新能源车用跨临界CO2并行压缩系统及其容量配比方法与流程

新能源车用跨临界co2并行压缩系统及其容量配比方法
技术领域
1.本发明属于制冷与低温工程技术领域，涉及一种跨临界co2并行压缩系统及其容量配比方法。


背景技术：

2.近年来，随着国民经济和相关产业的飞速发展，不健康的能源供给方式和开发手段引发了日益严重的环境问题和能源危机。据有关资料显示，工商业和民用背景下的暖通行业的能源消耗量目前已经占据全国能源消耗量的首位，其中供暖能源消耗占比逐渐上升。
3.由于传统行业供暖往往以小型燃煤锅炉和其他类型锅炉为主，这些供暖方式本身对于燃料的处理过程不够完善，并且系统的能效较低，低效率和高污染成为了环境污染的一个重要原因。近年来，热泵系统在供暖领域和新能源汽车领域的发展引起了广泛的关注，其中跨临界co2系统最值得推广。co2作为一种直接从大气环境获取的自然工质，具有其他制冷剂不可比拟的环境友好性和高安全性，并且其良好的低温流动性也适用于寒冷地区冬季的运行工况。除此之外，co2工质在超临界区的温度滑移特性使得跨临界co2系统具有出众的供暖优势。因此，跨临界co2系统十分值得在新能源汽车领域和供暖领域进行推广和使用。
4.在跨临界co2系统当中，使用膨胀机代替节流阀是提升系统性能的手段之一，膨胀机能够将膨胀功回收并供给系统的压缩机使用，减少压缩机的功耗，进而提升系统的cop。然而对膨胀机的容量设计是系统设计的关键一环，不合适的容积配比会让系统工况偏离合适工况，使得膨胀机达不到理想的收益，甚至影响系统的性能。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种新能源车用跨临界co2并行压缩系统及其容量配比方法，以解决上述技术问题。
6.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
7.新能源车用跨临界co2并行压缩系统，包括主回路co2压缩机、co2气体冷却器、co2过冷器、co2膨胀机、co2蒸发器、co2压缩机和节流阀；
8.跨临界二氧化碳主回路中：主循环co2压缩机出口连接co2气体冷却器进口，气体冷却器出口连接co2过冷器的第一进口，co2过冷器的第一出口连接co2膨胀机的进口，co2膨胀机的出口连接co2蒸发器，co2蒸发器连接主回路co2压缩机的进口；
9.辅助回路中：辅助回路co2压缩机出口连接co2气体冷却器的第一进口，气体冷却器的出口连接co2过冷器的第一进口，co2过冷器的第一出口连接节流阀，节流阀连接co2过冷器第二入口，co2过冷器第二出口连接辅助回路co2压缩机进口。
10.本发明进一步的改进在于：所述co2膨胀机的容积为最优膨胀机容积。
11.本发明进一步的改进在于：所述最优膨胀机容积通过以下步骤确认：
12.采集风量环境湿度、跨临界co2并行压缩系统中所有部件结构尺寸、蒸发器风量；
13.设定计算过程中的所有固定参数，包括：最小进风温度t
in,min
，最大进风温度t
in,max
，进风温度变化步长δt1，最小出风温度t
out,min
，最大出风温度t
out,max
，出风温度变化步长δt2，最小环境温度t
en,min
，最大环境温度t
en,max
，环境温度变化步长δt3，最小膨胀机容积v
min
，最大膨胀机容积v
max
，膨胀机容积变化步长δv；
14.分别预设膨胀机容积、进风温度和环境温度为设计的最小值，通过主回路计算子方法计算主回路系统制热量、制冷量和功耗；
15.通过辅助回路优化子方法计算辅助回路系统cop、制热量、制冷量和功耗；
16.在出风温度稳定的情况下，输出新能源车用跨临界co2并行压缩系统总制热量、功耗与整机系统cop；
17.在可调整范围内调整进风温度、出风温度以及环境温度，得到膨胀机容积对应的整个工况范围内的工况覆盖率；调整膨胀机容积在可调整范围内变化，得到整个范围内工况覆盖率最高的膨胀机容积，所述覆盖率最高的膨胀机容积为所述最优膨胀机容积。
18.本发明进一步的改进在于：所述辅助回路优化子方法具体包括：
19.采集气体冷却器的进风温度、出风温度、风量、环境温度、环境湿度和吸气过热度；
20.设定计算过程中的所有固定参数，包括：最小吸气压力p
suc,min
，吸气压力调整步长dp1，最小排气压力p
dis,min
，排气压力调整步长dp2，焓和质量流量许可误差δe
h
，δe
m
；
21.开始迭代计算过程，分别预设定吸气压力与排气压力为各自能达到的最小值，在吸气压力和过热度均已知的状态下通过压缩机计算模型模拟压缩过程，得到排气温度、压缩机功耗、通过压缩机的质量流量m
com
；
22.将压缩机出口的所有热力学参数赋予气体冷却器进口，通过气体冷却器计算模型模拟换热过程，得到气体冷却器出口的制冷剂压力、温度、焓值h
gas,out
以及制热量；同时，将压缩机吸气口的所有热力学参数赋予过冷器出口，通过过冷器计算模型模拟换热过程，并得到过冷器进口的制冷剂温度、压力、焓值h
sub,in
以及制冷量；逐步升高排气压力假设值直到h
gas,out
与h
sub,in
的焓差小于许可误差，再通过节流阀的阀前阀后工况已知条件和节流阀模型模拟出节流过程，计算出通过膨胀阀的流量m
val
；逐步提高吸气压力假设值直到m
com
与m
val
的差值小于许可误差，输出辅助回路系统cop制热量、制冷量和功耗。
23.本发明进一步的改进在于：所述主回路计算子方法具体包括：
24.采集气体冷却器的进风温度，出风温度，风量，环境温度，空气相对湿度和初始膨胀机容积；
25.设定计算过程中的所有固定参数，包括：最小吸气压力δp
suc,min
，吸气压力调整步长dp1，最小排气压力δp
dis,min
，排气压力调整步长dp2，最小吸气过热度δt
o
，吸气过热度调整步长dt，焓、质量流量和密度许可误差δe
h
，δe
m
，δd；
26.膨胀机和压缩机同轴运行，转速相同，膨胀机输出功作用于压缩机减少压缩机功耗；
27.开始迭代计算过程，分别预设定吸气压力、排气压力和吸气过热度为各自可能达到的最小值，在吸气压力已知的状态下可以通过压缩机计算模型模拟压缩过程，得到排气温度、压缩机功耗、通过压缩机的质量流量m
com
；将压缩机出口的所有热力学参数赋予气体
冷却器进口，通过气体冷却器计算模型模拟换热过程，得到气体冷却器出口的制冷剂压力、温度、焓值h
gas,out
以及制热量；将气体冷却器出口状态赋予过冷器进口，通过过冷器计算模型得到过冷器出口压力、温度和焓值h
sub,out
；将过冷器出口状态赋予膨胀机进口，求解膨胀机进口密度d1,通过膨胀机计算模型求得膨胀机出口焓值h
exp,out
；同时，将压缩机吸气口的所有热力学参数赋予蒸发器出口，通过蒸发器计算模型模拟蒸发器内的换热过程，并得到蒸发器进口的制冷剂温度、压力、焓值h
evap,in
以及制冷量；逐步升高吸气过热度假设值直到h
exp,out
与h
evap,in
的焓差小于许可误差；再通过膨胀机的进出口工况已知条件和膨胀机模型模拟出膨胀过程，计算出通过膨胀机的流量m
exp
，逐步提高吸气压力假设值直到m
com
与m
exp
的差值小于许可误差；通过压缩机进口条件求得膨胀机进口密度d2，逐步调节排气压力假设值直到d1和d2的差值小于许可误差；之后输出主回路制热量、制冷量和功耗，再结合辅助回路制热量、功耗得到整机系统cop值。
28.新能源车用跨临界co2并行压缩系统的容量配比方法，包括以下步骤：
29.采集风量环境湿度、跨临界co2并行压缩系统中所有部件结构尺寸、蒸发器风量；
30.设定计算过程中的所有固定参数，包括：最小进风温度t
in,min
，最大进风温度t
in,max
，进风温度变化步长δt1，最小出风温度t
out,min
，最大出风温度t
out,max
，出风温度变化步长δt2，最小环境温度t
en,min
，最大环境温度t
en,max
，环境温度变化步长δt3，最小膨胀机容积v
min
，最大膨胀机容积v
max
，膨胀机容积变化步长δv；
31.分别预设膨胀机容积、进风温度和环境温度为设计的最小值，通过主回路计算子方法计算气体冷却器侧进出口温度、过冷器进出口温度、主回路制热量、制冷量和总功耗；
32.通过辅助回路优化子方法计算辅助回路系统cop、制热量、制冷量和功耗；
33.在出风温度稳定的情况下，输出新能源车用跨临界co2并行压缩系统总制热量、功耗与整机系统cop；
34.在可调整范围内调整进风温度、出风温度以及环境温度，得到膨胀机容积对应的整个工况范围内的工况覆盖率；调整膨胀机容积在可调整范围内变化，得到整个范围内工况覆盖率最高的膨胀机容积，所述覆盖率最高的膨胀机容积为所述最优膨胀机容积。
35.本发明进一步的改进在于：所述辅助回路优化子方法具体包括：
36.采集气体冷却器的进风温度、出风温度、风量、环境温度、环境湿度和吸气过热度；
37.设定计算过程中的所有固定参数，包括：最小吸气压力p
suc,min
，吸气压力调整步长dp1，最小排气压力p
dis,min
，排气压力调整步长dp2，焓和质量流量许可误差δe
h
，δe
m
；
38.开始迭代计算过程，分别预设定吸气压力与排气压力为各自能达到的最小值，在吸气压力和过热度均已知的状态下通过压缩机计算模型模拟压缩过程，得到排气温度、压缩机功耗、通过压缩机的质量流量m
com
；
39.将压缩机出口的所有热力学参数赋予气体冷却器进口，通过气体冷却器计算模型模拟换热过程，得到气体冷却器出口的制冷剂压力、温度、焓值h
gas,out
以及制热量；同时，将压缩机吸气口的所有热力学参数赋予过冷器出口，通过过冷器计算模型模拟换热过程，并得到过冷器进口的制冷剂温度、压力、焓值h
sub,in
以及制冷量；逐步升高排气压力假设值直到h
gas,out
与h
sub,in
的焓差小于许可误差，再通过节流阀的阀前阀后工况已知条件和节流阀模型模拟出节流过程，计算出通过膨胀阀的流量m
val
；逐步提高吸气压力假设值直到m
com
与
m
val
的差值小于许可误差，输出辅助回路系统cop制热量、制冷量和功耗。
40.本发明进一步的改进在于：所述主回路计算子方法具体包括：
41.采集气体冷却器的进风温度，出风温度，风量，环境温度，空气相对湿度和膨胀机容积；
42.设定计算过程中的所有固定参数，包括：最小吸气压力δp
suc,min
，吸气压力调整步长dp1，最小排气压力δp
dis,min
，排气压力调整步长dp2，最小吸气过热度δt
o
，吸气过热度调整步长dt，焓、质量流量和密度许可误差δe
h
，δe
m
，δd；
43.膨胀机和压缩机同轴运行，转速相同，膨胀机输出功作用于压缩机减少压缩机功耗；
44.开始迭代计算过程，分别预设定吸气压力、排气压力和吸气过热度为各自可能达到的最小值，在吸气压力已知的状态下可以通过压缩机计算模型模拟压缩过程，得到排气温度、压缩机功耗、通过压缩机的质量流量m
com
；将压缩机出口的所有热力学参数赋予气体冷却器进口，通过气体冷却器计算模型模拟换热过程，得到气体冷却器出口的制冷剂压力、温度、焓值h
gas,out
以及制热量；将气体冷却器出口状态赋予过冷器进口，通过过冷器计算模型得到过冷器出口压力、温度和焓值h
sub,out
；将过冷器出口状态赋予膨胀机进口，求解膨胀机进口密度d1,通过膨胀机计算模型求得膨胀机出口焓值h
exp,out
；同时，将压缩机吸气口的所有热力学参数赋予蒸发器出口，通过蒸发器计算模型模拟蒸发器内的换热过程，并得到蒸发器进口的制冷剂温度、压力、焓值h
evap,in
以及制冷量；逐步升高吸气过热度假设值直到h
exp,out
与h
evap,in
的焓差小于许可误差；再通过膨胀机的进出口工况已知条件和膨胀机模型模拟出膨胀过程，计算出通过膨胀机的流量m
exp
，逐步提高吸气压力假设值直到m
com
与m
exp
的差值小于许可误差；通过压缩机进口条件求得膨胀机进口密度d2，逐步调节排气压力假设值直到d1和d2的差值小于许可误差；之后输出主回路制热量、制冷量和功耗，再结合辅助回路制热量、功耗得到整机系统cop值。
45.进一步的，本发明系统为一个带膨胀机的跨临界co2并行压缩系统，循环分为主回路和辅助回路。通过本发明提出的容量配比方法，可以根据实际系统参数和工况，准确地预测系统热力学参数，通过优化流程算法，得到最优的膨胀机设计容积。由此，可以解决该类系统在实际应用条件下的参数选择和优化问题。
46.进一步的，工况覆盖率为在设计膨胀机容积下系统cop优于主回路带节流阀系统最优cop的工况占总体适宜工况范围的百分比。
47.进一步的，本发明创新性地提出一种带膨胀机的跨临界二氧化碳并行压缩系统容量配比方法，通过设计流程算法判断不同膨胀机容积下的工况覆盖率，选取工况范围内最佳工况覆盖率的膨胀机容积为最优容积。膨胀机在该设计最优容积下，能够良好地提升该并行压缩系统的性能，给带膨胀机的co2系统设计带来参考。
48.进一步的，通过敏感性分析系统进风温度，出风温度，环境温度对膨胀机最优容积的影响，得到最优容积预测关联式v
opt
＝f(t
in
，t
out
，t
env
)。
49.相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
50.本发明针对的带有膨胀机的跨临界二氧化碳并行压缩系统，通过辅助回路对气体冷却器出口的制冷剂提供额外的冷量，实现主回路制冷剂在此的进一步冷却，从而提升制热量。使用膨胀机代替传统的节流阀，通过回收膨胀功降低系统能耗，进而提升了系统性
能，对跨临界二氧化碳系统在供暖领域的使用有着巨大意义。
51.本发明针对上述系统提出了一套严密的数学模型，包括主回路和辅助回路两个子方法，严格按照系统运行时的真实状态进行数学模拟，不做任何条件性假设，完全由已知的运行工况条件和系统结构尺寸参数来得到该系统稳态运行状态下所有热力学状态参数和过程参数，从而得到整体系统的性能参数，对于行业内系统设计具有良好的参考意义。
52.本发明针对上述系统提出了膨胀机容量配比方法，通过设计流程算法判断进行寻优，得到工况覆盖率最高的最优膨胀机容积。在该最优容积下，膨胀机能够在最大程度下发挥作用，在较多的适宜工况范围内提升跨临界二氧化碳系统整体性能。对带膨胀机的跨临界二氧化碳系统设计，提出了一种创新性方法，具有良好的参考价值。
附图说明
53.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
54.图1为本发明一种新能源车用跨临界co2并行压缩系统的结构示意图；
55.图2为本发明一种新能源车用跨临界co2并行压缩系统的容量配比方法的流程框图；
56.图3为辅助回路计算方法的流程框图；
57.图4为主回路计算方法的流程框图。
具体实施方式
58.下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
59.以下详细说明均是示例性的说明，旨在对本发明提供进一步的详细说明。除非另有指明，本发明所采用的所有技术术语与本发明所属领域的一般技术人员的通常理解的含义相同。本发明所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而并非意图限制根据本发明的示例性实施方式。
60.实施例1
61.请参阅图1所示，本发明提供一种新能源车用跨临界co2并行压缩系统，包括跨临界二氧化碳主回路100和辅助回路200。
62.跨临界二氧化碳主回路100中：主循环co2压缩机11出口连接co2气体冷却器12进口，气体冷却器12出口连接co2过冷器13的第一进口，co2过冷器13的第一出口连接co2膨胀机14的进口，co2膨胀机14的出口连接co2蒸发器15，co2蒸发器15的出口通过气液分离器16连接主回路co2压缩机11的进口。
63.辅助回路200中：辅助回路co2压缩机21出口连接co2气体冷却器12的进口，气体冷却器12的出口连接co2过冷器13的第一进口，co2过冷器13的第一出口连接节流阀22，节流阀22连接co2过冷器13第二入口，co2过冷器13第二出口连接辅助回路co2压缩机21进口。
64.实施例2
65.请参阅图2到图4所示，本发明还提供一种新能源车用跨临界co2并行压缩系统的容量配比方法，包括以下步骤：
66.s1、采集风量环境湿度、跨临界co2并行压缩系统中所有部件结构尺寸、蒸发器风量；
67.s2、设定计算过程中的所有固定参数，包括：最小进风温度t
in,min
，最大进风温度t
in,max
，进风温度变化步长δt1，最小出风温度t
out,min
，最大出风温度t
out,max
，出风温度变化步长δt2，最小环境温度t
en,min
，最大环境温度t
en,max
，环境温度变化步长δt3，最小膨胀机容积v
min
，最大膨胀机容积v
max
，膨胀机容积变化步长δv；
68.s3、接下来开始进行计算过程，分别预设膨胀机容积、进风温度和环境温度为设计的最小值，通过主回路计算子方法计算气体冷却器侧进出口温度，过冷器进出口温度，主回路制热量，制冷量，总功耗；
69.s4、通过辅助回路优化子方法计算辅助回路系统cop，制热量，制冷量，功耗；
70.s5、在出风温度稳定的情况下，输出新能源车用跨临界co2并行压缩系统总制热量、功耗与整机系统cop。
71.s6、在可调整范围内调整进风温度、出风温度以及环境温度，从而得到该膨胀机容积对应的整个工况范围内的工况覆盖率；调整膨胀机容积在适宜调整范围内变化，得到整个范围内工况覆盖率最高的膨胀机容积，认定该最高的膨胀机容积为新能源车用跨临界co2并行压缩系统最优膨胀机容积。最后结束容量配比方法。
72.请参阅图3所示，该图为辅助回路计算子方法。采集气体冷却器的进风温度，出风温度，风量，环境温度，空气相对湿度，辅助循环系统中所有部件的结构尺寸，吸气过热度；之后设定计算过程中的所有固定参数，包括：最小吸气压力p
suc,min
，吸气压力调整步长dp1，最小排气压力p
dis,min
，排气压力调整步长dp2，焓和质量流量许可误差δe
h
，δe
m
；接下来开始迭代计算过程，分别预设定吸气压力与排气压力为各自能达到的最小值，因此在吸气压力和过热度均已知的状态下通过压缩机计算模型模拟压缩过程，得到排气温度、压缩机功耗、通过压缩机的质量流量m
com
；将压缩机出口的所有热力学参数赋予气体冷却器进口，通过气体冷却器计算模型模拟换热过程，得到气体冷却器出口的制冷剂压力、温度、焓值h
gas,out
以及制热量；同时，将压缩机吸气口的所有热力学参数赋予过冷器出口，通过过冷器计算模型模拟换热过程，并得到过冷器进口的制冷剂温度、压力、焓值h
sub,in
以及制冷量；逐步升高排气压力假设值直到h
gas,out
与h
sub,in
的焓差小于许可误差，再通过节流阀的阀前阀后工况已知条件和节流阀模型模拟出节流过程，计算出通过膨胀阀的流量m
val
；逐步提高吸气压力假设值直到m
com
与m
val
的差值小于许可误差，之后输出制热量、压缩机功率、辅助循环系统cop。结束辅助回路优化子方法。
73.请参阅图4所示，该图为主回路计算子方法。采集气体冷却器的进风温度，出风温度，风量，环境温度，空气相对湿度，带膨胀机的跨临界二氧化碳并行压缩系统中所有部件的结构尺寸，膨胀机容积；之后设定计算过程中的所有固定参数，最小吸气压力δp
suc,min
，吸气压力调整步长dp1，最小排气压力δp
dis,min
，排气压力调整步长dp2，最小吸气过热度δt
o
，吸气过热度调整步长dt，焓、质量流量和密度许可误差δe
h
，δe
m
，δd；膨胀机和压缩机同轴运行，转速相同，膨胀机输出功作用于压缩机减少压缩机功耗；接下来开始迭代计算过程，分别预设定吸气压力、排气压力和吸气过热度为各自可能达到的最小值，因此在吸气压力即过热度均已知的状态下可以通过压缩机计算模型模拟压缩过程，得到排气温度、压缩机功耗、通过压缩机的质量流量m
com
；将压缩机出口的所有热力学参数赋予气体冷却器进
口，由于压力、温度、流量均已知，通过气体冷却器计算模型模拟换热过程，得到气体冷却器出口的制冷剂压力、温度、焓值h
gas,out
以及制热量；将气体冷却器出口状态赋予过冷器进口，通过过冷器计算模型得到过冷器出口压力、温度和焓值h
sub,out
；将过冷器出口状态赋予膨胀机进口，求解膨胀机进口密度d1,通过膨胀机计算模型求得膨胀机出口焓值h
exp,out
。同时，将压缩机吸气口的所有热力学参数赋予蒸发器出口，通过蒸发器计算模型模拟蒸发器内的换热过程，并得到蒸发器进口的制冷剂温度、压力、焓值h
evap,in
以及制冷量；逐步升高吸气过热度假设值直到h
exp,out
与h
evap,in
的焓差小于许可误差；再通过膨胀机的进出口工况已知条件和膨胀机模型模拟出膨胀过程，计算出通过膨胀机的流量m
exp
，逐步提高吸气压力假设值直到m
com
与m
exp
的差值小于许可误差；由于膨胀机和压缩机同轴转动，在预设膨胀机容积下容积比已知，通过压缩机进口条件可求得膨胀机进口密度d2，逐步调节排气压力假设值直到d1和d2的差值小于许可误差；之后输出制热量、主循环功耗，再结合辅助回路制热量、功耗得到整机系统cop值。结束主回路计算子方法。
74.由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。