热泵系统具有以低品位热能为热源、节能高效等优势,适用于低温与严寒地区供暖
[3]。以CO
2为工质的跨临界循环热泵系统在同等温升的情况下,所需压缩比较小,具有温度滑移特性,在低温环境下制热能力强
[4]。不少研究者探究了CO
2跨临界循环热泵系统用于低温地区供暖的可行性。如WANG等
[5]对严寒地区CO
2热泵系统的运行进行实验测试,结果表明CO
2跨临界循环热泵系统在室外温度为-20℃、产生30℃热风的条件下,系统性能系数(coefficient of performance, COP)最高达3.1。但CO
2跨临界循环热泵系统具有节流损失大、排气温度过高、系统性能表现差等问题
[6]。而涡流管技术被认为是解决节流损失大与系统性能低的方案之一,其结构简单,安装方便,无须外界额外做功,通过Ranque-Hilsch效应将气体分离为冷热两股气流
[7]。涡流管技术对热泵系统具有以下提升作用:(1)涡流管装置所包含的喷嘴结构比传统节流阀具有更高的等熵效率,即节流过程焓增更小,在蒸发阶段可以吸收更多热量;(2)通过涡流管对高压CO
2气体进行分离,提前分离出一部分气体,降低蒸发器负荷,确保蒸发充分;过热气体混合过程使得压缩机吸入气体具有一定过热度,在一定范围内提高系统性能,同时降低压缩机吸入气体带液率,有效防止压缩机发生液击。涡流管在CO
2跨临界循环热泵系统中的应用已经开始建立一些模型:ZHAO等
[8]提出一种带涡流管的CO
2循环热泵,与传统CO
2循环热泵相比,该循环的COP可提高16.8%,最高达3.9;LIU等
[9]通过模拟,发现一定条件下,涡流管对系统性能提升作用明显,COP较常规系统提高33.7%。值得一提的是,上述研究者在进行模拟时,对涡流管部分仅考虑工质热力学循环过程中热能守恒,未考虑机械能与内能之间的转化,同时将压缩机等熵效率定义为定值的做法仍有待考量。二级压缩技术可有效降低压缩比,提高单级压缩机的等熵效率,降低排气温度。部分研究者采取了二级压缩技术解决CO
2跨临界循环热泵系统排气温度高、性能不佳的问题,如于振国等
[10]设计了一款CO
2二级压缩热泵,可以实现在 -20℃的环境温度下获取热量,高效制取65 ~ 90℃的热水,且有效降低压缩机排气温度。谢英柏等
[11]研究表明二级压缩跨临界CO
2循环热泵比单级循环热泵的性能更好,且中间冷却采用完全冷却(冷却至饱和气体温度)的COP表现优于不完全冷却。