流 体 机 械2019年1月
84 第47卷第1期
文具盒收稿日期： 2018-01-31 修稿日期： 2018-06-14
doi：10.3969/j.issn.1005-0329.2019.01.016
跨临界CO 2循环中回热器研究进展概述
郭雅琪，叶祖樑，王驿凯，殷 翔，曹 锋
（西安交通大学，西安 710049）
摘 要：由于臭氧层破坏和全球变暖等原因，CO 2作为新型制冷工质在跨临界CO 2循环中被广泛推广和应用。在循环中加入回热器可大幅度提升系统性能，本文针对跨临界CO 2循环中的回热器应用，从带回热器的跨临界CO 2系统性能、回热器结构、回热器在系统循环中的位置、回热器效率以及回热器入口制冷剂温度等几个方面对系统性能的具体影响进行深入探讨，介绍了国内外研究进展，对回热器的应用加以分析和展望。 关键词：跨临界CO 2循环；回热器；性能
中图分类号：TH12 文献标志码：A
Overview of Progress in Rearch of Internal Heat Exchanger in Transcritical CO 2 System
Guo Yaqi ，Ye Zuliang ，Wang Yikai ，Yin Xiang ，Cao Feng
（Xi 'an Jiaotong University ，Xi 'an 710049，China ）
Abstract：Due to the depletion of the ozone layer and the global climate warming，CO 2 is promoted and applied extensively in the transcritical CO 2 system as a new type of refrigerant. Adding the internal heat exchanger in the loop can sharply improve the performance of the system. This paper deeply discusd the specific effects on the performance of the system in the aspects of the performance of transcritical CO 2 system added with the internal heat exchanger，the structure of the internal heat exchanger，the location of the internal heat exchanger in the loop，the efficiency of the internal heat exchanger and the temperature of the refrigerant at inlet of the internal heat exchanger for the application of the internal heat exchanger in the transcritical CO 2 system. In addition，the progress in rearches at home and abroad was introduced and the application of the internal heat exchanger was analyzed and prospected.
Key words：transcritical CO 2 cycle；internal heat exchanger；performance
符号说明：COP ——能效比；h ——焓值，
kJ/kg ；T ——热力学温度，
K ； W
——单位质量功率，kW ·/kg ； Q
——单位质量换热量，kW/kg ；p ——压力，
MPa ； m ——质量流量，kg/s ；q ——热通量，W/m 2
；ε ——效率；
c p ——定压比热容，kJ/（kg ·K ）；α ——常数系数；下 标
max ，min ——最大值、最小值；
IHX ——回热器；
LP ，HP ——低压、高压，MPa ；i ，o ——进口、
出口状态；dis ——排气
（压缩机）；c ，h ——制冷、
制热循环。
0 引言
CO 2作为自然工质，具有无毒、分解物不破坏
臭氧层、不可燃不易爆炸以及密度大等优点，在制冷工质的替代中占有巨大优势。CO 2临界温度为31 ℃，处于常温范围，在制冷循环中高压侧温度接近临界点，一般采用跨临界循环［1］。然而，CO 2跨临界循环对比传统循环，由于CO 2的临界温度
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低，系统内压力高，存在较大节流损失［2］。为了提高CO 2跨临界循环的性能，可以在循环中加入回热器，国际上称之为内部热交换器（Internal Heat Exchanger ）。
回热器（IHX ）是一种内部能量交换器，对于CO 2跨临界系统来说，蒸发器出口的高温气体和气体冷却器出口的超临界CO 2流体进行换热，增加超临界CO 2流体的过冷度和压缩机进气口气体的过热度。回热器主要有以下功能：（1）进入压缩机的气体过热，减少有害过热，增加COP ；（2）回热器使进入蒸发器的液体过冷，减小节流损失；（3）使回气中夹带的液滴气化，防止压缩机产生液击。
1 跨临界CO 2循环
1.1 跨临界CO 2循环原理
跨临界CO 2系统主要由压缩机、气体冷却器、节流阀和蒸发器构成。图1和图2是跨临界CO 2循环的原理和压焓图。低压制冷剂气体经过压缩机变成高压流体（1-2），高压流体进入气体冷却器放热（2-3），然后经节流阀降压（3-4），最后低压液体进入蒸发器吸热成为气体再次进入压缩机（4-1
）。
图1 跨临界CO 2
循环的原理
图2 跨临界CO 2循环p-h 曲线
系统制冷性能系数：
COP h h h h c =−()−()1221/
（1）
制热性能系数：
COP h h h h h =−()−()2321/
（2）
1.2 带回热器的跨临界CO 2循环
在蒸发器和气体冷却器出口处加入回热器，图3，4分别是带回热器的跨临界CO 2循环的原理和压焓图。从蒸发器出来的高温气体和气体冷却器出口的超临界CO 2流体进行换热（3-3'、1-1'），可以使气体冷却器出口制冷剂过冷，蒸发器出口制冷剂过热。
系统制冷性能系数：
COP h h h h c =−()−()′′′1421/
（3）制热性能系数：
COP h h h h h =−()−()′′′2321/
（4
）图3 带回热器的跨临界CO 2
年终个人总结
循环的原理
图4 带回热器的跨临界CO 2循环p -h 曲线
2 回热器对跨临界CO 2系统的影响
烧烤料
2.1 带回热器与不带回热器的跨临界CO 2循环
性能对比
对于跨临界CO 2制冷循环，1992年，Domanski 等［3］就通过实验研究在CO 2系统中回热器对系统性能和热动力的优势。Boewe 等［4］在一个跨临界CO 2汽车空调系统中，实验了多组不同长度回
郭雅琪，等：跨临界CO 2循环中回热器研究进展概述
86FLUID MACHINERY Vol. 47，No.1，2019热器，发现回热器使系统的制冷量和COP增高了
25%。因为降低了循环中的膨胀损失，回热器中
的逆流换热效果比平行流动好的多，并且回热器
产生的最优排气压力的降低抵消了排气温度升高
用英文介绍自己
带来的影响。
Chen Y等［5］模拟了影响循环性能的重要因
素：压缩机最优排气压力。发现其与蒸发器和气
体冷却器出口温度、蒸发器出口质量流量和回热
器效率有关。回热器对循环中制冷量和COP的
提高分别达到11.9%和9.1%［6］。另一项研究［7］
表明，在住宅应用中使用回热器，COP可能会提
高10％。通过对带有内部换热器的CO2家用空
调系统的实验研究，Tao Y B等［8］表明，气体冷却
器性能直接影响节流损失，冷却性能越好，节流损
失越小；节流损失随着蒸发温度的升高而降低，内
部换热器可以降低节流损失，提高循环性能。
近年来，国内对于回热器在跨临界CO2热泵
系统和制冷系统中应用的研究有很大进展，王洪私密电话
利等［9］对带回热器和不带回热器的跨临界CO2
循环进行了理论分析和实验性能测试。理论分析
表明，与不带回热器的循环相比，相同蒸发温度
下，带回热器的循环平均性能提升4.55%；相同气
体冷却器出口温度下，带回热器的循环平均性能
提升5.23%。实验测试表明，带回热器的循环制
热量和制冷量分别平均提高3.33%和5.35%，制
热和制冷性能系数分别提高11.36%和14.29%。
姜云涛等［10］对带回热器的跨临界CO2热泵
系统的性能与不带回热器的跨临CO2系统性能
对比，提出了判别式：
′−+−′
−′−
T T T T
T T T T T
2233
23
11
1
>（5）
姜云涛等同时提出相对制热量影响指数和相对制热系数影响指数。通过实验［11］验证了对于跨临界CO2热泵系统，带回热器的热泵系统的制热效率和制冷效率都略高于不带回热器时的效率，制热量增加9%~13%，制热系数增加5%~10%；气体冷却器的进水温度越低，制热系数越高，若将制冷量同时利用，可以进一步提高系统的效率。
多年以来，对于回热器的研究还在不断加深，在跨临界CO2循环中加入回热器，一定程度上提高了制冷系统和制热系统的COP。虽然回热器的加入引起了排气温度升高等对循环不利的因素，但其对于降低最优排气压力、减小节流损失、提高循环中的制冷量等起到了显著作用。2.2 回热器参数对跨临界CO2系统性能的影响2.2.1 回热器结构
Kim S G等［12］模拟了考虑气冷器压力（即排气压力）时，在跨临界CO2热泵循环中回热器的尺寸对回热器性能的影响，通过模拟计算回热器在不同长度下的性能参数，得出结论：系统最优压力［12］、制冷剂质量流量和压缩机耗功随回热器长度增加而降低；在一定排气压力下，系统的制热COP随回热器长度增加而增加［12］。
除此之外，Kwon Y C等［13］实验研究了4种不同形式的回热器（2种是同轴管式，2种是微通道式），在不同的长度下，制冷量、制冷COP和冷热流体在回热器中的压力的变化。发现随着回热器长度的增加，制冷量、COP以及压降都增加；并且，微通道式换热器制冷量和COP增加量是管式换热器的1.4~2.4倍［13］。
金东旭等［14］通过实验，考虑制冷剂充注量和换热面积两个因素，研究了回热器对跨临界CO2热泵循环的影响。在最佳充注量的条件下，随着回热器传热面积的增加，压缩机的压比略微下降，排气温度与吸气温度上升。采用回热器可以提高系统的最大制热系数。当回热器的无量纲传热面积是0.2时，可使最大制热系数提高约3.2%~5.1%。
系统的制热COP平均增量为4%，且在回热器尺寸达到一定长度后，COP的提升变得很少［12］，所以在选择回热器尺寸时，要综合考虑制作成本和系统性能。微通道换热器在小尺寸时，制冷量和效率都优于管式换热器，但随着回热器长度的增加，管式换热器的性能提升较快［13］；而微通道换热器
在长度增加时，压降增量大，尤其是蒸发器出口压降非常大，压缩机圧比增大，会导致制冷性能COP降低［13］。所以在选择回热器形式的时候，应综合考虑系统性能和压降。
2.2.2 回热器在循环中的位置
传统带回热器的跨临界CO2循环中，回热器的位置在气冷器的出口。然而，回热器安装在循环中的其他位置依然对循环有一定影响。Daniel Sanchez等［15］做了大量实验，比较没有回热器的循环和回热器安装在循环中的不同位置：气体冷却器出口、储液器出口和同时安装在以上2个位置（图5）时，制冷量、压缩机耗功和COP以及压缩机出口温度的变化。发现在回热器在制冷循环中大部分都是对循环性能提升有利
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的，使用2个回热器的设置可以在最优排气压力下COP 提高达到13%；然而，这种情况会导致排气温度最多上升20 ℃，影响实验性能；不论回热
器安装位置，
都可以降低最优排气压力。
（a ） （b ） （c ）
图5 回热器在循环中不同位置
2.2.3 回热器效率
一般使用热效率来描述换热器的性能，回热
器的效率是回热器实际换热量比回热器最大换热量。根据热力学第二定律，可以写为蒸发器侧在回热器进出口焓差比气体冷却器侧在回热器入口焓值与蒸发器侧在回热器入口焓值的差： ε=
=
−(
)
− Q Q h h h T P h IHX LP o LP i
HP j O LP j
max
,,,,, （6）
Chen Y 等［5］对于回热器中可能存在相变，
且临界压力附近区域的特定热变化剧烈的问题，认为传统表达式来描述热交换有效性不再适用，以焓差为基础，提出回热器效率的实际有效性表 达式：
ε=
−=−′′h h q h h q potn
potn
3311
（7）
其中 q h h h h
potn =−−{}
′′min ,,min ,max 331模拟结果表明：回热器可以增加COP ，减少
其对蒸发器出口的质量流量的敏感。当蒸发器出口温度，环境温度和排气压力低时，回热器的回热效率高；而当蒸发器出口温度比较高时，则压缩机排气温度过高，因此回热器效率需要仔细设计。
除此之外，Torella E 等［16］通过实验验证了回热器的使用提高了COP 和制冷量以及压缩机排气温度。具体对比了回热器的热效率和系统性能之间的关系，结果表明：降低排气压力、增加排气温度或降低蒸发温度，都可以提升回热器效率。
制冷剂假设为理想气体，忽视回热器与环境的换热，认为回热器完全绝热的。上述回热器效率可以写成：
（8）
提出回热效率与两侧高低压力和入口温度有关［16］：
ε%=+++++a a p a p a T a T a p p HP LP HP i LP i LP HP
012345,, （9）2.2.4 回热器入口制冷剂温度
回热器对跨临界CO 2循环系统性能的提升受到进入回热器的制冷剂性质的影响。
模拟结果表明［17-24］，气体冷却器出口处制冷
剂在低温和中等温度下，回热器对系统性能和最
优排气压力的影响可以忽略不计；然而，当气体冷却器出口处制冷剂温度很高时，回热器对系统性能的影响变得显著。在蒸发温度为0 ℃和压缩机等熵效率为70％、气体冷却器出口温度为30 ℃时，COP 增加1％，最优排气压力下降2％；而气体冷却器出口温度为60 ℃时，由于对回热器的完美利用，COP 增加15％，最优排气压力下降13％。对于蒸发器出口的制冷剂温度对回热器的影响，前文提到蒸发器温度降低可以提高回热器效率进而增加COP 。但是由于蒸发器温度升高导致系统排气温度升高，使压缩机容积效率降低、功耗增加，同时容易引起一系列磨损、产生生成物、引起高温烧毁等严重事故。3 结语
在跨临界CO 2系统中加入回热器，一定程度上提高了系统COP ，对系统制冷与制热的性能提升产生很大帮助。其中，跨临界CO 2系统中加入回热器的系统性能变化、回热器的结构、在循环中的安装位置、回热器效率的确定以及回热器入口制冷剂温度的设置等因素对于带回热器的跨临界CO 2循环的性能产生影响，文章总结了国内外对以上几个方面的研究和进展，讨论分析了在回热
郭雅琪，等：跨临界CO 2循环中回热器研究进展概述
88FLUID MACHINERY Vol. 47，No.1，2019
器的应用中需要根据实际情况具体考虑的相关因素。但国内外如今对于跨临界CO2系统中回热器的研究依然有限，有待进一步分析与讨论。
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作者简介：郭雅琪（1995），女，在读研究生，研究方向为CO2跨临界热泵系统，E-mail：。
通讯作者：曹锋（1976），男，教授，博导，主要从事跨临界CO2制冷、制热技术，特种压缩机及制冷技术的研究，通信地址：710049 陕西省西安市碑林区西安交通大学能源与动力工程学院，E-mail：fcao@mail.xjtu.edu。
