内容简介
《跨临界CO2热力循环理论与控制》系统论述了跨临界CO2热力循环的基础理论、系统设计方法、运行特性、性能提升策略及控制优化技术，深入分析了CO2制冷剂的物性特点及其对跨临界热力循环性能的影响机理，剖析了系统关键部件的热力学模型和传热传质特性，阐述了影响系统性能的主要因素及其作用规律，提出了多种提升系统性能的新型循环方案，探索了多种先进控制策略在CO2热力循环系统中的应用。《跨临界CO2热力循环理论与控制》理论分析与工程实践相结合，既有深入浅出的学理阐释，又有翔实可靠的实验数据，可为CO2制冷及热泵技术的进一步研究提供系统性的理论指导。
精彩书摘
第1章绪论
在全球经济快速发展、工商业技术不断迭代及未来颠覆性能源结构改革的推动下，能源利用效率和环境保护成为各国关注的焦点。传统制冷剂(如目前广泛使用的R134a、R410A等)的高全球增温潜能值(GWP)，促使各国加速推进制冷剂的替代和更新换代。在这一大背景下，跨临界CO2热力循环技术凭借其极为广泛的温度适应性、优秀的能源利用效率及环保特性，迅速成为国际上备受推崇的技术创新方案，也为全球范围内的能源结构性改革提供了有力支持。
CO2作为一种天然制冷剂，具有零消耗臭氧潜能值(ODP=0)和极低的全球增温潜能值(GWP=1)，完美契合了全球环境法规的严格要求。CO2超宽的温度适应范围，从低至.30℃的制冷需求到高达300℃以上的工业供热需求，都能够高效、稳定应对。因此，跨临界CO2热力循环技术正在超市冷链、商用和工业热泵、数据中心冷却及能源密集型行业的余热回收等领域迅速推广应用。随着全球经济向绿色低碳经济的转型，CO2热力循环技术不仅在能源利用效率方面表现出显著优势，还在推动“碳中和”目标方面展现出巨大的潜力。
本书系统性地阐述了跨临界CO2热力循环技术在制冷和热泵领域的前沿进展与未来趋势，不仅对该技术的基础原理、系统设计与优化进行了全面分析，还深入探讨了其在未来能源结构改革中的重要性。
1.1制冷技术发展历史
制冷剂作为制冷设备的“血液”，其特性是制冷技术应用和发展的基础。全球范围内的制冷剂技术，已经经历了将近200年的发展历程，呈现出不断替代和完善的过程。在氯氟烃(CFC)和氢氯氟烃(HCFC)这类合成制冷剂出现之前，对制冷剂的要求仅是工业场景的功能实现；安全高效的合成制冷剂及制冷设备的发展有力推动了制冷技术的大规模应用，将制冷技术融入了社会生产的每一环节；然而，合成制冷剂大规模应用的同时催生了环境治理问题，根据保护臭氧层和温室气体减排的需要，对制冷剂又提出了绿色、环保的新要求。从历史上来看，制冷剂的重要发展和替代历程主要经历了氟利昂的发明，臭氧层空洞问题导致CFC、HCFC类制冷剂削减，氢氟烃(HFC)类制冷剂作为替代物的兴起，温室效应导致HFC类制冷剂削减这几个阶段。
1.1.1氟利昂制冷技术
20世纪初，制冷技术面临着巨大的挑战，**代制冷剂，如氨、乙醚和二氧化碳的易燃性、毒性、高压特性等使其在家庭和工业应用中存在较大的安全隐患。随着工业化和城市化的推进，对更安全、稳定、高效的制冷剂的需求日益增长，科学家们开始探索合成以氟利昂为代表的第二代制冷剂。
20世纪20年代，美国化学巨头杜邦公司的科学家们将目光投向氟化物，发现氟元素的引入不仅可以增强制冷剂分子的稳定性，还能赋予制冷剂非易燃性和低毒性等优点。1928年，杜邦公司的研究团队成功合成出了氟利昂-12(CCl2F2)，这种无色无味的化合物展现出卓越的制冷性能，迅速吸引了制冷行业的广泛关注。随后，氟利昂家族不断壮大，氟利昂-11(CCl3F)、氟利昂-113(C2Cl3F3)等新成员相继问世，它们都具备优异的制冷特性，成为制冷行业的新宠。
随着含氯氟化物产品体系日臻完善，氟利昂类的制冷剂主要由两大类化合物构成：一类是CFC，其分子仅包含氯原子和氟原子；另一类则是HCFC，其分子中除了氯原子和氟原子外，还含有氢原子。得益于氟利昂卓越的稳定性，制冷系统的设计变得更加简洁，维护成本降低，操作安全性提高。氟利昂的问世掀起了制冷技术的一场革命，在家用冰箱、商用制冷设备、汽车空调等多个领域迅速获得广泛应用。20世纪30年代末，氟利昂已然成为全球制冷行业的标准制冷剂，市场份额和影响力不断扩大，众多家电和工业设备的设计和制造也开始围绕氟利昂进行优化，力求发挥其昀大潜力。
氟利昂的成功应用不仅得益于本身优良的性能，还在于制冷产业链的完善。制冷设备制造商、化学原料供应商及相关的维修服务行业相互促进，共同推动了制冷产业的快速发展。氟利昂的商业化加速了技术研发，催生了许多新型制冷设备的诞生。压缩机和冷凝器的设计不断优化，使整体系统的性能系数显著提高。行业分析表明，氟利昂的应用使制冷设备的能效提高了20%～30%，在当时是一个显著的技术进步。
氟利昂快速占领市场标志着制冷行业从传统制冷剂向合成化学物质的转型，成功推动了整个制冷行业及技术在20世纪实现快速演变。然而，随着氟利昂在市场上的迅速扩张，其对环境的影响逐渐显露出来。1974年，瑞士科学家Molina和Rowland[1]发表了一项关键研究，揭示了氟利昂产物与平流层臭氧分子之间的催化循环链式反应，引发了国际社会的广泛关注，并迅速引起了媒体的报道和公众的担忧。随着对臭氧层破坏问题认识的加深，科学家们逐渐意识到，氟利昂及其他含氯化合物是南极等地区形成臭氧层空洞的重要影响因素[2]。
随后，多个国家和地区开始采取措施限制氟利昂的使用。1987年，《关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书》(简称《蒙特利尔议定书》)
目录
目录
前言
主要符号表
第1章绪论1
1.1制冷技术发展历史1
1.1.1氟利昂制冷技术2
1.1.2HFC制冷技术3
1.2下一代制冷剂替代选择及技术发展趋势4
1.2.1HFO类制冷剂发展现状与局限性4
1.2.2HC类制冷剂的优势与应用前景5
1.2.3CO2制冷剂的历史演进与技术突破5
1.3跨临界CO2热力循环发展的若干问题7
1.3.1跨临界CO2热力循环分析理论的适应性8
1.3.2跨临界CO2热力循环的部件设计9
1.3.3跨临界CO2热力循环的运行特性10
1.3.4跨临界CO2热力循环的性能提升12
1.3.5跨临界CO2热力循环的系统控制14
1.3.6跨临界CO2热力循环的应用拓展15
参考文献16
第2章跨临界CO2热力循环20
2.1CO2制冷剂的物性及热力运行特性20
2.1.1CO2制冷剂的物性20
2.1.2CO2制冷剂热力运行特性23
2.2跨临界CO2热力循环特性26
2.2.1CO2热力循环介绍26
2.2.2跨临界CO2热力循环的理论模型28
2.3跨临界CO2热力循环昀优排气压力存在机理31
2.3.1超临界和临界点附近CO2的物性32
2.3.2跨临界CO2热力循环中的高压侧换热夹点33
2.4CO2热力循环的昀优排气压力和性能的影响因素37
2.4.1固定气体冷却器/冷凝器出口温度工况37
2.4.2考虑传热夹点的实际换热工况43
参考文献57
第3章跨临界CO2热力循环系统设计理论58
3.1CO2往复压缩机58
3.1.1几何运动模型58
3.1.2热力过程模型59
3.1.3摩擦功耗模型63
3.2气体冷却器71
3.2.1气体冷却器基本形式71
3.2.2气体冷却器流动及换热特性73
3.3蒸发器81
3.3.1蒸发器基本形式81
3.3.2蒸发器流动及换热特性82
3.4回热器95
3.4.1套管式回热器95
3.4.2板式回热器97
3.5电子膨胀阀99
3.6气液分离器104
3.7系统建模105
参考文献107
第4章跨临界CO2热力循环系统运行特性及优化109
4.1回热量影响特性109
4.1.1可调回热量的热力循环系统模型110
4.1.2回热器质量流量对跨临界CO2热泵性能的影响特性113
4.1.3变出水温度工况下的昀优回热量影响特性116
4.1.4标准工况下的昀优回热量计算118
4.2充注量影响特性121
4.2.1充注量的标注方法122
4.2.2标准充注率及其对CO2热泵热水器的影响特性127
4.2.3全工况跨临界CO2热泵热水器昀佳标准充注率的标定133
4.2.4昀佳标准充注率对气液分离器的设计指导138
4.3跨临界CO2热泵热水器的除霜运行特性139
4.3.1除霜方法139
4.3.2不同参数对逆向除霜方法的影响141
4.3.3逆向除霜方法和热气旁通除霜方法的对比145
4.3.4两种除霜方法的系统性能比较151
参考文献152
第5章跨临界CO2热力循环系统性能提升153
5.1跨临界CO2热力循环系统适应性分析153
5.1.1高回水温度下的跨临界CO2热泵性能衰减153
5.1.2高环境温度下的商超用跨临界CO2制冷系统性能衰减154
5.2双级压缩跨临界CO2热力循环系统155
5.2.1基于中间补气的双级压缩跨临界CO2热力循环分析155
5.2.2中间压力的影响159
5.2.3排气压力的影响160
5.2.4进出水温度的影响160
5.2.5环境温度的影响165
5.3并行式跨临界CO2热力循环系统168
5.3.1并行式跨临界CO2热力循环系统热力学分析169
5.3.2并行式跨临界CO2热力循环系统昀优中间温度172
5.3.3并行式跨临界CO2热力循环系统昀优排气压力176
5.4复合式跨临界CO2热力循环系统182
5.4.1复合式跨临界CO2热力循环系统热力学分析184
5.4.2辅助系统与主系统排气压力的影响186
5.4.3频率配比的影响188
5.5其他方案190
5.5.1喷射器190
5.5.2平行压缩系统191
5.5.3膨胀机192
5.5.4涡流管194
5.5.5热回收系统195
参考文献195
第6章跨临界CO2热力循环系统控制197
6.1跨临界CO2热力循环系统控制方法197
6.2基于极值搜索控制算法的昀优排气压力控制199
6.2.1极值搜索控制算法基本原理199
6.2.2跨临界CO2热力循环系统中的极值搜索控制设计201
6.2.3极值搜索控制实验验证204
6.3多变量极值搜索控制优化在并行式系统中的应用210
6.3.1并行式跨临界CO2热力循环系统中的多变量极值搜索控制参数设计211
6.3.2设计工况下的多变量极值搜索控制214
6.3.3实际环境温度变化工况下的多变量极值搜索控制217
6.4基于连续卡尔曼滤波器的相量预测极值搜索控制算法220
6.4.1控制逻辑与算法220
6.4.2基于相量预测极值搜索控制的排气压力控制优化22
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第1章绪论
在全球经济快速发展、工商业技术不断迭代及未来颠覆性能源结构改革的推动下，能源利用效率和环境保护成为各国关注的焦点。传统制冷剂(如目前广泛使用的R134a、R410A等)的高全球增温潜能值(GWP)，促使各国加速推进制冷剂的替代和更新换代。在这一大背景下，跨临界CO2热力循环技术凭借其极为广泛的温度适应性、优秀的能源利用效率及环保特性，迅速成为国际上备受推崇的技术创新方案，也为全球范围内的能源结构性改革提供了有力支持。
CO2作为一种天然制冷剂，具有零消耗臭氧潜能值(ODP=0)和极低的全球增温潜能值(GWP=1)，完美契合了全球环境法规的严格要求。CO2超宽的温度适应范围，从低至.30℃的制冷需求到高达300℃以上的工业供热需求，都能够高效、稳定应对。因此，跨临界CO2热力循环技术正在超市冷链、商用和工业热泵、数据中心冷却及能源密集型行业的余热回收等领域迅速推广应用。随着全球经济向绿色低碳经济的转型，CO2热力循环技术不仅在能源利用效率方面表现出显著优势，还在推动“碳中和”目标方面展现出巨大的潜力。
本书系统性地阐述了跨临界CO2热力循环技术在制冷和热泵领域的前沿进展与未来趋势，不仅对该技术的基础原理、系统设计与优化进行了全面分析，还深入探讨了其在未来能源结构改革中的重要性。
1.1制冷技术发展历史
制冷剂作为制冷设备的“血液”，其特性是制冷技术应用和发展的基础。全球范围内的制冷剂技术，已经经历了将近200年的发展历程，呈现出不断替代和完善的过程。在氯氟烃(CFC)和氢氯氟烃(HCFC)这类合成制冷剂出现之前，对制冷剂的要求仅是工业场景的功能实现；安全高效的合成制冷剂及制冷设备的发展有力推动了制冷技术的大规模应用，将制冷技术融入了社会生产的每一环节；然而，合成制冷剂大规模应用的同时催生了环境治理问题，根据保护臭氧层和温室气体减排的需要，对制冷剂又提出了绿色、环保的新要求。从历史上来看，制冷剂的重要发展和替代历程主要经历了氟利昂的发明，臭氧层空洞问题导致CFC、HCFC类制冷剂削减，氢氟烃(HFC)类制冷剂作为替代物的兴起，温室效应导致HFC类制冷剂削减这几个阶段。
1.1.1氟利昂制冷技术
20世纪初，制冷技术面临着巨大的挑战，**代制冷剂，如氨、乙醚和二氧化碳的易燃性、毒性、高压特性等使其在家庭和工业应用中存在较大的安全隐患。随着工业化和城市化的推进，对更安全、稳定、高效的制冷剂的需求日益增长，科学家们开始探索合成以氟利昂为代表的第二代制冷剂。
20世纪20年代，美国化学巨头杜邦公司的科学家们将目光投向氟化物，发现氟元素的引入不仅可以增强制冷剂分子的稳定性，还能赋予制冷剂非易燃性和低毒性等优点。1928年，杜邦公司的研究团队成功合成出了氟利昂-12(CCl2F2)，这种无色无味的化合物展现出卓越的制冷性能，迅速吸引了制冷行业的广泛关注。随后，氟利昂家族不断壮大，氟利昂-11(CCl3F)、氟利昂-113(C2Cl3F3)等新成员相继问世，它们都具备优异的制冷特性，成为制冷行业的新宠。
随着含氯氟化物产品体系日臻完善，氟利昂类的制冷剂主要由两大类化合物构成：一类是CFC，其分子仅包含氯原子和氟原子；另一类则是HCFC，其分子中除了氯原子和氟原子外，还含有氢原子。得益于氟利昂卓越的稳定性，制冷系统的设计变得更加简洁，维护成本降低，操作安全性提高。氟利昂的问世掀起了制冷技术的一场革命，在家用冰箱、商用制冷设备、汽车空调等多个领域迅速获得广泛应用。20世纪30年代末，氟利昂已然成为全球制冷行业的标准制冷剂，市场份额和影响力不断扩大，众多家电和工业设备的设计和制造也开始围绕氟利昂进行优化，力求发挥其昀大潜力。
氟利昂的成功应用不仅得益于本身优良的性能，还在于制冷产业链的完善。制冷设备制造商、化学原料供应商及相关的维修服务行业相互促进，共同推动了制冷产业的快速发展。氟利昂的商业化加速了技术研发，催生了许多新型制冷设备的诞生。压缩机和冷凝器的设计不断优化，使整体系统的性能系数显著提高。行业分析表明，氟利昂的应用使制冷设备的能效提高了20%～30%，在当时是一个显著的技术进步。
氟利昂快速占领市场标志着制冷行业从传统制冷剂向合成化学物质的转型，成功推动了整个制冷行业及技术在20世纪实现快速演变。然而，随着氟利昂在市场上的迅速扩张，其对环境的影响逐渐显露出来。1974年，瑞士科学家Molina和Rowland[1]发表了一项关键研究，揭示了氟利昂产物与平流层臭氧分子之间的催化循环链式反应，引发了国际社会的广泛关注，并迅速引起了媒体的报道和公众的担忧。随着对臭氧层破坏问题认识的加深，科学家们逐渐意识到，氟利昂及其他含氯化合物是南极等地区形成臭氧层空洞的重要影响因素[2]。
随后，多个国家和地区开始采取措施限制氟利昂的使用。1987年，《关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书》(简称《蒙特利尔议定书》)
