35(8):226Ｇ231.[3]GULLO P,ELMEGAARD B,CORTELLA G.Advanced exergy analysis of a R744booster refrigeration system with parallel compression[J].Energy,2016,107:562Ｇ571.[4]宋昱龙,王海丹,殷翔,等.跨临界CO 2蒸气压缩式制冷与热泵技术综述[J].制冷学报,2021,42(2):1Ｇ24.SONG Y L,WANG H D,YIN X,et al.Review of transcritical CO 2vapor compression technology in refrigeration and heat pump [J].Journal of Refrigeration,2021,42(2):1Ｇ24.[5]赖艳华,王庆为,吕明新,等.R404A/CO 2复叠式制冷系统的火用分析[J].山东大学学报(工学版),2011,41(6):115ＧI Y H,WANG Q W,LU M X,et al.Exergy analysis of the R404A /CO 2cascade refrigeration system[J].Journal of Shandong University (Engineering Science ),2011,41(6):115Ｇ121.[6]SUN Y Y ,WANG J F,XIE J.Performance optimizations of the transcritical CO 2two Ｇstage compression refrigeration system and influences of the auxiliary gas cooler [J].Energies,2021,14(17):5578.[7]KELLY S,TSATSARONIS G,MOROSUK T.Advanced exergeticanalysis:Approaches for splitting the exergy destruction into endogenous and exogenous parts[J].Energy,2008,34(3):384Ｇ391.３８|V o l ．３９,N o ．７徐㊀好等:C O ２跨临界双级压缩制冷系统的火用分析Copyright ©博看网. 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跨临界二氧化碳压缩机热力性能仿真与分析

跨临界二氧化碳压缩机热力性能仿真与分析
( １同济大学机械与能源工程学院制冷与低温工程研究所㊀上海㊀２０１８０４ ꎻ ２开利中国研发中心㊀上海㊀２０１２０６ )
胡健１ꎬ２㊀张春路１
摘㊀要㊀针对跨临界二氧化碳半封闭式往复式活塞压缩机建立了一个通用数学模型ꎬ既包括热力学模块ꎬ也包括机械模块ꎮ 热力学模块主要描述气缸内部的气体压缩过程ꎮ 机械模块包括运动学模型和曲轴连杆机构模型ꎬ考虑了轴承上的功耗损失ꎮ 采用一台压缩机样机对模型进行了不同运行工况下的实验验证ꎬ结果显示压缩机流量和耗功的最大误差分别不超过５％和８％ ꎮ 通过仿真分析了变结构和变工况条件下的压缩机性能ꎬ结果表明:在不同的运行工况下ꎬ存在最佳缸径行程比ꎻ容积效率和等熵效率都随着转速的增加而下降ꎻ吸排气阀门内径存在最佳值ꎻ对于容积效率的影响ꎬ吸气阀间隙比排气阀间隙更大ꎬ活塞与汽缸间隙比活塞环与汽缸间隙更大ꎮ 关键词㊀跨临界二氧化碳ꎻ往复式压缩机ꎻ模型ꎻ仿真ꎻ分析中图分类号:ＴＢ６５２ꎻＴＰ３９１. ９ꎻＴＢ６１＋２文献标识码: Ａ
(２)
根据能量方程ꎬ可得气缸内气体温度:
(３) (４)
间的传热速率 ꎬ Ｗ / ｓ ꎻ Ｚ为压缩因子 ꎬ ｄＶｃ / ｄｔ为气
式中 :ｄＱ / ｄｔ为气缸内制冷剂气体与气缸壁之
缸内部容积的变化率 ꎬｍ３ / ｓꎻ ｃｖ为气体的定容比热 ꎬ
１�� ２气阀模型
往复式活塞压缩机的运行过程既有传热流动过
建模仿真为主㊁实验验证为辅的设计方法成本较低ꎬ
１６
第３６卷第５期２０１５年１０月
跨临界二氧化碳压缩机热力性能仿真与分析

两相流引射循环系统实验研究及引射器性能数值模拟_李添龙

图４喷嘴喉部直径对引射比的影响
Ｆｉｇ．４Ｅｆｆｅｃｔｏｆｎｏｚｚｌｅｔｈｒｏａｔｄｉａｍｅｔｅｒｏｎｅｎｔｒａｉｎｍｅｎｔｒａｔｉｏ
图５混合室直径对引射比的影响
Ｆｉｇ．５Ｅｆｆｅｃｔｏｆｍｉｘｉｎｇｃｈａｍｂｅｒｄｉａｍｅｔｅｒｏｎｅｎｔｒａｉｎｍｅｎｔｒａｔｉｏ
２引射器内部流动模拟与分析
用ＡＮＳＹＳＣＦＸ软件对两相流引射器的内部流动进行了数值模拟。由于引射器沿轴线—被引射流进口平面结构对称，因此选取沿该平面剖开的半个引射器作为计算区域。离散网格尺度为０．５ｍｍ，对喷嘴喉部、出口部位及靠近壁面处的网格进行了局部加密，网格数量约为８７３万。经校核计算表明，所选网格尺度符合网格独立解的要求。对于引射流体进口，选择质量流量进口边界条件，通过改变温度来调节冷凝温度和冷凝压力；对于被引射流体进口，选择压力开放式边界条件，通过改变压力和温度的大小来控制蒸发温度和过热度；引射器出口选择压力出口边界条件，壁面设置为绝热无滑移壁面条件。湍流模型选用标准ｋ－ε 模型，各参数的离散采用二阶迎风和
在冷凝温度为５０ ℃、蒸发温度为３ ℃ 工况下，对引射器内部流动进行模拟。图２、３为喷嘴喉部直径为２．０ｍｍ、混合室直径及长度分别为１６及１４４ｍｍ的引射器内部工质的压力、速度、液相质量分数沿引射器中心轴线的分布图。

CO2跨临界双级压缩制冷循环的热力学分析

ＣＯ２跨临界双级压缩制冷循环的热力学分析
谢英柏，孙刚磊，刘春涛，刘迎福
（北电力大学电站设备状态监测与控制教育部重点实验室，河北保定０１０）华７０３
关键词：跨临界双级制冷循环；Ｃ。Ｏ；中间冷却；热力学分析；性能系数
士丘
ＨＣＣ类物质的长期替代物具有非常光明的前途。Ｆｓ
目前看来，Ｃ。在汽车空调、热泵热水器、热泵Ｏ
由于臭氧层破坏和温室效应的不利影响，用自然工质替代合成工质越来越受到国内外制冷界的重视。在几种常用的自然工质中，除水和空气以
ｔｍｐｒｔｒｆ３ ℃ ．ｈｎｔｅｉｔｒｏｌｒｏｅａｅｔａｏｔｔｅｇｏｅｒｃｍｅｎｏｈｖｐｒｔｇａｄｅｅａｕｅｏ５Ｗｅｈｎｅｃｏｅｐｒｔｄａｂｕｈｅｍｔｉａｆｔｅｅａｏａｉｎｎｃｎｅｓｎｒｓｕｅ，ｃｍｐｒｄｗｉｈｔｅｓｎｌｔｇｙｌ，ｔｅｃｅｆｉｎｆｐｒｏｍａｃ（ｏｄｎｉｇｐｅｓｒｓｏａｅｔｈｉｇｅｓａｅｃｃｅｈｏｆｉｅｔｏｅｆｒｎｅＣＯＰｏｈｃ）ｆｅｔ
中图分类号：Ｔ１Ｂ６文献标识码：Ａ文章编号：０３ — １５（０８１ —２８ —０４８１７２０）２９５５

跨临界CO_2双级压缩制冷循环的热力学分析与比较_张振迎

（ 3）
以上各式中 hi 表示 i 点的焓值，kJ / kg。
压缩机的等熵效率采用下面表达式［17 － 20］：
ηcom = 1． 003 － 0． 121p2 / p1
（ 4）
对于双级压缩制冷循环，一般存在一最佳中
间压力，使得循环性能系数达到最大，而且最佳中
间压力往往在高低压的几何平均值附近。本文为
图 6 循环 COP 随 PＲ值的变化
图 7 示出了不同蒸发温度和气体冷却器出口温度下，TCFI 循环和 TCEI 循环的最佳中间压力的变化情况。可以看出，随蒸发温度的升高，两循环的最佳中间压力都逐渐上升；随气体冷却器出口温度的升高，TCFI 循环的最佳中间压力逐渐下降，而 TCEI 循环的最佳中间压力逐渐升高。两循环的最佳中间压力进行对比可以看出，TCEI 循环的最佳中间压力要高于 TCFI，而且蒸发温度和气体冷却器出口温度越高，差别越大。
1 引言
制冷剂替代和系统节能已成为制冷空调领域的前沿课题。自然工质 CO2 以其环境友好性、安全性和良好的热物理性质，被认为是最具潜力的替代工质，得到了广泛关注［1，2］。但是与常规工质制冷循环相比，跨临界 CO2 制冷循环的节流损失较大，使其基本循环的能效比较低。采用双级压缩可以减小压缩机耗功和制冷剂泄露［3 ～ 6］，采用膨胀机取代节流阀可以减小节流损失［7 ～ 9］，这两项措施都能提高跨临界 CO2 制冷循环的性能。
ZHANG Zhen-ying1 ，TONG Li-rui1 ，WANG Hong-li2 ，MA Yi-tai3
（ 1． North China University of science and technology，Tangshan 063009，China； 2． Key Laboratory of Medium-Low Temperature Energy Efficient Utilization of Ministry of Education，Tianjin University，Tianjin 300072，China）

带喷射器的跨临界CO2水源热泵空调系统性能研究

带喷射器的跨临界CO2水源热泵空调系统性能研究带喷射器的跨临界CO2水源热泵空调系统性能研究随着全球气候变暖和能源消耗的增加，人们对节能环保技术的需求越来越迫切。

空调系统作为能耗较高的设备之一，其效能的提高和能源利用的优化是当前研究的重点之一。

本文将对一种新型的带喷射器的跨临界CO2水源热泵空调系统进行性能研究。

跨临界CO2水源热泵空调系统是一种结合了CO2和水源热泵技术的新型系统。

CO2作为制冷剂，具有零臭氧潜能和较低的全球变暖潜能，更加环保。

而水源热泵则利用了地下水或湖水等水源的恒定温度进行热交换，既节省了能源又减少了环境污染。

首先，对系统的热泵循环性能进行了研究。

通过数值模拟和试验验证，得到了不同工况下系统的制冷量、制热量和COP （制冷能力系数）等参数。

结果表明，在不同冷暖负荷和水源温度的变化下，该系统能够稳定地提供所需的制冷和供热能力，并且COP较传统空调系统有较大的提高。

其次，对带喷射器的系统性能进行了研究。

喷射器是一种利用高压液体使制冷剂蒸汽膨胀的装置，可以提高系统的制冷性能。

通过调整喷射器的参数，如供液量和喷射孔直径等，得到了不同喷射器工况下的系统性能曲线。

结果表明，喷射器的使用可以显著提高系统的制冷效果，减少能耗，并且对系统的运行稳定性没有明显影响。

最后，对整体系统的能源利用情况进行了综合分析。

考虑到系统在不同季节和工况下的运行需求，综合比较了该系统与传统空调系统的能源消耗情况。

结果显示，带喷射器的跨临界CO2水源热泵空调系统在绝大多数情况下具有更低的能耗，更高的能源利用效率，且更加环保。

综上所述，带喷射器的跨临界CO2水源热泵空调系统具有良好的工作性能和能源利用效果。

随着节能环保技术的不断发展，相信这种新型系统将会在未来得到广泛应用，并为人们提供更加舒适和环保的室内环境。

对于气候变暖和能源消耗问题，这将是一个重要的解决方案综合以上研究结果可以得出结论，带喷射器的跨临界CO2水源热泵空调系统具有稳定的制冷和供热能力，并且相比传统空调系统具有更高的能源利用效率和更低的能耗。

跨临界CO_2引射制冷循环临界背压分析

ｔｅｅｅｔｒａｋｐｅｓｒｎｕｌｅｃｙｏｅｓｓｅｐｒｏｍａｃｒｎｌｚｄｔｐｉｚｈｊｃｃｒｓｕｅｄｏｔｔｌｉｎｔｙｔｍｅｆｒｎｅｗｅｅａａｙｅｏｔｅｏｂａｅｖｏｔｈｏｍｉ
ｄｓｎｏｏｔｏｅｅｃｏｙｔｍｐｒｏｍａｃ．Ｔｅｒｓｌｈｗｔａｅｅｔａｍｅｔａｉｃｎｅｉｒｎｒｌｈｔｒｓｅｅｆｒｎｅｈｅｕｔｓｏｔｈｎｒｉｎｔａｇｃｔｊｅｓｓｈｔｎｒｏ
ｍａｔｉｃｎｔｎｅｅｊｃｏａｋｐｅｓｒｗｅａｒｉ１ａｕｔｉｅｅｔｉｈｓｅｉａｏｓａｔｎｎｗｈｎｔｔｒｃｒｓｕｅｓｌｒｔｎｃｉｃｌｅａｆｒｎｇ－ｉｈｅｅｂｉｏｈｔａｖｄｆｈｄ
王菲，邓建强
（安交通大学能源与动力工程学院，１０９西安）西７０４，
摘要：为了优化设计或控制引射系统的性能，建立了跨临界Ｃ。引射制冷循环中引射器性能的设０
定背压模型，义引射器临界背压为忽略引射器出１动能时的引射器迭代背压，定２分析了引射器背压
造成系统的热力学损失，背压选取不当会造成较大的引射器出１速度，随着背பைடு நூலகம் 降低，１速度２且出２增大，着系统高压侧压力升高，随出口速度先急剧降低，再缓慢变化．
关键词：二氧化碳；临界循环；跨引射器；临界背压中图分类号：Ｔ６文献标志码：ＡＢ１文章编号：２３９７２１）９０６ —５０５ —８Ｘ（０２０ —０６０

影响跨临界CO2系统性能的分析与评价

Performance Analysis and Evaluation of Transcritical CO2 System Wang Zhe，Gong Yi，Wu Xuehong，Lv Yanli
(Electrical and Mechanical Engineering, Refrigeration and Cryogenic Center, Zhengzhou University of light Industry, Henan Zhengzhou 450003, China)
COP 0 Pcond
(3)式对高压侧压力进行偏微分求导，整理可得：
(5)
C O P w0 qc w0 0 Pc o n d w0 Pc o n d
带入压缩机等熵系数整理可得：
(6)
(h h ) qc COP 2 s 1 is Pcond Pcond
(7)
3 关联式分析
W T T
热水
T
7
T
气液分离器 CO2 流量计
M
5
P
6
ΔP
恒温槽
P
1
3
气体冷却器
T
排水
T
T
中间换热器
T
2
P
T
软化水恒温槽排污
蒸发器
T
ΔP
T P
4
中间储液器
T T
涡轮流量计
M
低压节流阀压缩机
P
P
P
高压节流阀安全阀
ΔP
截止阀
手动节流阀
T
控制阀温度变送仪
水泵压差感应仪
W
真空泵
压力变送器
CO2 钢瓶功率变送器

《机械辅助过冷CO2跨临界制冷循环的热力性能分析》范文

《机械辅助过冷CO2跨临界制冷循环的热力性能分析》篇一摘要：本文对机械辅助过冷CO2跨临界制冷循环进行了热力性能分析。

通过建立数学模型，分析了循环过程中的关键参数和性能指标，探讨了过冷技术对制冷循环的影响。

研究结果表明，机械辅助过冷CO2跨临界制冷循环在热力性能方面具有显著优势，为制冷技术的发展提供了新的方向。

一、引言随着人们对节能减排和环境保护的日益关注，制冷技术的研究与发展愈发受到重视。

CO2作为一种环保型制冷工质，其跨临界制冷循环技术因其高效、环保的特点而备受关注。

本文重点研究机械辅助过冷CO2跨临界制冷循环的热力性能，以期为制冷技术的进步提供理论支持。

二、机械辅助过冷CO2跨临界制冷循环原理机械辅助过冷CO2跨临界制冷循环是指通过机械装置辅助CO2工质在跨临界状态下进行制冷的过程。

该过程中，CO2工质在高压下完成压缩、冷凝、膨胀和蒸发等过程，实现制冷效果。

机械辅助过冷技术的应用，进一步提高了制冷循环的效率。

三、数学模型建立与分析为了深入分析机械辅助过冷CO2跨临界制冷循环的热力性能，我们建立了数学模型。

该模型考虑了循环过程中的关键参数，如压力、温度、焓值等，以及机械辅助过冷技术对循环的影响。

通过模拟计算，我们得出以下结论：1. 机械辅助过冷技术能够显著提高CO2工质的冷却能力和热效率；2. 循环过程中的压力和温度变化对制冷效果具有重要影响；3. 适当调整循环参数，可以进一步提高制冷循环的效率。

四、过冷技术对制冷循环的影响过冷技术是指通过降低工质温度，使其在蒸发过程中吸收更多热量，从而提高制冷效果。

在机械辅助过冷CO2跨临界制冷循环中，过冷技术的应用进一步提高了工质的冷却能力和热效率。

具体表现在以下几个方面：1. 提高蒸发过程中的吸热量：过冷技术使得CO2工质在蒸发过程中吸收更多热量，从而提高了制冷效果；2. 优化循环过程：过冷技术有助于平衡循环过程中的压力和温度变化，使循环更加稳定；3. 提高能效比：通过过冷技术的应用，机械辅助过冷CO2跨临界制冷循环的能效比得到了显著提高。