非共沸分液冷凝噴射-壓縮式熱泵系統(tǒng)熱力學(xué)分析

管可立，沈安祥，楊樂，金蘇敏，楊興洋*,

（1-南京工業(yè)大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇南京 2118162；2-雙良集團(tuán)有限公司，江蘇江陰 214400）

0 引言

傳統(tǒng)蒸氣壓縮式熱泵系統(tǒng)中，節(jié)流過程會導(dǎo)致一定的節(jié)流損失[1-5]。KOMRNHAUSER[6]提出在蒸氣壓縮式系統(tǒng)中加入噴射器，以回收部分節(jié)流損失，提高壓縮機(jī)入口壓力，減少壓縮機(jī)耗功，提升系統(tǒng)的性能。CHUA等[7]對噴射-壓縮式熱泵和蒸氣壓縮式熱泵進(jìn)行了性能對比分析。結(jié)果表明，噴射-壓縮式熱泵性能可提升21%。YAN等[8]對噴射-壓縮式熱泵系統(tǒng)進(jìn)行了熱力學(xué)分析，并與壓縮式熱泵進(jìn)行了性能對比。結(jié)果表明，熱泵的性能系數(shù)（Coefficient of Performance，COP）、制熱量以及熱量輸出分別提升了15.3%、38.1%和52.8%。

工質(zhì)的選擇對于噴射-壓縮式熱泵系統(tǒng)的性能有著重要影響。非共沸工質(zhì)相比純工質(zhì)，在相變過程中具備溫度滑移的特性，可改善在換熱過程中的溫度匹配，提高換熱器的效率，以提升系統(tǒng)性能。楊為為等[9]采用13種非共沸工質(zhì)，對熱泵系統(tǒng)進(jìn)行了熱力學(xué)分析。結(jié)果表明，采用R161/R245fa時(shí)，COP達(dá)到最大值4.27，相比R152a、R161和RC270，COP分別提升了27.5%、27.1%和23.7%。JU等[10]采用非共沸工質(zhì)對熱泵系統(tǒng)進(jìn)行了熱力學(xué)分析。結(jié)果表明，當(dāng)R1233zd(E)/R1270的組分配比為16%/84%時(shí)，熱泵性能達(dá)到最佳，且與R22和R134a相比，COP提升分別了2.13%和10.14%。

有學(xué)者認(rèn)為冷凝過程中利用分液冷凝的方法可以提高熱力系統(tǒng)的性能[11-12]。LUO等[13]基于非共沸工質(zhì)，提出了一種分液冷凝有機(jī)朗肯系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，工質(zhì)在冷凝器中冷凝到一定干度進(jìn)行氣液分離，液體直接進(jìn)入蒸發(fā)器，氣體則繼續(xù)冷凝，完全冷凝后再進(jìn)入蒸發(fā)器。相比傳統(tǒng)的有機(jī)朗肯系統(tǒng)，該新型系統(tǒng)通過分液冷凝的方法，有效提高了換熱系數(shù)，從而提升系統(tǒng)的性能；同時(shí)，通過調(diào)整分液冷凝干度可調(diào)節(jié)液相和氣相的工質(zhì)組分[14-15]。

在此基礎(chǔ)上，本文提出了基于非共沸工質(zhì)的分液冷凝噴射-壓縮式熱泵系統(tǒng)，并對系統(tǒng)進(jìn)行熱力學(xué)分析；分析了工質(zhì)組分以及運(yùn)行工況對系統(tǒng)性能的影響以及系統(tǒng)各部件的損情況，最后與傳統(tǒng)噴射-壓縮式熱泵的性能進(jìn)行了對比。

1 分液冷凝噴射-壓縮式熱泵

圖1所示為分液冷凝噴射-壓縮式熱泵的系統(tǒng)原理。圖2所示為分液冷凝噴射-壓縮式熱泵T-s圖。該系統(tǒng)由蒸發(fā)器、壓縮機(jī)、冷凝器、氣液分離器、噴射器和節(jié)流閥組成。從壓縮機(jī)出來的高溫高壓氣態(tài)工質(zhì)在高溫冷凝器中進(jìn)行冷凝，冷凝到一定干度時(shí)，進(jìn)入氣液分離器實(shí)現(xiàn)氣液分離，圖2中4點(diǎn)為氣液分離點(diǎn)，液體進(jìn)入節(jié)流閥，節(jié)流后進(jìn)入低溫蒸發(fā)器，完全蒸發(fā)后作為引射流體進(jìn)入噴射器吸入室；剩余的氣體，進(jìn)入低溫冷凝器繼續(xù)冷凝，完全冷凝后作為工作流體進(jìn)入噴射器噴嘴。工作流體在噴嘴的作用下速度增大、且壓力降低，引射低溫蒸發(fā)器出口的引射流體進(jìn)入引射室，二者在等壓混合室混合后，經(jīng)過擴(kuò)壓室增壓減速后排出噴射器，噴射器出口的氣液兩相工質(zhì)，進(jìn)入高溫蒸發(fā)器繼續(xù)等壓蒸發(fā)，達(dá)到飽和或過熱狀態(tài)后進(jìn)入壓縮機(jī)，至此，完成一個(gè)完整的系統(tǒng)。

圖1 分液冷凝噴射-壓縮式熱泵的系統(tǒng)原理

圖2 分液冷凝噴射-壓縮式熱泵T-s圖

相比噴射-壓縮式熱泵，新型系統(tǒng)使用非共沸工質(zhì)，通過選取合適的工質(zhì)組元，可降低系統(tǒng)壓力，同時(shí)通過改變高溫冷凝器出口干度，可調(diào)節(jié)工作流體和引射流體的組分，改善工質(zhì)在換熱過程中的溫度匹配，提高系統(tǒng)的性能。

2 熱力學(xué)模型

2.1 噴射器模型

噴射器由噴嘴、吸入室、混合室以及擴(kuò)壓室4部分組成，其噴射過程h-s圖如圖3所示。本文引用CHEN等[16]提出的噴射模型，對系統(tǒng)展開理論分析。針對噴射模型，做出以下假設(shè)：1）噴射器內(nèi)流體視為一維穩(wěn)態(tài)流體；2）工作流體在噴嘴入口處、引射流體在吸入室入口處及混合流體在擴(kuò)壓室出口處的動能可以忽略不計(jì)；3）分別用噴嘴中的等熵效率ηn、混合室的等熵效率ηm和擴(kuò)壓室的等熵效率ηd來計(jì)算噴射器內(nèi)的能量損失。

圖3 噴射過程h-s圖

噴射的等熵效率定義為：

式中，h9為噴嘴進(jìn)口處比焓值，kJ/kg。

由于引射流體在吸入室的流速較低，本文忽略這部分損失，將該過程視為等熵過程。

混合室的等熵效率定義為：

式中，um、uma為混合流體在混合室出口的實(shí)際流速和理想流速，m/s。

擴(kuò)壓室的等熵效率定義為：

噴射器的引射率定義為：

面積比對于引射流體的壓降有重要的影響，是影響噴射器性能的重要結(jié)構(gòu)參數(shù)之一[17]。其定義為混合室截面和噴嘴喉部截面的恒定面積比：

根據(jù)所定義的三個(gè)區(qū)域的效率，再結(jié)合噴射器內(nèi)的能量、質(zhì)量與動量守恒關(guān)系，可得到噴射器的實(shí)際工作參數(shù)。在噴射器效率的取值上，參考已公開的噴射器相關(guān)文獻(xiàn)。噴嘴效率根據(jù)LI等[18]的研究，取ηn=0.7；混合區(qū)效率根據(jù)YU等[19]的研究，取ηm=0.95；擴(kuò)壓區(qū)效率根據(jù)HE等[20]的研究，取ηd=0.8。

2.2 能量分析

高溫冷凝器的制熱量可表示為：

式中，mt為工作流體和引射流體混合后的質(zhì)量流量，kg/s。

低溫冷凝器的制熱量可表示為：

式中，mp為工作流體的質(zhì)量流量，kg/s。

壓縮機(jī)所做的功可表示為：

該系統(tǒng)的COP為：

式中，T0為環(huán)境溫度，℃。

環(huán)境溫度為25 ℃，環(huán)境壓力設(shè)為0.101 3 MPa，壓縮機(jī)效率為75%。工質(zhì)采用R290/R600a，其總流量為1 kg/s，冷凝水的進(jìn)水溫度和流量分別為60 ℃和10 g/s，低高溫蒸發(fā)器的進(jìn)水溫度分別為40 ℃和50 ℃，蒸發(fā)器和冷凝器的窄點(diǎn)溫差分別設(shè)定為8 ℃和10 ℃。為了便于分析，噴射器出口、工作流體和引射流體中R290的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別用MFt、MFp和MFs來表示。

3 結(jié)果討論與分析

3.1 工質(zhì)組分的影響

圖4所示為工質(zhì)組分對系統(tǒng)COP的影響，此時(shí)蒸發(fā)溫度為30 ℃，冷凝溫度為70 ℃，分液冷凝干度0.8。由圖4可知，當(dāng)MFt由10%增至90%時(shí)，COP隨之降低，當(dāng)MFt為10%時(shí)，取得最大值7.30；當(dāng)MFt為90%時(shí)，取得最小值6.67。這是因?yàn)?，高低溫冷凝器制熱?fù)荷比隨工質(zhì)組分增大而減少，噴射器出口壓力增大，壓縮機(jī)功耗增大，COP減少。在相同的工況下，與傳統(tǒng)系統(tǒng)進(jìn)行對比，當(dāng)MFt為50%時(shí)，COP最大可提升53%。

圖4 工質(zhì)組分對COP的影響

圖5所示為噴射器出口工質(zhì)組分對工作流體組分和引射流體組分的影響。由圖5可知，系統(tǒng)中工作流體、引射流體和混合后噴射器出口的工質(zhì)組分并不一致，從大到小依次為MFs、MFt、MFp。例如，當(dāng)MFt為50%，MFp和MFs分別為53%和39%。這是因?yàn)?，對于非共沸工質(zhì)，低沸點(diǎn)易揮發(fā)的組元R290在氣相工質(zhì)中占比較大；相反，高沸點(diǎn)難揮發(fā)的組元R600a在液相工質(zhì)中占比較大。

圖5 出口工質(zhì)組分對工作流體和引射流體組分的影響

圖6 工質(zhì)組分對效率和總損失的影響

圖7 工質(zhì)組分對系統(tǒng)各部件損失的影響

圖8 工質(zhì)組分對面積比和引射率的影響

3.2 運(yùn)行工況的影響

圖9所示為分液冷凝干度對系統(tǒng)的COP的影響。由圖9可知，COP隨x4的增加而增大。這是因?yàn)閤4增大，工作流體中R290的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大，低溫冷凝器的制熱量增大。同時(shí)，壓縮機(jī)入口壓力增大，壓縮機(jī)功耗降低，系統(tǒng)的COP增大。

圖9 分液冷凝干度對COP的影響

圖10所示為蒸發(fā)溫度對系統(tǒng)COP的影響。由圖10可知，當(dāng)Te由25 ℃增至40 ℃時(shí)，COP隨Te的升高而增大。這是因?yàn)椋琓e增大時(shí)，對應(yīng)的蒸發(fā)壓力隨之升高，而冷凝壓力不變，因此壓縮機(jī)壓力降低，COP增大。

圖10 蒸發(fā)溫度對COP的影響

圖11所示為冷凝溫度對系統(tǒng)COP的影響。由圖11可知，當(dāng)Tc由65 ℃增至80 ℃時(shí)，COP隨Tc的增大而減少。這是因?yàn)?，?dāng)Tc增大時(shí)，對應(yīng)的冷凝壓力隨之升高，由于蒸發(fā)壓力保持不變，因此壓縮機(jī)壓力增大，COP降低。

圖11 冷凝溫度對COP的影響

4 結(jié)論

本文提出一種新型分液冷凝噴射-壓縮式熱泵，并進(jìn)行了熱力學(xué)分析，分析了工質(zhì)組分以及運(yùn)行工況對系統(tǒng)性能的影響，并與噴射-壓縮式熱進(jìn)行了對比，得出如下結(jié)論：

1）工質(zhì)組分對系統(tǒng)性能有很大的影響，當(dāng)MFt由10%增至90%時(shí)，COP隨之減少，并在MFt為10%時(shí)，取得最大值7.30；當(dāng)MFt為50%時(shí)，與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比，COP最大可提升53%；

2）分液冷凝干度、蒸發(fā)溫度以及冷凝溫度對新系統(tǒng)性能的影響較大，COP隨著分液冷凝干度以及蒸發(fā)溫度的升高而提高；COP隨著冷凝溫度的升高而降低；