雙流體噴射制冷系統(tǒng)理論研究

劉成炎 閆繼位 陳 琪 陳光明

(1浙江大學(xué)制冷與低溫研究所 杭州 310027)(2浙江省制冷與低溫技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 杭州 310027)

雙流體噴射制冷系統(tǒng)理論研究

劉成炎1，2閆繼位1，2陳 琪1，2陳光明1，2

(1浙江大學(xué)制冷與低溫研究所 杭州 310027)(2浙江省制冷與低溫技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 杭州 310027)

為了提高噴射制冷系統(tǒng)的制冷系數(shù)，提出雙流體噴射制冷系統(tǒng)。雙流體噴射制冷系統(tǒng)的循環(huán)工質(zhì)為非共沸混合工質(zhì)，在高沸點(diǎn)工質(zhì)中添加低沸點(diǎn)工質(zhì)利用非共沸混合工質(zhì)變溫蒸發(fā)/冷凝的特性提高系統(tǒng)COP。采用熱力計(jì)算的方法對(duì)比研究了新系統(tǒng)和常規(guī)系統(tǒng)的熱力學(xué)性能，同時(shí)還研究了蒸發(fā)溫度、升壓比對(duì)新系統(tǒng)制冷系數(shù)COP的影響。研究結(jié)果表明，在相同工況下，新系統(tǒng)的COP比常規(guī)系統(tǒng)高28%—65%，并且，較之于常規(guī)系統(tǒng)，新系統(tǒng)在較低蒸發(fā)溫度下有更優(yōu)越的性能。新系統(tǒng)的COP隨著蒸發(fā)溫度的升高而升高，隨著升壓比的升高而降低。

雙流體 混合工質(zhì) 噴射器 制冷系數(shù)

1 引 言

噴射制冷技術(shù)是低品位熱驅(qū)動(dòng)制冷的一種，噴射制冷技術(shù)能夠利用廢熱、余熱等低品位能源的特點(diǎn)使它成為當(dāng)前制冷技術(shù)研究熱點(diǎn)之一。1901年，LeBlanc和Parsons設(shè)計(jì)出首臺(tái)噴射制冷系統(tǒng)，20世紀(jì)30年代，噴射制冷系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于大型建筑，但隨后被效率更高的壓縮式制冷系統(tǒng)取代[1]。自此，噴射器的研究進(jìn)展緩慢。隨著近幾十年來(lái)，各國(guó)學(xué)者“節(jié)能減排”意識(shí)的提高，噴射制冷技術(shù)又逐漸成為研究的熱門(mén)。噴射制冷技術(shù)的主要缺點(diǎn)是制冷系數(shù)(COP)不高，常規(guī)噴射制冷系統(tǒng)的COP一般只有0.2—0.5[2]。為了提高噴射制冷系統(tǒng)的COP，很多學(xué)者從改進(jìn)系統(tǒng)和制冷劑兩方面進(jìn)行了研究。

1957年，Mizrahi[3]等學(xué)者首先將氟利昂工質(zhì)引入噴射制冷系統(tǒng)。研究結(jié)果表明，較之于水蒸汽噴射制冷系統(tǒng)，采用氟利昂為工質(zhì)的噴射制冷系統(tǒng)能夠得到更低的制冷溫度，同時(shí)系統(tǒng)的發(fā)生溫度也降到100 ℃以下。驅(qū)動(dòng)溫度要求的降低，使噴射制冷系統(tǒng)能夠利用溫度更低的低品位熱。Holton[4]的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明，當(dāng)采用分子量較大的工質(zhì)時(shí)，噴射制冷循環(huán)的性能較好。Sun[5]等針對(duì)多種制冷劑的工作效率進(jìn)行了研究，對(duì)比了多種制冷劑在相同工況下的工作情況。為了獲得物理性質(zhì)更加理想的制冷劑，張于峰[6-8]等人嘗試將混合制冷劑應(yīng)用在噴射制冷系統(tǒng)中，提出了“雙元工質(zhì)噴射制冷系統(tǒng)”。張的研究成果表明，在雙元工質(zhì)噴射制冷系統(tǒng)中，選擇合適的混合工質(zhì)可以實(shí)現(xiàn)壓縮比的降低，從而突破噴射系統(tǒng)低壓縮比的固有局限；同時(shí)，在高沸點(diǎn)工質(zhì)中添加低沸點(diǎn)工質(zhì)可以使系統(tǒng)達(dá)到更低的蒸發(fā)溫度。Tan[9]等人提出了應(yīng)用R32/R236fa混合制冷劑的自動(dòng)級(jí)聯(lián)噴射制冷系統(tǒng)，采用混合制冷劑使該系統(tǒng)在-30 ℃的低蒸發(fā)溫度下都能正常運(yùn)行Schutte&Koerting公司的研究表明[10]：多級(jí)噴射制冷系統(tǒng)可以獲得更低的蒸發(fā)溫度，同時(shí)可以使噴射式制冷系統(tǒng)在高冷凝溫度下運(yùn)行。

基于上述研究成果，將混合制冷劑R134a/R32應(yīng)用于兩級(jí)噴射制冷系統(tǒng)，提出了雙流體噴射制冷系統(tǒng)。新系統(tǒng)的性能比常規(guī)兩級(jí)噴射制冷系統(tǒng)更加優(yōu)越，并且，新系統(tǒng)在低蒸發(fā)溫度、高冷凝溫度的極限工況下有良好的表現(xiàn)。

2 雙流體噴射制冷系統(tǒng)

雙流體噴射制冷系統(tǒng)的系統(tǒng)圖如圖1所示。

圖1 雙流體噴射制冷系統(tǒng)圖Fig.1 System diagram of ejector refrigeration system with binary fluids

區(qū)別于張?zhí)岢龅碾p元工質(zhì)噴射制冷系統(tǒng)，雙流體噴射制冷系統(tǒng)是一個(gè)兩級(jí)噴射制冷系統(tǒng)。將混合制冷劑應(yīng)用于兩級(jí)噴射制冷系統(tǒng)是一個(gè)全新的研究方向。拉烏爾定律指出，氣液分離器中的混合氣體含有更多的低沸點(diǎn)工質(zhì)、混合液體含有更多的高沸點(diǎn)工質(zhì)。在雙流體噴射制冷系統(tǒng)的高壓級(jí)和低壓級(jí)，兩種工質(zhì)的配比并不相同，即低壓噴射器中的工作流體和引射流體是兩種不同配比的工質(zhì)，所以將新系統(tǒng)命名為雙流體噴射制冷系統(tǒng)。工作流體中含有更多高沸點(diǎn)工質(zhì)，引射流體中含有更多低沸點(diǎn)工質(zhì)，循環(huán)的這個(gè)特點(diǎn)可以減小系統(tǒng)的壓縮比，改善系統(tǒng)性能。

雙流體噴射制冷系統(tǒng)的具體工作流程為：高沸點(diǎn)工質(zhì)在低壓發(fā)生器中吸熱生成高壓氣體，作為工作流體進(jìn)入低壓級(jí)噴射器引射蒸發(fā)器中的低沸點(diǎn)工質(zhì)，低沸點(diǎn)工質(zhì)被引射升壓到中間壓力，并在低壓級(jí)噴射器中與高沸點(diǎn)工質(zhì)混合后經(jīng)過(guò)低壓級(jí)冷凝器冷凝放熱，進(jìn)入氣液分離器。氣液分離器中的高沸點(diǎn)液體工質(zhì)通過(guò)低壓級(jí)泵加壓進(jìn)入低壓級(jí)發(fā)生器，氣液分離器中的低沸點(diǎn)氣體工質(zhì)被高壓級(jí)發(fā)生器出口高壓的低沸點(diǎn)工質(zhì)引射升壓通入高壓級(jí)冷凝器冷凝放熱。高壓級(jí)冷凝器出口的低沸點(diǎn)液體工質(zhì)分為兩股，其中一股通過(guò)高壓級(jí)泵在高壓級(jí)發(fā)生器中吸熱成為高壓氣體；另一股經(jīng)過(guò)節(jié)流元件后進(jìn)入蒸發(fā)器蒸發(fā)吸熱獲得制冷量。

3 新系統(tǒng)的熱力計(jì)算

3.1 噴射器

噴射系數(shù)是噴射器的主要性能指標(biāo)之一。在數(shù)值上表示為引射流體與工作流體質(zhì)量流量之比，定義式為[11]：

(1)

式中:GH為引射流體質(zhì)量流量，kg/s;GP為工作流體質(zhì)量流量,kg/s。

當(dāng)已知工作流體和引射流體的狀態(tài)參數(shù)及噴射器的出口壓力時(shí)，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)可以得到計(jì)算噴射系數(shù)的基本方程：

(2)

式中:K為速度系數(shù)，K1為工作流體的速度系數(shù)，K2為引射流體的速度系數(shù)。K的計(jì)算公式如下：

K1=φ1φ2φ3

(3)

K2=φ2φ3φ4

(4)

(5)

(6)

式中:φ1為工作噴嘴速度系數(shù)，φ2為混合室速度系數(shù)，φ3為擴(kuò)散器速度系數(shù)，φ4為混合室入口段速度系數(shù)。

(7)

qH2=

(8)

當(dāng)在s-s截面上引射流體達(dá)到臨界速度時(shí)，有qHS=qH*=1，此狀態(tài)叫第二極限狀態(tài)，對(duì)應(yīng)的噴射系數(shù)用下式求得：

(9)

氣體動(dòng)力函數(shù)如下：

(10)

(11)

式中：aP*為工作流體臨界速度, m/s;aH*為引射流體臨界速度, m/s;aC*為混合流體臨界速度, m/s。參照?qǐng)D2，λPH為2-2截面工作流體、λH2為2-2截面引射流體、λC33-3截面混合流體的折算等熵速度, 均為無(wú)量綱參數(shù)。ΠC2為2-2截面上混合流體、ΠC3為3-3截面上混合流體、ΠH2為2-2截面上引射流體的相對(duì)壓力，均為無(wú)量綱參數(shù)。ΠP*為工作流體、ΠH*為引射流體、ΠC*為混合流體的臨界相對(duì)壓力。pP為工作流體壓力，Pa；pH為引射流體壓力，Pa；pC為混合流體的壓力，Pa。kP為工作流體絕熱指數(shù)、kH為引射流體絕熱指數(shù)、kC為混合流體的絕熱指數(shù)。qH2為2-2截面上引射流體、qC3為3-3截面上混合流體、qPH為2-2截面上工作流體、qPs為s-s截面上工作流體的折算質(zhì)量速度，均為無(wú)量綱參數(shù)。φ1、φ2、φ3、φ4取值分別為0.95、0.975、0.9、0.925。

部分物理量的下標(biāo)參考噴射器的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 噴射器計(jì)算結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.2 Computing structure diagram of ejector

計(jì)算噴射器噴射系數(shù)的具體流程圖如圖3所示。

圖3 噴射系數(shù)計(jì)算流程圖Fig.3 Flow chart for entrainment ratio calculation

3.2 各點(diǎn)焓值的計(jì)算

系統(tǒng)流程圖如圖1所示，圖中有12個(gè)節(jié)點(diǎn)，求出這12個(gè)節(jié)點(diǎn)的焓值，就可以算出各個(gè)部件的功率及系統(tǒng)的制冷系數(shù)。計(jì)算各點(diǎn)的焓值要從氣液分離器開(kāi)始計(jì)算，氣液分離器中高沸點(diǎn)工質(zhì)和低沸點(diǎn)工質(zhì)的配比是一個(gè)重要的參數(shù)。已知?dú)庖悍蛛x器中溶液配比C、壓力Pc、干度x，利用軟件EES調(diào)用Refprop可以計(jì)算出氣、液兩相各組分的摩爾分?jǐn)?shù)。

對(duì)整個(gè)循環(huán)進(jìn)行熱力計(jì)算時(shí)，還要進(jìn)行如下假設(shè)：(1)低壓級(jí)循環(huán)混合制冷劑各組分的摩爾分?jǐn)?shù)等于氣液分離器液相各組分的摩爾分?jǐn)?shù)；(2)高壓級(jí)循環(huán)混合制冷劑各組分的摩爾分?jǐn)?shù)等于氣液分離器氣相各組分的摩爾分?jǐn)?shù)；(3)高、低壓發(fā)生器的過(guò)熱度取5 ℃；(4)高壓冷凝器的過(guò)冷度取5 ℃；(5)蒸發(fā)器的過(guò)熱度取5 ℃；(6)制冷劑泵工作過(guò)程為等熵過(guò)程。

循環(huán)工質(zhì)各組分的摩爾分?jǐn)?shù)確定的情況下，就可以根據(jù)溫度T、壓力P、干度x等熱力學(xué)參數(shù)計(jì)算出各點(diǎn)的焓值。

3.3 系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)

高壓發(fā)生器功率：

Wgh=(h8-h12)×(u1/u2)

(12)

低壓發(fā)生器功率：

Wgl=(h1-h6)×1

(13)

高壓泵功率：

Wph=(h12-h11)×(u1/u2)

(14)

低壓泵功率：

Wpl=(h6-h5)×1

(15)

高壓冷凝器功率：

Wch=(h9-h10)×(u1+u1/u2)

(16)

低壓冷凝器功率：

Wcl=(h3-h4)×(u1+1)

(17)

蒸發(fā)器功率：

We=(h2-h13)×u1

(18)

制冷系數(shù)：

COP=We/(Wgh+Wgl+Wph+Wpl)

(19)

式中：W為各個(gè)部件的功率，kW；h1—h13為系統(tǒng)中各個(gè)點(diǎn)的焓值，kJ/kg；u1為低壓級(jí)噴射器的噴射系數(shù)；u2為高壓級(jí)噴射器的噴射系數(shù)。

4 結(jié)果的分析與討論

在進(jìn)行熱力計(jì)算時(shí)，蒸發(fā)溫度為0—15 ℃，高壓冷凝溫度為35 ℃、40 ℃。全壓縮比在兩級(jí)之間相等分配。低壓級(jí)噴射器的膨脹比取4，高壓級(jí)噴射器的膨脹比取3。單一工質(zhì)兩級(jí)噴射制冷系統(tǒng)的工質(zhì)為R134a，雙流體噴射制冷系統(tǒng)的工質(zhì)為R134a/R32，R134a與R32的質(zhì)量比為2。計(jì)算結(jié)果均基于此工況。

首先，對(duì)常規(guī)單一工質(zhì)兩級(jí)噴射制冷系統(tǒng)與新系統(tǒng)的熱力性能進(jìn)行了對(duì)比研究。當(dāng)冷凝溫度一定的時(shí)候，系統(tǒng)COP隨著蒸發(fā)溫度的變化趨勢(shì)如圖4所示。

圖4 常規(guī)系統(tǒng)與新系統(tǒng)性能對(duì)比圖Fig.4 Comparison for COP of conventional system and new system

由圖4可以看出，在相同的蒸發(fā)溫度、冷凝溫度下，R134a/R32雙流體系統(tǒng)的COP比R134a單一工質(zhì)系統(tǒng)提高了28%—65%。對(duì)于常規(guī)兩級(jí)噴射制冷系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，在低蒸發(fā)溫度高冷凝溫度的極限工況下幾乎不能運(yùn)行，采用R134a/R32混合工質(zhì)的雙流體噴射制冷系統(tǒng)可以提高系統(tǒng)的極限壓比，所以在該極限工況下具有更優(yōu)越的性能，所以雙流體噴射制冷系統(tǒng)的適用溫度范圍比常規(guī)兩級(jí)噴射制冷系統(tǒng)寬廣很多。從圖4中還可以看出，其他工況相同時(shí)，冷凝溫度越高，新系統(tǒng)和常規(guī)系統(tǒng)的COP均越低，符合制冷系統(tǒng)的一般規(guī)律。

此外，還對(duì)升壓比對(duì)系統(tǒng)COP的影響進(jìn)行了理論研究。通過(guò)假設(shè)高壓級(jí)冷凝壓力為1 755 kPa不變，蒸發(fā)壓力在600—1 000 kPa之間變化，實(shí)現(xiàn)升壓比在1.755—2.925之間變化。從圖5可以看出COP隨著系統(tǒng)升壓比的升高而降低。

圖5 升壓比對(duì)系統(tǒng)COP的影響Fig.5 Variation of COP with boost ratio

5 結(jié) 論

利用混合制冷劑的氣液分離滿(mǎn)足拉烏爾定律的特性，提出了一種新的兩級(jí)噴射制冷循環(huán)—雙流體噴射制冷循環(huán)。雙流體噴射制冷循環(huán)中的循環(huán)工質(zhì)是混合流體，在高沸點(diǎn)制冷劑中加入低沸點(diǎn)制冷劑可獲得性質(zhì)更加理想的制冷劑。新循環(huán)的特點(diǎn)是工作流體中含有更多的高沸點(diǎn)工質(zhì)、引射流體中含有更多的低沸點(diǎn)工質(zhì)，工作流體和引射流體組分含量的不同使得系統(tǒng)的熱力學(xué)性能更加優(yōu)越。本文采用熱力計(jì)算的方法研究了雙流體噴射制冷循環(huán)的性能，經(jīng)過(guò)熱力計(jì)算，得到以下結(jié)論：

(1)在相同工況下，雙流體噴射制冷系統(tǒng)COP高于常規(guī)噴射制冷系統(tǒng)COP，在蒸發(fā)溫度為0—10 ℃，冷凝溫度為35 ℃、40 ℃時(shí)，COP提高28%—65%。

(2)對(duì)于常規(guī)兩級(jí)噴射制冷系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，在低蒸發(fā)溫度高冷凝溫度的極限工況下幾乎不能運(yùn)行。采用R134a/R32混合工質(zhì)的雙流體噴射制冷系統(tǒng)可以提高系統(tǒng)的極限壓比，所以在該極限工況下新系統(tǒng)具有更優(yōu)越的性能，所以雙流體噴射制冷系統(tǒng)的適用溫度范圍比常規(guī)兩級(jí)級(jí)噴射制冷系統(tǒng)寬廣很多。

(3)其他工況相同時(shí)，系統(tǒng)的冷凝溫度越高，系統(tǒng)的COP越低；其他工況相同時(shí)，系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度越高，系統(tǒng)的COP越高，符合制冷系統(tǒng)的一般規(guī)律。

(4)采用改變蒸發(fā)壓力的方法改變系統(tǒng)升壓比，系統(tǒng)的COP隨著升壓比的升高而降低。

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A theoretical study on ejector refrigeration system with binary fluids

Liu Chengyan1，2Yan Jiwei1，2Chen Qi1，2Chen Guangming1，2

(1Institute of Refrigeration and Cryogenics,Zhejiang University,Hangzhou 310027, China)(2Key Laboratory of Refrigeration and Cryogenic Technology of Zhejiang Province，Hangzhou 310027, China)

In order to improve theCOPof ejector refrigeration system, ejector refrigeration system with binary fluids is proposed. The cycle fluid of ejector refrigeration system with binary fluids is non-azeotropic mixed refrigerants. A low boiling point refrigerant is added in a high boiling point refrigerant,by utilizing variable temperature evaporation / condensation properties of mixed refrigerant, theCOPof the new system is improved. The method of thermodynamic calculation is used to study the thermodynamic performance difference between the new system and the conventional system. The effects of evaporation temperature and the boost ratio onCOPof the new system is studied. Research results indicate that theCOPof the new system is 28%-65% larger than that of the conventional systems, and the lower the temperature the more advantageous the new system. TheCOPof the new system increases with the increase of evaporation temperature, and decreases with the increase of the boost ratio.

binary fluids;mixed refrigerant;ejector;COP

2016-04-18；

2016-06-01

國(guó)家自然科學(xué)基金(51376156)項(xiàng)目資助。

劉成炎，男，24歲，碩士。

TB66,TB61

A

1000-6516(2016)03-0011-06