空調(diào)制冷系統(tǒng)增壓節(jié)能裝置設(shè)計(jì)研究

牛 越，張靜雅，夏淯博，王 康，余雷模，王曉宗，劉益才

(中南大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙，410083)

1 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，制冷設(shè)備的需求量越來(lái)越大。2010年國(guó)內(nèi)空調(diào)年產(chǎn)量為8 800萬(wàn)套，冰箱年產(chǎn)量為5 800萬(wàn)套。我國(guó)目前的建筑能耗占社會(huì)總能耗的比重已經(jīng)達(dá)到30%，而空調(diào)能耗則占建筑能耗的40%～50%。據(jù)相關(guān)部門調(diào)查顯示每年因?yàn)檗k公室空調(diào)高能耗浪費(fèi)的電量占到建筑總能耗的5%—10%。中國(guó)發(fā)展研究基金會(huì)報(bào)告顯示，如不加以控制，按照現(xiàn)在的能耗水平，預(yù)計(jì)到2020年我國(guó)建筑空調(diào)夏季高峰負(fù)荷將相當(dāng)于10個(gè)三峽電站滿負(fù)荷力。

以上數(shù)據(jù)說(shuō)明，我國(guó)建筑能耗中，空調(diào)能耗很大，空調(diào)節(jié)能市場(chǎng)前景也十分廣闊。鑒于此，提出一種新型的噴射－壓縮式混合循環(huán)空調(diào)系統(tǒng)，以求降低壓縮機(jī)壓縮比，減小壓縮機(jī)的功耗，提高系統(tǒng)制冷效率，還可以間接達(dá)到減少二氧化硫、二氧化氮等有害氣體排放，也能減少溫室氣體二氧化碳的排放，有著積極的節(jié)能減排等多方面的意義。

2 國(guó)內(nèi)外噴射器制冷循環(huán)系統(tǒng)研究現(xiàn)狀與進(jìn)展

自從1939年德國(guó)的Flugel制造出第一臺(tái)公認(rèn)的噴射器以來(lái)，噴射器得到了廣泛的應(yīng)用。噴射器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)運(yùn)動(dòng)部件、安裝維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于氣體輸送、抽真空及制冷等領(lǐng)域，但同時(shí)也存在著一些不足，比如抽吸率較低等。

圖1 2006－2010全國(guó)家用冰箱及空調(diào)產(chǎn)量

國(guó)內(nèi)對(duì)蒸氣壓縮/噴射混合制冷循環(huán)的研究起步較晚，近年來(lái)，一些研究者［1，2，3，5－14］將噴射器引入蒸汽壓縮制冷循環(huán)，構(gòu)成噴射壓縮混合制冷循環(huán)，并已初步證實(shí)有較顯著的節(jié)能效果。國(guó)內(nèi)有學(xué)者根據(jù)雙溫冰箱的特點(diǎn)，提出另一種適用于冰箱系統(tǒng)的壓縮/噴射循環(huán)［4，8］。文獻(xiàn)［4］研究了空調(diào)系統(tǒng)的壓縮/噴射循環(huán)，采用改裝的KC－20空調(diào)機(jī)，壓縮機(jī)、蒸發(fā)器和冷凝器等主要部件均未改動(dòng)，只是將噴射器和汽液分離器接入系統(tǒng)，在室外側(cè)35℃/24℃室內(nèi)側(cè)27℃/19.5℃的工況下進(jìn)行了初步測(cè)試，能效比提高7.6%，平均制冷量提高4%。在冷庫(kù)中應(yīng)用帶熱力噴射器的中冷器取代傳統(tǒng)的蛇管式中冷器，提高了制冷裝置使用運(yùn)行的可靠性，降低了金屬消耗，簡(jiǎn)化了自動(dòng)控制系統(tǒng)，使整個(gè)制冷系統(tǒng)的性能得到了提高，同時(shí)經(jīng)濟(jì)性也得到了一定程度的改善，故對(duì)空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步的研究就顯得尤為必要。

3 空調(diào)增壓節(jié)能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

3.1 空調(diào)增壓節(jié)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

空調(diào)噴射增壓節(jié)能系統(tǒng)具體思路是:使冷凝器出來(lái)的高溫高壓液態(tài)制冷劑分兩路，一路作為工作流體直接進(jìn)入噴射器的噴嘴，另一路作為引射流體經(jīng)過(guò)節(jié)流在蒸發(fā)器中蒸發(fā)吸熱，工作流體在噴嘴內(nèi)加速降壓，壓能轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)能，形成局部真空，將引射流體“倒吸”入噴射器并與其混合，再在噴射器的擴(kuò)壓室內(nèi)減速升壓，使得動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)閴耗?，從而在制冷量不變的同時(shí)使制冷劑在進(jìn)入壓縮機(jī)前壓力大幅度升高，達(dá)到減小壓縮機(jī)壓縮比，進(jìn)而節(jié)能。

針對(duì)噴射器現(xiàn)有的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，設(shè)計(jì)出如圖2所示的基于雙效型空調(diào)的噴射器增壓節(jié)能系統(tǒng)。

3.2 空調(diào)增壓節(jié)能系統(tǒng)熱力學(xué)分析

以圖2為例進(jìn)行系統(tǒng)理論分析與熱力計(jì)算。其中增壓裝置應(yīng)用于空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工況:

蒸發(fā)溫度tgav=5℃;冷凝溫度tcon=40℃;過(guò)冷溫度 t3=29℃;壓縮機(jī)吸氣溫度 t1＇=15℃。壓縮機(jī)效率ηcom=0.92，噴嘴效率ηn=0.86，擴(kuò)壓管段效率 ηd=0.87，房間設(shè)定溫度27℃，環(huán)境溫度35℃。

選取現(xiàn)在常用的R22作為制冷工質(zhì)。為分析計(jì)算方便，只計(jì)算單位質(zhì)量(1kg)工質(zhì)的情況。

噴射系數(shù):

圖2 雙效型空調(diào)的噴射器增壓節(jié)能系統(tǒng)圖

壓縮機(jī)功耗:

蒸發(fā)器的制冷量:

等焓節(jié)流:

性能系數(shù):

容積制冷量:

噴射器計(jì)算公式:

效率公式:

增壓節(jié)能循環(huán)和簡(jiǎn)單循環(huán)性能計(jì)算如表1所示。

表1 混合循環(huán)與簡(jiǎn)單循環(huán)的性能比較

3.3 噴射器尺寸計(jì)算

依然按照上述設(shè)計(jì)工況和已經(jīng)得出的各種熱力學(xué)屬性值來(lái)對(duì)噴射器內(nèi)噴嘴和噴射器結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算［9，10］，在這里取 u=0.25，制冷功率 P=10kW。如圖3、圖4 所示。

圖3 噴嘴內(nèi)部形狀簡(jiǎn)圖

表2 噴嘴尺寸計(jì)算結(jié)果列表

表3 噴射器器體結(jié)構(gòu)尺寸計(jì)算結(jié)果列表

圖4 噴射器器體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

3.4 噴射器增壓裝置數(shù)值模擬分析

根據(jù)表2和表3的噴射器中噴嘴和噴射結(jié)構(gòu)體尺寸，運(yùn)用Gambit 2.3.16軟件對(duì)噴射器增壓裝置中最重要的部件——噴射器進(jìn)行了三維模擬，三維模擬圖如圖5所示。

圖5 Gambit軟件噴射器三維建模圖

在這里為了便于和前面計(jì)算分析對(duì)比，還是采用R22制冷介質(zhì)，依照3.1～3.3中熱力學(xué)計(jì)算，沿用空調(diào)制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)工況:蒸發(fā)溫度teva=5℃;冷凝溫度tcon=40℃;過(guò)冷溫度t3=35℃;壓縮機(jī)吸氣溫度t1=15℃。

根據(jù)R22物性參數(shù)表和上述計(jì)算得出如表4所示的模擬初始條件:

表4 噴射器流場(chǎng)模擬的初始條件

從圖6可以看出，噴射器出口的壓力比被引射壓力有較明顯的提高，這就從另外一個(gè)方面證實(shí)了壓縮－噴射混合制冷循環(huán)裝置在雙效空調(diào)系統(tǒng)中應(yīng)用的可行性。

3 結(jié)論

提出的增壓節(jié)能方案原理簡(jiǎn)單，與現(xiàn)有的制冷系統(tǒng)結(jié)合應(yīng)用方便，無(wú)需改變?cè)评湎到y(tǒng)中任何的部件，只需在適當(dāng)位置安裝一個(gè)噴射器即可，可操作性強(qiáng)，并且對(duì)原系統(tǒng)的動(dòng)力部分無(wú)要求。通過(guò)理論計(jì)算與模擬仿真，證明了噴射器對(duì)空調(diào)制冷循環(huán)系統(tǒng)也起到了良好的節(jié)能效果。由表2可以看出，增加了噴射器的新型混合增壓循環(huán)的性能，明顯比傳統(tǒng)簡(jiǎn)單循環(huán)的性能高，其中關(guān)鍵的技術(shù)參數(shù)COP提高了8.84%，Qv提高了7.70%。

圖6 Fluent軟件制冷劑在噴射器流動(dòng)壓力溫度模擬圖

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