《International Communications in Heat and Mass Transfer》：Transcritical CO? refrigeration cycle modifications: thermodynamic performance, practical challenges and future directions
编辑推荐：
二氧化碳（CO?，R744）已成为一种领先的天然制冷剂替代方案，这得益于其可忽略的臭氧消耗潜能（ODP）、为1的全球变暖潜能（GWP）、化学稳定性以及良好的传热特性。然而，CO?的低临界温度（31.1 °C）和高临界压力（7.38 MPa）在跨临界运行条件下造
二氧化碳（CO?，R744）已成为一种领先的天然制冷剂替代方案，这得益于其可忽略的臭氧消耗潜能（ODP）、为1的全球变暖潜能（GWP）、化学稳定性以及良好的传热特性。然而，CO?的低临界温度（31.1 °C）和高临界压力（7.38 MPa）在跨临界运行条件下造成了显著的热力学惩罚，包括升高的节流损失、较高的最优排气压力以及气体冷却器和膨胀装置中大量的?（exergy）破坏。这些限制在中高温环境温度条件下尤为突出，实验报道的性能系数（COP）降幅最高可达38%。
本文对跨临界CO?蒸气压缩制冷系统的效率提升改进方案进行了全面且批判性的综述，综合了近期文献中的实验研究、现场研究和模拟研究。所综述的改进方案被系统地分为四类：传热强化、膨胀功回收、循环架构与制冷剂管理改进，以及工质与混合循环改进。针对每一类，均对其潜在的热力学机制、已报道的性能提升、实际实施考虑因素以及固有权衡进行了批判性评估。
综述表明，COP的提升幅度因所采用的改进策略和运行条件不同而差异显著，性能增益通常低于50%，但在超低温运行条件下记录到了高达207%的显著增益。膨胀功回收装置，包括引射器（ejector）、机械膨胀机（mechanical expander）和旋转压力交换器（rotary pressure exchanger），能够持续降低节流不可逆性，而并联压缩和两级压缩配置在高环境温度和低蒸发温度条件下可提升性能。过冷技术和内部换热器（IHX）在各种运行条件下提供了适中但可靠的增益。基于CO?的制冷剂混合物以及压缩-吸收循环为降低压力和提升COP提供了有前景的路径，但实际部署仍受限于系统复杂性和有限的长期实验数据。研究结果强调，没有任何单一改进方案能在所有运行条件下普遍优化性能，而结合互补策略的混合配置持续展现出更优的结果。未来研究重点已确定，包括瞬态和部分负荷性能表征、基于?（exergy）的综合系统优化，以及先进组件在实际运行条件下的长期可靠性验证。
1. 引言
制冷与空调系统在全球能源消耗和温室气体（GHG）排放中占有重要份额。根据国际制冷学会（IIR），冷却应用约占全球能源消耗的20%和全球CO?当量排放的7.5%，涵盖直接制冷剂泄漏和发电产生的间接排放。随着全球气温升高、快速城市化和电气化，冷却需求预计将显著上升，提高制冷系统能效同时最小化其环境影响已成为关键的工程和政策优先事项。
蒸气压缩制冷（VCR）循环仍是商业、工业和住宅领域的主导冷却技术。历史上，VCR系统严重依赖合成制冷剂，包括氯氟烃（CFCs）、氢氯氟烃（HCFCs）和氢氟烃（HFCs）。尽管这些工质具有有利的热力学性质，但其高臭氧消耗潜能（ODP）和全球变暖潜能（GWP）已导致其在国际环境协议下逐步淘汰。《蒙特利尔议定书》基加利修正案要求到2050年全球逐步削减约80%的高GWP HFCs，而欧盟F-gas法规施加了日益严格的GWP限值和泄漏控制。这些监管压力加上日益增长的环保意识，加速了向低GWP制冷剂的过渡，并重新激发了人们对天然工质的兴趣，包括氨（R717）、碳氢化合物（HCs）、水（R718）和二氧化碳（R744）。
在天然制冷剂中，二氧化碳（CO?，R744）已成为特别引人注目的替代方案。CO?具有可忽略的ODP、为1的GWP、化学稳定性、不可燃性和良好的传热特性。R744在ANSI/ASHRAE 34标准下也被归类为A1制冷剂，表明在规定制冷剂安全分类标准下具有低毒性和无火焰传播。然而，在密闭或通风不良的空间中大量制冷剂释放可能产生危险暴露条件并损害呼吸。美国国家职业安全与健康研究所规定CO?的立即威胁生命或健康浓度为40,000 ppm。因此需要适当的通风、泄漏检测、泄压措施以及遵守适用的制冷安全要求。其高容积制冷能力可实现紧凑的压缩机设计和减小的换热器占地面积，增强成本竞争力，尤其在商业制冷应用中。
尽管有这些优势，CO?制冷系统面临由低临界温度（31.1 °C）和高临界压力（7.38 MPa）引起的基本热力学挑战，这些特性从根本上改变了相对于传统亚临界系统的循环行为。在中等到温暖气候下，热排斥发生在临界点以上的超临界区域，即称为跨临界运行的状况，其中高压换热器作为气体冷却器而非冷凝器运行。在这些条件下，最优排气压力对环境温度高度敏感，节流过程和超临界热排斥过程中都会产生显著的热力学不可逆性。
跨临界运行的性能惩罚已被充分记录。Wang等人报道，在CO?移动空调系统中，环境温度从27 °C升至45 °C导致COP降低38%。超市制冷的比较现场研究进一步表明，在34 °C环境条件下，CO?系统比基于HFC的系统能耗高出多达30%。这些效率惩罚主要归因于跨临界运行固有的压缩比增加、最优排气压力升高和大量节流损失。
为解决这些热力学限制，广泛的研究工作已调查了各种循环改进和优化策略。提出的改进方案包括内部换热器（IHX）、专用机械过冷、蒸发式气体冷却、闪蒸气旁通（FGB）、并联压缩、带经济器的两级压缩、基于引射器的膨胀功回收、机械膨胀机、旋转压力交换器和基于CO?的制冷剂混合物。虽然许多研究在特定运行条件下报道了可测量的COP改进，但报道的性能增益因环境温度、蒸发温度、系统配置和控制策略的不同而差异很大。此外，许多研究仅依赖无实验验证的稳态模拟，跨研究比较经常受不一致的基线定义和不同边界条件的限制。
本综述批判性地评估了为跨临界CO?蒸气压缩制冷系统开发的主要效率提升改进策略。通过综合理论、基于模拟和实验发现，综述聚焦于与每种策略相关的热力学性能机制、实际实施考虑和固有权衡。主要目标是提供一份整合且经批判性评估的参考，以指导未来研究方向并为工业系统设计决策提供信息。
2. 文献检索方法
进行了结构化文献检索以识别与跨临界CO?蒸气压缩制冷系统效率提升改进相关的研究。系统检索了包括Scopus、Web of Science和Google Scholar在内的电子数据库，使用关键词组合包括"transcritical CO? refrigeration"、"R744 cycle modification"、"CO? ejector refrigeration"、"parallel compression CO?"、"mechanical subcooling R744"、"two-stage CO? compression"和"CO? refrigerant blends"。补充定向检索用于识别与循环热力学、监管和安全方面相关的基础性和背景性文献。文献检索在稿件准备期间定期更新，最终更新于2026年7月完成。此外，检索不受出版年份限制，但重点放在2015年至2025年间发表的研究以确保与当前系统设计和监管背景的相关性。2015年之前发表的研究在代表各技术领域基础性工作时被纳入。
合并数据库和补充检索后，识别出236篇潜在相关文献。重复检查移除了16条记录，剩余220条唯一记录进行筛选。根据预定义的资格标准评估标题、摘要以及必要时全文。纳入要求研究至少涉及跨临界CO?循环的一种明确定义的热力学改进，并报告定量性能指标，包括性能系数（COP）、制冷能力、?效率或能耗。若研究仅关注亚临界CO?运行、仅涉及制冷剂选择而无循环改进，或未提供足够的方法学细节以评估结果可靠性，则被排除。筛选后排除107条记录，最终综述保留113个来源。
实验和基于模拟的研究均被纳入。然而，仅模拟的研究被明确识别，其发现以适当谨慎态度解释，特别是在缺乏实验验证的情况下。为进一步区分支持证据的成熟度，保留文献被分类为现场/商业、实验、混合实验-数值、数值/理论或综述/背景文献。在113个保留来源中，96个为原始研究，17个提供综述或背景支持。数值/理论研究代表最大的原始证据类别，突显了基于建模研究的持续主导地位，强调了进一步实验和现场规模验证的必要性。
3. 跨临界CO?制冷循环
3.1. 循环描述
基本跨临界CO?制冷循环及相应p-h图已给出。以下假设适用：气体冷却器和蒸发器零压降、气体冷却器出口温度30 °C、蒸发温度0 °C、零过热度。循环包含四个热力学过程：压缩（1→2），低压气态制冷剂被压缩至超过7.38 MPa的超临界压力，温度显著升高；热排斥（2→3），超临界制冷剂流经气体冷却器进行无相变的显热排斥；膨胀（3→4），高压制冷剂通过节流阀膨胀，压力急剧下降，制冷剂以液-汽混合物形式排出；蒸发（4→1），低压两相制冷剂在恒压下从热源吸收热量，在重新进入压缩机前达到饱和蒸气。
3.2. 运行特性
在跨临界CO? VCR系统中，高压侧在临界压力以上运行，热排斥发生在气体冷却器而非冷凝器中。冷却COP使用公式估算，其中h?为蒸发器出口焓，h?为压缩机排气焓，h?为膨胀装置下游的制冷剂焓。
与亚临界循环不同，最优排气压力不由饱和条件固定，而必须针对每组运行条件进行优化。Wang等人报道，最优高压侧压力随气体冷却器出口温度显著增加，直接影响压缩比和比功。
超临界热排斥的特征是连续温度滑移和准临界温度附近比热的强烈变化。气体冷却器传热速率由公式给出，其中Q?gc为气体冷却器排热量，?为制冷剂质量流量，h?为气体冷却器出口制冷剂焓。由于CO?的比热在准临界区域附近急剧峰值，压力变化显著改变气体冷却器内的温度分布，导致非线性传热特性、夹点敏感性和熵增增加。Zendehboudi报道，将排气压力增加至最优值8.4 MPa可增强传热，实现制冷能力增加和出口压力降低。
常规膨胀过程是等焓且高度不可逆的。相关?破坏可表示为，其中T?为环境温度，?为质量流量，S?和S?分别代表膨胀装置前后的制冷剂熵。膨胀损失随排气压力增加而增加，因此在高环境温度条件下尤为显著。
R744运行压力通常比常规制冷剂高五到十倍，需要稳健的系统设计、专用材料以及加固的管道和换热器组件以确保安全运行。因此，升高的压力增加了CO?制冷系统的资本成本和工程复杂性。
系统性能受环境温度强烈影响。随着环境温度升高，气体冷却器出口温度上升，这相应增加最优排气压力和压缩比，导致压缩功增加和效率降低。Wang等人报道，环境温度从27 °C升至45 °C导致CO?移动空调系统制冷能力降低21%，COP降低38%。超市制冷比较研究表明，在34 °C环境温度下，R744系统比R448A系统能耗高27.7%和27.96%（分别针对开放式和封闭式展示柜），而在40 °C环境温度下，R744系统根据商店配置能耗降低24%和30%。
在可比运行条件下，常规亚临界蒸气压缩循环理论上比基本跨临界CO?循环更高效，因为超临界热排斥和膨胀损失带来额外不可逆性。尽管如此，CO?提供若干补偿优势，包括可忽略的GWP、高容积制冷能力和良好的传热特性，使其成为制冷、热泵和空调应用中有吸引力的工质。
4. 传热强化
4.1. 内部换热器
内部换热器（IHX）是改善跨临界CO?蒸气压缩制冷循环热力学性能研究最广泛的循环改进策略。IHX通过过冷离开气体冷却器的高压制冷剂同时过热来自蒸发器的低压制冷剂来实现内部能量回收。这种内部热回收增加了单位制冷效应，降低了最优排气压力，并可改善系统COP。
IHX集成的热力学效益源于高压制冷剂过冷导致的制冷效应增加以及膨胀阀入口蒸气品质的降低。吸气蒸气的过热也防止液态制冷剂进入压缩机，提高运行可靠性。然而，IHX性能受压缩机边界条件约束：虽然IHX集成在无约束系统中可将最优排气压力降低并额外改善COP约5%，但吸气温度过度升高可能触发压缩机限制，可能导致COP降低高达58%。在三种气候等级——等级3（25 °C，60%相对湿度）、等级4（30 °C，55%相对湿度）和等级7（35 °C，75%相对湿度）下，Casi等人报道COP改进分别为6.8%、8.5%和13.3%，相应制冷能力增强分别为4.9%、7.1%和10.4%。
从热力学角度看，IHX的性能影响可使用Aprea等人提出的简化准则评估，该准则评估额外过冷效应是否超过增加的压缩功。
