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CO2系统跨临界循环与最优排气压力

制热量电动车续航焦虑已然成为用户决策是否购买电动车最重要的因素,而低温续航则尤其重要,在这样的大背景下,更为节能的热泵系统的应用得到了极大的关注。CO2作为工质的热泵,能够运行在比R134a或R1234yf系统更低的温度且制热能力更好,加之大众ID4 R744热泵系统版本的量产,CO2的研究进入了一个新的高潮。
与常见的CFC制冷剂循环不同,CO2系统基本上都采用80年代劳伦斯教授提出CO2跨临界循环运行(论文见这里)。本文讨论的就是跨临界循环的热泵系统下的最优排气压力问题。

什么叫超临界状态及跨临界循环

从物质的相态来看,我们常见的有固态、液体、气体这三个相态,扩展开来,其实还存在液晶、等离子体、超临界流体(superctritical fluid)等状态,具体的状态如下:

超临界流体定义

图源可见https://zhuanlan.zhihu.com/p/52713107。超临界状态下,物质成为一种既有既有液体特性也有气体特性的高温高压流体,既不是液体也不是气体,这时候换热效率非常高。

从压焓图上来看,超临界流体的区域大体如下:

超临界流体区域

CO2的临界温度只有31.1℃,冷凝温度如果低于这个临界温度,常规按照10℃的设计温差考虑,环境温度要到低于20℃,才会运行在亚临界,亚临界循环事实上使用场景比较少,因此也就无法建立起正常的循环,由此只有让CO2系统的冷凝温度高于临界温度来组织系统循环。最终行成的跨临界循环图如下:

跨临界循环

怎么理解跨临界循环的最优排气压力

在CO2跨临界循环中,我们热端换热过程没有制冷剂的冷凝,一直运行在超临界流体状态和气体状态,我们不再称这个换热器为冷凝器,而称之为气冷器(Gas Cooler)。以下,我们用气冷器来表述。

对于一个特定系统而言,我们假设一个气冷器足够大且阻力足够小的理想状态,那么气冷器出口制冷剂工质的温度可以无限趋近与气冷器周边环境的温度(不论这个环境是水还是空气)。假定我们是在车辆上使用,为了满足车辆特定使用工况,按照前述假设,无论我们气冷器入口温度、压力条件如何,气冷器出口的温度永远落到40℃等温线上。假定有不同的排气压力,于是我们可以做出如下图的几条气冷器中CO2的状态线:

CO2热泵系统最优排气压力定义

可以看到不同压力条件下,即使入口压力差均为1Mpa,焓差差异非常大。等温线在距离临界点附近区域相对平缓,在这附近压差对焓差影响更大(Δh1>Δh2);而远离临界点区域等温线更陡峭相应压差对焓差影响更小。

而理想情况下,压缩过程沿着等熵线运行,同样的压差,压缩机做功增量沿着等熵线进行,基本是线性的。可以看到图上,沿着等熵线运行,压缩机出口的制冷剂焓值增量基本有一定线性关系。

因此能效比COP就会受到排气温度的约束。在一个特定的排气压力和温度条件下,气冷器进出口焓差较大、蒸发器进出口焓差较大,且压缩机功耗合理,COP达到一个极大值。(如需理解COP怎么计算,请见前面电动压缩机容积效率与等熵效率文章

我们当然希望COP越大越好,这样用最少的能耗,提供更多的制热量、冷量。这也就是CO2系统存在最有排气压力的原因。

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