CO_(2)跨临界制冷系统新型分布式压缩循环研究

为了对CO_(2)跨临界蒸气压缩循环进行高效冷却并提升系统性能,提出分布式压缩循环系统(distributed compression cycle system,DCCS)。在DCCS中,气冷器出口的超临界CO_(2)不再被进一步过冷而是进行二次增压,并在常规热汇条件下进行放热冷却。通过热力学计算DCCS在不同工况下的性能随二次增压比变化情况。结果表明:相对于基础系统,DCCS可有效提升系统性能,在气冷器出口温度不变时,最大制冷COP增幅在8.2%~10.76%之间,制冷量的增幅最高可达约26%。在蒸发温度不变时,最大制冷COP增幅在8.57%~13.51%之间。DCCS中理想的二次增压比要求并不高,且对于二次增压所增加的系统功耗相对于基础系统不会超过20%。相对于目前仅采取单一过冷技术的系统,DCCS在系统性能系数上仍具有优势。DCCS的提出为跨临界CO_(2)蒸气压缩循环系统的性能提升与完善提供了全新的方向。

带喷射器的低温跨临界CO_(2)两级压缩制冷系统性能

针对低蒸发温度下跨临界CO_(2)制冷系统实验研究较少的现状,设计搭建了带喷射器的跨临界CO_(2)两级压缩制冷实验台,在蒸发温度为-33~-29℃,气冷器出口温度为30~40℃,高压压力为8.20~9.70 MPa的实验工况下研究制冷系统的性能变化,并将实验结果与理论计算结果进行对比。研究结果表明:实验结果与理论热力学计算结果变化趋势一致,喷射器的应用可显著提升跨临界CO_(2)两级压缩制冷系统的性能,其对制冷系统COP的最大提升率可达29.37%;在实验工况下,带喷射器的跨临界CO_(2)两级压缩制冷系统的最优高压压力为8.80 MPa,对应的最优COP为1.63;带喷射器的跨临界CO_(2)两级压缩制冷系统的制冷量和COP随蒸发温度的升高而增大;气冷器出口温度对制冷系统的性能影响显著,随着气冷器出口温度从30℃升至40℃,制冷系统的COP降低61.4%。这些研究成果可为带喷射器的跨临界CO_(2)两级压缩制冷系统的研究提供参考。

回热对跨临界CO_(2)喷射制冷系统的影响

目的:研究回热对跨临界CO_(2)双级压缩/喷射制冷系统性能的影响。方法:采用仿真模拟软件建模,分析在不同气体冷却器出口温度(25~45℃)、高压侧排气压力(7.4~9.5 MPa)、蒸发温度(-40~-15℃)和中间压力(3~5 MPa)的情况下,回热对低压压缩机吸气温度、排气温度、比功率增量以及系统性能系数的影响。结果:在特定的回热度下,随着中间压力的增加,低压压缩机排气温度和比功率增量升高;但随着蒸发温度升高,低压压缩机排气温度和比功率增量逐渐降低。在标准工况下,回热系统的性能系数低于不带回热系统的,同时随着回热度的增加,回热系统的能效降低。结论:随着回热度的增加,低压压缩机吸气温度、排气温度和比功率增量显著升高。但回热改善跨临界CO_(2)双级压缩/喷射制冷系统性能效果不佳。

跨临界CO_(2)内部过冷增压制冷系统性能评价

为了改善商超用CO_(2)制冷系统的性能,提出跨临界CO_(2)内部过冷增压制冷(TCISS)系统,对比了该系统与3种不同CO_(2)增压制冷循环的性能,并通过已有试验数据对其仿真模拟结果进行了验证。为详细分析该系统的现实应用性能,进一步建立经济性和环保性模型,并与R134a/CO_(2)复叠制冷(RCOS)系统进行比较,以哈尔滨、北京、南京、广州城市为例,分析2种系统在不同气候区域的性能。结果表明:当高压压力大于10.5 MPa时,环境温度在5~30℃范围内,TCISS循环比其他3种CO_(2)增压制冷循环的COP都要高;TCISS的初始投资成本比RCOS高24.5%,但其年度运行成本更低;TCISS的全生命周期成本(XLCC)普遍低于RCOS,并且在哈尔滨的XLCC最小,在广州的XLCC最大。在4个不同的城市中,TCISS系统的SO_(2),NOx,PM2.5,PM10的4项污染物排放指标均低于RCOS,其总等效变暖效应降低了21.2%~23.9%。研究结果可为推动TCISS系统的发展和应用提供理论指导。

商超两级节流跨临界CO_(2)制冷系统性能分析

针对跨临界CO_(2)制冷系统在炎热地区性能不佳的问题,构建了带有内部热交换器、使用并行压缩和机械过冷的3种改进的CO_(2)制冷系统热力学模型,对包括基本两级节流CO_(2)制冷系统在内的4种系统构型的运行特性进行了优化和分析,并基于中国典型城市气象参数,对系统的季节和全年性能进行评估,并进行碳排放相关计算。结果表明,带有内部热交换器的系统在环境温度为7.0~14.0℃时性能提升最显著;当环境温度大于14.0℃时,机械过冷系统的性能提升效果最明显。在气候炎热地区使用时全年性能系数偏低,采用改进的CO_(2)制冷系统可显著改善炎热地区使用时的系统性能,其中机械过冷系统的改善效果最明显,全年性能系数最高提升18.7%,全年能耗降低19.3%,在厦门地区使用机械过冷系统可减少碳排放19.3%。

膨胀阀开度对跨临界CO_2制冷系统火用损失影响的实验研究

为提高跨临界CO2制冷系统的性能,研究电子膨胀阀开度变化对水-水跨临界CO2制冷系统各个组件相对火用损失的影响,搭建了带电子膨胀阀的水-水跨临界CO2制冷系统实验台,测试了跨临界CO2制冷系统在恒定进水温度、不同电子膨胀阀开度下的运行参数。基于实验数据,给出了不同电子膨胀阀开度下系统性能系数、系统火用效率和各个设备组件的相对火用损失,计算了膨胀阀在最佳开度、气体冷却器侧水进口温度为30℃、蒸发器侧水进口温度为15℃时,各个设备的火用效率。基于最佳膨胀阀开度时系统内各设备的相对火用损失和火用效率的计算结果,分析了各设备性能提高的潜力。计算结果显示:膨胀阀开度在最佳值时,压缩机和气体冷却器的相对火用损失分别为总火用损失的49.4%和18.9%,设备火用效率分别为60.7%和37.6%,压缩机和气体冷却器性能有较大的提升空间。

跨临界CO_2制冷系统气体冷却器实验研究

对跨临界CO2制冷系统气体冷却器进行了实验研究。研究表明:随着高压压力的变化,尽管气体冷却器进口的CO2温度与冷却水的换热温差变化范围较大,但气体冷却器出口CO2温度几乎不变;系统的高压压力为9 MPa时,气体冷却器中CO2的压降只有高压压力的1%左右,相对较小;随着气体冷却器出口CO2温度的升高,系统制冷量先呈线性减小,后逐渐趋于稳定,压缩机耗功呈线性增加;实验条件下,气体冷却器出口CO2温度由30℃增至37℃时,系统的COP减小了约25%。

跨临界CO_(2)循环系统控制优化策略的研究进展

控制策略作为跨临界CO_(2)循环系统的重要组成部分,是保证系统高效节能运行的关键。介绍了系统最优排气压力经验计算和泊金汉π定理的反馈控制、基于梯度追踪和极值寻优的实时在线控制以及基于神经网络的预测控制等,详细分析了系统控制策略的发展历程和未来发展趋势,并总结如下:离线控制建立简单、成本低,但易受到环境因素和系统部件变化的影响而导致控制性能降低;实时在线控制策略可以实时追踪系统最大能源效率对应的排气压力,但由于寻优过程费时较长,导致控制系统的收敛时间过长;模型预测控制系统可以实现实时优化和快速收敛,有着良好的发展前景。结合新能源汽车、建筑供暖、轨道交通、商超冷藏、军工等实际场景对跨临界CO_(2)循环系统控制策略的应用特点和未来发展趋势进行分析,进一步说明了提高控制策略的适用性是未来研究的重要方向,并分析将广义预测控制、强化学习等具有自适应属性的方法应用于跨临界CO_(2)循环系统控制策略的可行性,同时探讨了开发适用于大规模循环系统和储能系统控制策略在我国“双碳”背景下的重要意义。

冷库用CO_(2)跨临界制冷系统最优排气压力研究

设计并搭建CO_(2)跨临界循环制冷机组,研究机组的最优排气压力,并分析在不同的冷库温度下,环境温度对最优排气压力的影响。实验结果表明:在环境温度和冷库温度分别为20℃、-10℃,压缩机转速为4200 r/min时的最优排气压力为7.7 MPa;最优排气压力随环境温度上升而逐渐上升,环境温度对最优排气压力的影响程度相较于冷库温度的影响较大。拟合得到了系统最优排气压力与环境温度和冷库温度的函数关联式。关联式的最优排气压力预测值与实测值之间的最大偏差为6.9%,实验装置在该排气压力预测值下运行时的系统性能系数C_(OP)仅比该排气压力实测值下运行时的系统C_(OP)小4.6%,匹配良好。

风量对跨临界CO_(2)驻车空调系统性能的影响

为研究风量变化对跨临界CO_(2)驻车空调系统性能的影响,控制室内外风量在最优风量以降低总能耗,获得最高的能效比。通过搭建系统样机,在焓差室测试其性能并研究风量对系统性能的影响。结果表明:样机在名义制冷工况下,取系统理想制冷性能系数C_(OP)最大时对应的排气压力为最优排气压力(9 MPa)。在最优排气压力下探究风量的影响。室内风量固定时,随着室外风量的增加,排气温度先快速下降后趋于稳定。室外风量固定时,排气温度与室内风量的关系取决于室外风量的大小,当室外风量低于1500 m^(3)/h时,排气温度随着室内风量的增加而增加;当室外风量高于1500 m^(3)/h时,排气温度随着室内风量的增加呈现先减小后增大的趋势,且在室内风量为300 m^(3)/h时排气温度达到最小值。室内、外风量增加时,系统制冷量先增加后降低,总功耗先降低后升高,系统C_(OP)呈现先上升后下降的趋势。最优风量为室内风量300 m^(3)/h,室外风量1750 m^(3)/h,此时系统C_(OP)达到最大2.26,为跨临界CO_(2)驻车空调系统的设计与安全高效运行提供参考。

跨临界CO_(2)多联引射器制冷系统动态模型研究

多联引射器是提高跨临界CO_(2)制冷系统运行和调控性能的有效设备之一,本文提出了跨临界CO_(2)多联引射器制冷系统的动态模型:利用有限体积法建立气冷器与低温蒸发器模型;利用集总参数法建立满液式蒸发器模型;根据质量和能量守恒建立气液分离器与储液器模型;并基于真实CO_(2)物性,考虑内部跨音速流动、相变和壅塞等现象建立了两相引射器模型,单引射器模型预测结果与文献实验数据误差在10%内。分别以压缩机转速和多联引射器的调节作为扰动条件研究了系统的瞬态响应,结果表明所建立的动态模型与实验数据具有相同的响应规律,本研究为多喷射器制冷系统性能及调控规律的研究提供了高精度的模拟条件。

车用跨临界CO_(2)空调系统变工况㶲分析

为了确定影响车用跨临界CO_(2)空调系统性能的因素,构建了车用跨临界CO_(2)空调系统的仿真模型,并利用仿真数据对系统及各部件进行了热力学分析。研究了不同的压缩机转速、气体冷却器进风风速、气体冷却器进风温度、蒸发器进风量和蒸发器进风温度对系统㶲损、㶲效率和各部件相对㶲损的影响。结果表明:在所研究的工况范围内,压缩机转速、气体冷却器进风风速和温度对系统㶲损影响较大;系统最大的㶲损来自膨胀阀,在各工况下平均占系统总㶲损的36.54%,其次分别是气体冷却器、压缩机和蒸发器,分别占系统总㶲损的24.24%、20.47%和18.81%;系统的总㶲损随压缩机转速增加和气体冷却器进风温度升高而增大,随气体冷却器进风风速增加和蒸发器进风温度升高而减小,随蒸发器进风风速的增加先减后增;系统的㶲效率随压缩机转速增加和蒸发器进风温度升高而降低,随气体冷却器进风风速增加和风温的升高而升高,随蒸发器进风风速先增后减。

环保型CO_2跨临界制冷系统

自然工质CO2 是一种不对臭氧层产生破坏、具有很小的温室效应系数的制冷剂 .本文介绍了跨临界CO2 制冷系统的构成和控制特点 ,分析了影响其性能的主要因素 ,设计了CO2 制冷压缩机、换热器、节流机构的关键技术 .影响CO2 制冷压缩机性能的主要因素是泄漏 ,影响压缩机以及所有循环系统配件安全性的主要因素是其结构强度 .CO2 制冷系统换热器设计的趋势是采用高流量密度的小管径和微通道换热器 ,这有利于提高换热系数和承受高压 .节流阀把高压侧压力节流到蒸发压力 ,同时控制高压侧压力并使其随气体冷却器出口温度的变化而变化 ,CO2 制冷系统调节特性与传统制冷系统不同 .

跨临界CO_2制冷系统中绝热毛细管性能模拟研究

建立了CO2制冷系统中绝热毛细管一维稳态分布参数模型,以研究跨临界CO2系统中毛细管的性能和流动特性.分别采用3种不同摩擦系数关联式(Churchill、Colebrook、Bittle&Pate关联式)进行模拟和比较,研究了CO2在毛细管内的温度、压力、焓、熵及干度等的沿程分布规律.分析了管径、入口压力、入口温度和背压等4个参数对毛细管质量流量的影响,并考虑了壅塞现象.结果表明:采用Churchill和Colebrook关联式的效果较好,92%的计算值误差在10%以内,而Bittle&Pate关联式不适用于CO2绝热毛细管计算,因为它未考虑毛细管内壁的粗糙度;背压对质量流量影响很小,即使发生壅塞,壅塞质量流量和未壅塞时的质量流量差别也不大.

带引射器和经济器的CO_2跨临界制冷系统

为提高CO2跨临界制冷循环的效率,本文提出一种带引射器和经济器的CO2跨临界循环系统。通过合理设计专用的涡旋式或螺杆式CO2压缩机及中间补气孔,采用经济器可减少CO2跨临界循环的压缩不可逆损失;采用引射器代替节流阀,部分回收工质从高压到低压过程的膨胀功,可增加制冷量。通过热力学分析,确定带引射器和经济器的CO2跨临界循环系统合理的补气压力,可以得到较高的循环效率。在较低蒸发温度下,该系统可以明显降低压缩机的排气温度,有利于系统稳定运行。

跨临界CO_2制冷系统采用透平膨胀机的可行性分析

对CO2制冷系统中应用膨胀机的研究现状进行了回顾,在此基础上对跨临界CO2制冷循环中采用透平膨胀机的可行性进行了分析。研究表明透平膨胀机完全适用于家用及商用的跨临界CO2制冷/热泵系统,并通过计算实例给出了采用不同方案和效率的透平膨胀机替代节流阀对CO2制冷系统性能的提升效果。

跨临界CO_2制冷系统的Matlab仿真实验

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CO制冷系统性能的影响。

CO_2跨临界制冷系统单元件改进的性能研究

通过加入回热器和旁通阀,对带有双节流阀的CO2跨临界制冷系统进行了改进,通过对改进前后系统性能参数的理论分析和计算,得出结论:一定的工况下存在一个最佳高压侧压力(Ph,opt),它与气冷器出口温度(T3)、蒸发温度(Te)的关系为:Ph,opt=0.264 3 T3-0.008 9 Te-70.255 4;回热器的加入在低于Ph,opt的压力区内对系统性能有较大的提升,旁通阀的加入从理论计算来看对系统性能影响很小.

跨临界制冷循环的适用条件及在CO_2制冷系统中的应用研究

在热力学第一、第二定律的基础上研究了跨临界制冷循环若干适用条件 ,详细分析了跨临界制冷循环对环境温度、制冷压力和温度、回热温差的要求 ,得出了启动危机、最小制冷高低压差等概念。将这些成果用于CO2 制冷剂的分析 ,获得了相应的数据 ,可供研究 CO2 跨临界制冷系统应用。

微通道换热器在CO_2跨临界制冷系统中的应用

在制冷系统中,换热器是主要的组成部件。由于CO2 跨临界制冷系统较高的操作压力,以及近临界区CO2 特殊的热物性和传输性,系统的部件结构需要引起特别注意。微通道换热器不仅换热性能好,而且可以承受较高的操作压力,比较适合CO2 高压制冷系统,这样可使系统更加紧凑、安全且高效。至今,CO2 制冷系统所用的微通道换热器已有多种型式,针对CO2 的性质设计高效的微通道换热器对提高CO2制冷系统的性能非常重要。