[发明专利]一种CO2跨临界复叠热泵系统及其级间压缩机容量配比方法

摘要

本发明公开一种CO2跨临界复叠热泵系统及其级间压缩机容量配比方法，针对CO2/CO2复叠热泵系统在不同工作环境下，优化两级系统设计中压缩机排气量的配比方案，使该复叠热泵系统在能效比最高情况下运行。本发明针对复叠热泵系统高温级CO2为跨临界系统，低温级为CO2亚临界系统，采用高温级气体冷却器出口温度、中间换热器中换热温差及低温级蒸发温度作为工况温度变量。控制中间换热器内的高温级蒸发温度和高温级排气压力，给出了不同工况温度变量下复叠热泵系统最优级间压缩机容量配比方法。

主权项

一种CO2跨临界复叠热泵系统，其特征在于，包括高温级CO2跨临界循环装置和低温级CO2制冷循环装置；高温级CO2跨临界循环装置包括依次循环连接的高温级压缩机(11)、气体冷却器(12)、高温级节流装置(13)和中间换热器(14)；低温级CO2制冷循环装置包括依次循环连接的低温级压缩机(21)、气体预冷器(22)、中间换热器(14)、低温级节流装置(23)和低温循环蒸发器(24)；高温级CO2跨临界循环装置和低温级CO2制冷循环装置共用中间换热器(14)；高温级CO2跨临界循环装置在中间换热器(14)内蒸发，低温级CO2制冷循环装置在中间换热器(14)内冷凝；所述一种CO2跨临界复叠热泵系统工作在最优的级间容量比下，所述级间容量比nv为低温级压缩机入口处的体积流量与高温级压缩机入口的体积流量之比；所述最优的级间容量比nv,opt通过以下步骤获得：1)、求得某排气压力下的最优中间温度：进行高温循环计算时，初取气体预冷器高温级排气压力Pgc，中间温度为蒸发温度加上0.001℃，高温循环制冷剂流量为1kg·s‑1，计算得高温级压缩机入口处的体积流量Vh，通过物性查询获得中间换热器出口和入口处制冷剂的焓差，获得中间换热器换热量为焓差与质量流量的乘积；进行低温循环计算时，获得中间换热器换热量及低温制冷剂出入口的焓差，得到低温级CO2制冷循环装置的制冷剂质量流量，即中间换热器内换热量除以焓差，进而求得低温级压缩机入口处的体积流量Vl，即为质量流量除以低温级压缩机入口处制冷剂密度；级间容量比为低温级压缩机入口处和高温级压缩机入口处的体积流量比，制热量为高温循环制热量，系统消耗功率为高温级压缩机与低温级压缩机耗功之和，系统性能系数COP为制热量比系统消耗功率；间隔0.005℃，依次取得不同的中间温度，按上述方法计算各个中间温度下的性能系数COP；当相邻两次求得COP有下降趋势时，取上一步迭代计算结果为该高温级排气压力Pgc下的最优值，上一次迭代时的温度为最优中间温度；即求得该高温级排气压力Pgc条件下的最大系统性能系数COPp，max和最优中间温度；2)、求得该工况下，最优排气压力：在步骤1)初取高温级排气压力Pgc的基础上，依次增大0.005MPa的步长，在每步计算时，均迭代计算该步下对应最优中间温度的最大系统性能系数COPp，max；计算过程中比较不同排气压力下的最大系统性能系数COPp，max；当相邻两个高温级排气压力下求得COPp，max有下降趋势时，取上一步的计算结果COPp，max为系统在该蒸发温度、气体冷却器出口温度和复叠温差下的最大COP；该最大系统性能系数COP所对应的中间温度、排气压力和级间容量比为所对应工况下最优中间温度、最优排气压力和最优级间容量比；3)、改变系统运行工况求得不同工况下的最优级间容积比：改变高温级气体冷却器出口温度Tgc,out、中间换热器中换热温差ΔTm及蒸发温度Te，按上述方法分别求得最优高温级排气压力和最优中间温度下的COP和级间容量比，该级间容量比为改变工况后的最优级间容量比nv,opt＝f(Te,Tgc,out,ΔTm)。