吳孟霞，李帥旗，王漢治，宋文吉，馮自平

（1.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院，安徽 合肥 230026；2.中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所，廣東 廣州510640）

0 引言

隨著《蒙特利爾協(xié)定書》及其基加利修正案的相繼生效，對(duì)臭氧層有著嚴(yán)重破壞作用的氯氟烴（CFC）類制冷劑已經(jīng)被全面禁用，氫氯氟烴（HCFC）和高GWP（Global Warming Potential）的氫氟烴（HFC）類制冷劑也正面臨著削減和淘汰。在此情況下，環(huán)境友好的天然工質(zhì)CO2日益受到重視，并被認(rèn)為是氟利昂的長(zhǎng)期替代制冷劑[1]。CO2不僅具有顯著的環(huán)保優(yōu)勢(shì)和安全性能還擁有優(yōu)良的傳熱特性和熱力學(xué)性能，在低溫制冷領(lǐng)域和高溫制熱領(lǐng)域均有廣闊的應(yīng)用前景。尤其CO2跨臨界熱泵循環(huán)在放熱過(guò)程中具有較大的溫度滑移特性，使其高溫制熱上的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)更為顯著。

與傳統(tǒng)的氟利昂熱泵系統(tǒng)相比，CO2熱泵能制取高達(dá)90℃的熱水和120℃的熱風(fēng)[3]，[4]?？勺鳛殄仩t的部分替代，在干燥、滅菌[5]、生活熱水[6]、建筑供暖[7]中發(fā)揮重要作用。韓宗偉[8]對(duì)CO2熱泵熱水器系統(tǒng)模擬分析發(fā)現(xiàn)，在室外溫度為-13.8℃，出水溫度為90℃時(shí)，系統(tǒng)COP仍能達(dá)到1.73。祝銀海[9]實(shí)驗(yàn)研究了CO2高溫?zé)岜脽崴鞯南到y(tǒng)性能，研究表明，在壓縮機(jī)頻率為85 Hz，環(huán)境溫度25℃，蒸發(fā)溫度14℃時(shí)，系統(tǒng)在制取95℃熱水時(shí)COP最大可達(dá)3.9。Kaiser和Martin[10]調(diào)查了CO2高溫?zé)岜迷谀戏堑墓I(yè)應(yīng)用潛力，結(jié)果表明，CO2熱泵可滿足51%的部分工業(yè)用熱，且節(jié)能效果明顯，同時(shí)能減少30%的碳排放。因此將CO2高溫?zé)岜脩?yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的前景十分可觀。

在塑料、電池材料、鋁型材等工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，物料的烘干要求出風(fēng)溫度較高，甚至達(dá)到100℃以上，而常規(guī)CO2熱泵在高制熱溫度下運(yùn)行時(shí)，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)性能嚴(yán)重惡化[11]。采用補(bǔ)氣增焓技術(shù)是提升制熱性能的可行方案之一[12]～[14]。但常規(guī)CO2補(bǔ)氣增焓技術(shù)主要用于改善極端低溫環(huán)境下運(yùn)行時(shí)的系統(tǒng)性能，其采用亞臨界補(bǔ)氣，在循環(huán)加熱工況下對(duì)COP的提升幅度十分有限，此外由于亞臨界區(qū)的溫度限制，常規(guī)CO2補(bǔ)氣增焓系統(tǒng)難以適用于高氣體冷卻器出口溫度的工況。

本文提出超臨界補(bǔ)氣增焓技術(shù)，以改善高溫循環(huán)加熱狀態(tài)下的CO2熱泵系統(tǒng)性能，并搭建了CO2高溫?zé)岜孟到y(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，重點(diǎn)分析了主路膨脹閥開(kāi)度、壓縮機(jī)頻率、氣體冷卻器的風(fēng)機(jī)頻率對(duì)壓縮機(jī)排氣溫度、氣體冷卻器出口溫度、出風(fēng)溫度、單位制熱量、壓縮比功耗及COP等的影響，同時(shí)以得到最高出風(fēng)溫度為目標(biāo)，探究了CO2熱泵熱風(fēng)機(jī)系統(tǒng)在不同參數(shù)條件下的系統(tǒng)性能。為CO2高溫?zé)岜迷谘h(huán)加熱工況下的應(yīng)用及性能提升奠定了基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)原理與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的流程圖及循環(huán)的壓焓（P-h）圖如圖1所示。

圖1 高溫CO2熱泵系統(tǒng)原理圖Fig.1 Schematic diagram of high temperature CO2 heat pump

由圖1可知，該CO2熱泵系統(tǒng)采用跨臨界循環(huán)，由補(bǔ)氣增焓壓縮機(jī)、氣體冷卻器、過(guò)冷器、回?zé)崞?、蒸發(fā)器、節(jié)流閥及氣液分離器等組成。從壓縮機(jī)出來(lái)的CO2高溫高壓氣體首先進(jìn)入氣體冷卻器加熱空氣產(chǎn)生高溫?zé)犸L(fēng)（a～b），之后進(jìn)入過(guò)冷器中被冷卻（b～c），再進(jìn)入回?zé)崞髋c從蒸發(fā)器出來(lái)的氣體進(jìn)行換熱（c～d），離開(kāi)回?zé)崞鞯腃O2氣體分流成兩路：一路在補(bǔ)氣膨脹閥的節(jié)流作用下，降壓至壓縮機(jī)的中間壓力（d～j），之后進(jìn)入過(guò)冷器與氣體冷卻器出來(lái)的氣體進(jìn)行換熱，此時(shí)處于超臨界狀態(tài)的CO2氣體由補(bǔ)氣口進(jìn)入壓縮機(jī)（j～k）；另一路的CO2氣體則經(jīng)過(guò)主路膨脹閥節(jié)流至蒸發(fā)壓力（d～e），再進(jìn)入蒸發(fā)器蒸發(fā)吸熱（e～f），從蒸發(fā)器出來(lái)的氣體在回?zé)崞髦?，被加熱至過(guò)熱狀態(tài)后進(jìn)入氣液分離器（f～g），從氣液分離器出來(lái)的氣體由壓縮機(jī)主吸氣口進(jìn)入，完成第一級(jí)壓縮后（g～h）與從過(guò)冷器出來(lái)的氣體混合后（h～i）進(jìn)行第二級(jí)的壓縮（i～a），完成一個(gè)循環(huán)。

表1為CO2熱泵系統(tǒng)主要部件。系統(tǒng)的溫度和壓力測(cè)量分別采用精度為±1℃的銅-康銅T型熱電偶和精度為±2.5% F.S.的日本鷺宮HSK型壓力傳感器，輸出信號(hào)通過(guò)型號(hào)為keysight34972A的數(shù)據(jù)采集器自動(dòng)采集。

表1 CO2熱泵系統(tǒng)主要部件Table 1 Main equipment of CO2 heat pump system

1.2 系統(tǒng)性能計(jì)算

根據(jù)圖1各測(cè)點(diǎn)測(cè)得的數(shù)據(jù)，可由狀態(tài)點(diǎn)的溫度T和壓力值P計(jì)算焓值h，即：

相對(duì)補(bǔ)氣量βv定義為補(bǔ)氣工質(zhì)流量mi和工質(zhì)總流量mt之比，根據(jù)過(guò)冷器中高溫制冷劑放出的熱量等于低溫制冷劑吸收的熱量關(guān)系，相對(duì)補(bǔ)氣量也可用過(guò)冷器的進(jìn)出口焓差之比表示。

式中：hb為氣體冷卻器出口即進(jìn)入過(guò)冷器之前制冷劑焓值，kJ/kg；hc為過(guò)冷器出口即回?zé)崞鬟M(jìn)口制冷劑焓值，kJ/kg；hk為過(guò)冷器出口即壓縮機(jī)補(bǔ)氣進(jìn)口制冷劑焓值，kJ/kg；hj為補(bǔ)氣膨脹閥節(jié)流之后即過(guò)冷器進(jìn)口制冷劑焓值，kJ/kg。

單位制熱量q為

式中：UY為不確定度；Y為變量X的函數(shù)；UXi為各個(gè)獨(dú)立變量的不確定度。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 主路膨脹閥開(kāi)度對(duì)系統(tǒng)性能的影響

在固定壓縮機(jī)頻率180 Hz、氣體冷卻器風(fēng)機(jī)頻率30%（總轉(zhuǎn)速為2 800 r/min）、補(bǔ)氣膨脹閥開(kāi)度120步（總步數(shù)為240步）不變時(shí)，系統(tǒng)性能隨主路膨脹閥開(kāi)度（總步數(shù)為240步）的變化曲線如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)性能隨主路膨脹閥開(kāi)度的變化Fig.2 Variation of system performance with the main loop expansion valve

從圖2中可以看出，相對(duì)補(bǔ)氣量、壓縮比功和單位制熱量均呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。主路膨脹閥開(kāi)度的增大使得補(bǔ)氣回路的流量降低導(dǎo)致相對(duì)補(bǔ)氣量降低，隨著主路膨脹閥開(kāi)度增大，壓縮機(jī)的排氣溫度降低、蒸發(fā)溫度升高，對(duì)應(yīng)的比焓與之變化一致，因此壓縮機(jī)的壓縮比功降低。排氣溫度和氣體冷卻器出口溫度都呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。

圖3為溫度隨主路膨脹閥開(kāi)度的變化曲線。

圖3 溫度隨主路膨脹閥開(kāi)度的變化Fig.3 Variation of temperature with the main loop expansion valve

由圖3可知，二者溫度差逐漸降低，相應(yīng)的焓差也逐漸降低，因此單位制熱量降低。而COP則隨著主路膨脹閥開(kāi)度增大而增大，這是由于壓縮比功的下降幅度大于制熱量的下降幅度。當(dāng)主路膨脹閥開(kāi)度由70步調(diào)至150步，COP提高了17.9%，因此適當(dāng)增大主路膨脹閥的開(kāi)度，有利于提高系統(tǒng)COP。

此外，蒸發(fā)溫度有明顯增加的趨勢(shì)，因此主路膨脹閥開(kāi)度變化直接影響了蒸發(fā)溫度，進(jìn)而影響系統(tǒng)COP。出風(fēng)溫度隨主路膨脹閥開(kāi)度的增大而降低，其原因是排氣溫度降低使得氣冷器進(jìn)口換熱溫差降低，換熱量逐漸減少，無(wú)法充分加熱空氣，因此出風(fēng)溫度降低。

2.2 壓縮機(jī)頻率對(duì)系統(tǒng)性能的影響

圖4為主路膨脹閥開(kāi)度120步、風(fēng)機(jī)頻率30%和補(bǔ)氣膨脹閥開(kāi)度120步條件下，壓縮機(jī)頻率對(duì)壓縮機(jī)的排氣溫度、氣體冷卻器出口溫度及蒸發(fā)壓力和排氣壓力的影響規(guī)律。

圖4 壓縮機(jī)頻率對(duì)溫度和壓力的影響Fig.4 Effect of compressor frequency on temperature and pressure

由圖4可知，排氣溫度、氣體冷卻器出口溫度和排氣壓力均隨著壓縮機(jī)頻率的增加而升高，而蒸發(fā)壓力則呈下降趨勢(shì)。隨著壓縮機(jī)頻率的升高，入口吸氣量增加，蒸發(fā)壓力降低，排氣壓力升高，壓比增大，因此排氣溫度升高。同時(shí)由于CO2質(zhì)量流量增加，氣體冷卻器中制冷劑無(wú)法充分換熱，因此氣體冷卻器出口溫度升高。當(dāng)壓縮機(jī)頻率從120 Hz變化至180 Hz時(shí)，排氣溫度和氣體冷卻器出口溫度分別從69.64，35.73℃升高至96.60，49.48℃。

圖5為壓縮機(jī)頻率對(duì)系統(tǒng)性能的影響。由圖可知，單位制熱量、壓縮比功和相對(duì)補(bǔ)氣量均隨壓縮機(jī)頻率增加而增大，而COP呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。

圖5 壓縮機(jī)頻率對(duì)系統(tǒng)性能的影響Fig.5 Effect of compressor frequency on system performance

這是因?yàn)檎舭l(fā)溫度伴隨蒸發(fā)壓力的降低而降低，壓縮機(jī)吸氣溫度也相應(yīng)降低，而排氣溫度升高，對(duì)應(yīng)的比焓與之變化一致，因此壓縮機(jī)的壓縮比功升高。排氣溫度和氣體冷卻器出口溫度的差值隨壓縮機(jī)頻率增大而輕微增加，因此單位制熱量增加。此外，氣體冷卻器出口溫度升高和蒸發(fā)壓力的降低，導(dǎo)致單位功耗增加幅度較大，而單位制熱量增長(zhǎng)較為緩慢，從而導(dǎo)致系統(tǒng)COP降低。

2.3 氣體冷卻器風(fēng)機(jī)頻率對(duì)系統(tǒng)性能的影響

圖6為在主路膨脹閥開(kāi)度120步，壓縮機(jī)頻率180 Hz及補(bǔ)氣膨脹閥開(kāi)度120步條件下，出風(fēng)溫度和氣體冷卻器出口溫度隨氣體冷卻器風(fēng)機(jī)頻率的變化規(guī)律。

圖6 溫度隨氣體冷卻器風(fēng)機(jī)頻率的變化Fig.6 Variations of temperature with fan frequency of the gas cooler

由圖6可知，隨著氣體冷卻器風(fēng)機(jī)頻率的增大，排氣溫度、氣體冷卻器出口溫度和出風(fēng)溫度均降低。風(fēng)機(jī)頻率增大使得空氣的風(fēng)量增大，熱負(fù)荷增大，CO2在氣體冷卻器中被冷卻到更低的溫度，因此氣體冷卻器出口溫度降低。同時(shí)風(fēng)量的增大導(dǎo)致空氣無(wú)法充分被加熱，因此出風(fēng)溫度降低。當(dāng)風(fēng)機(jī)頻率由40%減小至20%時(shí)，出風(fēng)溫度和氣體冷卻器出口溫度分別升高了54.5%，90.9%。

圖7為氣體冷卻器風(fēng)機(jī)頻率對(duì)單位制熱量、壓縮比功及COP的影響情況。

圖7 風(fēng)機(jī)頻率對(duì)系統(tǒng)性能的影響Fig.7 Effect of fan frequency of the gas cooler on system performance

由圖7可知，壓縮比功無(wú)明顯變化，而單位制熱量和COP均隨著風(fēng)機(jī)頻率的增大而增大。這是由于排氣溫度和氣體冷卻器出口溫度的溫度差逐漸增大，相應(yīng)的焓差也隨之增大，因此單位制熱量增加，從而導(dǎo)致系統(tǒng)COP增大。氣體冷卻器出口溫度的降低是COP升高的主要原因之一。增大風(fēng)機(jī)頻率會(huì)使得系統(tǒng)COP提高，但出風(fēng)溫度由此降低，因此要根據(jù)實(shí)際需求，選擇合適的風(fēng)機(jī)頻率。

2.4 高出風(fēng)溫度工況下實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

以獲得較高出風(fēng)溫度為目的，選取多組不同實(shí)驗(yàn)條件：補(bǔ)氣膨脹閥開(kāi)度固定120步、主路膨脹閥開(kāi)度（85，90，95步）、壓縮機(jī)頻率（165，170，175 Hz）、氣體冷卻器風(fēng)機(jī)頻率（20%，25%，30%），分析高出風(fēng)溫度（86～135℃）下主路膨脹閥開(kāi)度、壓縮機(jī)頻率、氣體冷卻器的風(fēng)機(jī)頻率等對(duì)系統(tǒng)COP及制熱量的影響情況。表2給出了27組實(shí)驗(yàn)條件的主要測(cè)點(diǎn)溫度和壓力的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及COP和制熱量的計(jì)算值及其不確定度UCOP，UQ。

在主路膨脹閥開(kāi)度和壓縮機(jī)頻率一定時(shí)，比較在不同風(fēng)機(jī)頻率下（1，2，3組或4，5，6組或7，8，9組等）出風(fēng)溫度、COP和制熱量發(fā)現(xiàn)：風(fēng)機(jī)頻率越低出風(fēng)溫度越高，且當(dāng)風(fēng)機(jī)頻率每降低1%，出風(fēng)溫度最大提升了5.07%，而COP和制熱量則隨著風(fēng)機(jī)頻率增大而增大。由1，4，7組、2，5，8組和3，6，9等組可得，增加壓縮機(jī)運(yùn)行頻率有利于出風(fēng)溫度的提高，壓縮機(jī)頻率每提高1%，出風(fēng)溫度最大可提升2.10%，COP則略微下降，而制熱量則由于單位制熱量的增加而增大。由1，10，19組、2，11，20組和3，12，21等組得，在壓縮機(jī)頻率和風(fēng)機(jī)頻率處于實(shí)驗(yàn)范圍中較低數(shù)值（壓縮機(jī)頻率為165 Hz；風(fēng)機(jī)頻率為20%，25%）時(shí)，主路膨脹閥開(kāi)度（85～90步）對(duì)出風(fēng)溫度的影響較大，主路膨脹閥開(kāi)度每減小5步，出風(fēng)溫度有5℃左右的提升。而在表2中其他實(shí)驗(yàn)條件下，每5步地調(diào)節(jié)主路膨脹閥開(kāi)度，出風(fēng)溫度變化并不明顯，僅有1～3℃的變化。因此，為制取更高溫度的熱風(fēng)，可通過(guò)降低主路膨脹閥的開(kāi)度和氣體冷卻器風(fēng)機(jī)頻率和提高壓縮機(jī)頻率的方式實(shí)現(xiàn)，其中降低風(fēng)機(jī)頻率對(duì)出風(fēng)溫度的提升效果更加明顯，但均會(huì)造成COP降低。因此要根據(jù)實(shí)際需求平衡與能耗及系統(tǒng)性能的關(guān)系，選擇最佳的運(yùn)行工況。

表2 生物炭的孔隙結(jié)構(gòu)及元素分析Table 2 Pore structure and elemental analysis of biochar

此外，由4，7，16和25組可以看出，出風(fēng)溫度最高可達(dá)130℃以上，此時(shí)COP值較低，在1.40～1.50之間。這是由于在出風(fēng)溫度為130℃左右時(shí)，氣體冷卻器出口溫度高達(dá)70℃以上，較高的氣體冷卻器出口溫度及現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)壓縮機(jī)相對(duì)較低的壓比導(dǎo)致COP明顯降低。

3 結(jié)論

本文對(duì)超臨界補(bǔ)氣增焓高溫CO2熱泵熱風(fēng)機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。重點(diǎn)分析了主路膨脹閥開(kāi)度、壓縮機(jī)頻率、氣體冷卻器風(fēng)機(jī)頻率對(duì)出風(fēng)溫度、氣體冷卻器出口溫度、相對(duì)補(bǔ)氣量和COP的影響。得出的主要結(jié)論如下。

①增大主路膨脹閥開(kāi)度，出風(fēng)溫度呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，而COP呈升高趨勢(shì)。當(dāng)主路膨脹閥開(kāi)度由70步調(diào)至150步，COP提高了17.9%。

②為獲取更高溫度的熱風(fēng)，可通過(guò)降低主路膨脹閥開(kāi)度和風(fēng)機(jī)頻率或提高壓縮機(jī)頻率的方式實(shí)現(xiàn)。其中降低風(fēng)機(jī)頻率對(duì)于出風(fēng)溫度的提升效果最為明顯，當(dāng)風(fēng)機(jī)頻率每調(diào)低1%，出風(fēng)溫度最大提升了5.07%。但均會(huì)造成COP降低。因此要根據(jù)實(shí)際需求平衡與能耗及系統(tǒng)性能的關(guān)系，選擇最佳的運(yùn)行工況。

③在主路膨脹閥開(kāi)度、壓縮機(jī)頻率、氣體冷卻器風(fēng)機(jī)頻率分別為85步，170 Hz，20%；85步，175 Hz，20%；90步，175 Hz，20%；95步，175 Hz，20%的4組實(shí)驗(yàn)中，出風(fēng)溫度均可達(dá)130℃以上，對(duì)應(yīng)COP為1.40～1.50，氣冷器出口溫度均在75℃以上，可通過(guò)降低氣體冷卻器的出口溫度提升系統(tǒng)COP。