背景

为降低暖通空调及制冷（HVAC&R）应用中制冷剂的直接全球变暖影响，包括天然制冷剂在内的低全球变暖潜能值（GWP）制冷剂已被广泛研究，作为氢氟烃（HFC）制冷剂的替代品。在天然制冷剂中，二氧化碳（CO₂）具有多项优势，如优异的传输和热物理性能、无毒不燃、价格低廉且全球供应充足。

然而，CO₂的高临界压力和低临界温度往往导致系统运行在跨临界工况下，与亚临界HFC循环相比，为实现跨临界运行需要额外的压缩机功耗，从而导致效率较低。因此，人们采用多种循环改进方案来提升跨临界CO₂循环的能效比（COP），使其达到甚至超过HFC循环的水平。

研究内容

本文对四种循环架构进行了系统的实验研究，均在同一套多级双蒸发器CO₂制冷循环测试台上完成，其中三种配置在跨临界条件下运行，一种在亚临界条件下运行。这四种循环架构包括：中间冷却、开放式节能器、内部热交换器，以及两种不同的喷射器控制方法。具体而言，研究分析了可变直径动力喷嘴和直接安装在喷射器动力喷嘴入口上游的可变速液态CO₂泵这两种控制方式。

实验结果

  • 使用喷射器时，最大COP提升为4.64%

  • 使用内部热交换器时，最大COP提升为9.47%

  • CO₂泵在成功稳定运行后，可以控制喷射器，将其效率提升最高达15%，制冷量最大提升6.2%

然而，使用CO₂泵时测得的COP反而有所下降；不过与其他三种配置不同，该方案仅在亚临界条件下进行了分析。

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