魏新利,王中華,耿利紅,孟祥睿

(鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院,河南鄭州450001)

壓縮制冷系統(tǒng)節(jié)流損失及應(yīng)對(duì)方案研究

魏新利,王中華,耿利紅,孟祥睿

(鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院,河南鄭州450001)

對(duì)傳統(tǒng)單、雙溫壓縮制冷系統(tǒng)(CRS)建立了理論分析的熱力學(xué)模型，通過(guò)Matlab R2010a計(jì)算不同工況下的節(jié)流損失.模型以R134a為工質(zhì)，物性參數(shù)通過(guò)調(diào)用REFPROP 9.0準(zhǔn)確獲取，結(jié)果發(fā)現(xiàn):傳統(tǒng)壓縮系統(tǒng)中，節(jié)流損失占?jí)嚎s機(jī)耗功13.0%～31.9%;雙溫系統(tǒng)中，節(jié)流損失占?jí)嚎s機(jī)耗功的比例比單溫系統(tǒng)的高約50%;工況條件變化時(shí)，節(jié)流損失也相應(yīng)變化.結(jié)合節(jié)流損失的特氛，對(duì)3種常見(jiàn)的節(jié)能方案進(jìn)行了分析，模擬了不同工況下壓縮/噴射制冷系統(tǒng)的性能系數(shù)(COP)，并同單純回收節(jié)流損失的情況進(jìn)行比較，結(jié)果驗(yàn)證了利用噴射器回收系統(tǒng)節(jié)流損失的可行性.

壓縮制冷;節(jié)流損失;節(jié)能;噴射器

0 引言

近年來(lái),能源問(wèn)題日漸突出,傳統(tǒng)壓縮制冷系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)化逐漸引起人們重視.在傳統(tǒng)壓縮制冷系統(tǒng)中,來(lái)自冷凝器的高壓飽和或過(guò)冷液體需要通過(guò)節(jié)流閥、毛細(xì)管等降壓設(shè)備來(lái)維持低溫蒸發(fā)過(guò)程的進(jìn)行.該過(guò)程往往是等焓而非等嫡過(guò)程,會(huì)產(chǎn)生大量閃發(fā)蒸汽,閃發(fā)蒸汽不吸收熱量,卻要消耗功,即導(dǎo)致節(jié)流損失［1］,該部分能量損失約占制冷系統(tǒng)總能量損失的10%［2］.國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)制冷系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)化研究主要集中在兩方面:一是提高系統(tǒng)中主要設(shè)備的性能,如壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)器等的效率.如李成武［3］分析了壓縮機(jī)變頻技術(shù)對(duì)壓縮機(jī)節(jié)能的影響;邵秀利等［4］探討了冷凝器節(jié)能技術(shù)在冰箱中的應(yīng)用;吳金星等［5］對(duì)板式蒸發(fā)器的性能進(jìn)行了研究;二是研究?jī)?yōu)化系統(tǒng)組成形式,劉春杰等［6］從多個(gè)方面對(duì)制冷空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能進(jìn)行了研究.但節(jié)流損失與系統(tǒng)運(yùn)行工況的關(guān)系尚待明確,節(jié)流損失回收方案不夠明確.在此背景下研究壓縮系統(tǒng)中的節(jié)流損失與運(yùn)行工況的關(guān)系,探明回收節(jié)流損失的有效途徑,對(duì)制冷系統(tǒng)的節(jié)能具有重要意義.

1 壓縮制冷系統(tǒng)概述

1834年,Jacob Perkins制造出了第一臺(tái)蒸汽壓縮式制冷機(jī),它主要由冷凝器、蒸發(fā)器、壓縮機(jī)、膨脹閥等部件組成,其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示.冷凝器出來(lái)的飽和液態(tài)工質(zhì)1進(jìn)人膨脹閥節(jié)流降壓變成濕蒸汽2,然后進(jìn)人蒸發(fā)器吸熱變成飽和蒸汽3,進(jìn)人壓縮機(jī)升壓到狀態(tài)4,最后進(jìn)人冷凝器完成制冷循環(huán).此后隨著人們對(duì)制冷系統(tǒng)功能多樣化的需求,逐漸出現(xiàn)了雙溫壓縮制冷系統(tǒng).根據(jù)兩個(gè)蒸發(fā)器的布置形式,可分為雙溫串聯(lián)壓縮制冷系統(tǒng)和雙溫并聯(lián)壓縮制冷系統(tǒng),其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示.其工作原理與單溫壓縮制冷系統(tǒng)相似,不同之處是雙溫壓縮制冷系統(tǒng)需要額外的閥門(mén)調(diào)節(jié)兩蒸發(fā)器的運(yùn)行工況.在雙溫串聯(lián)壓縮制冷系統(tǒng)中,經(jīng)過(guò)高溫蒸發(fā)器的濕蒸汽3再經(jīng)過(guò)膨脹閥2節(jié)流降壓為濕蒸汽4,進(jìn)人低溫蒸發(fā)器吸熱變成干飽和蒸汽5;而在雙溫并聯(lián)壓縮制冷系統(tǒng)中,冷凝器出來(lái)的飽和液態(tài)工質(zhì)2經(jīng)過(guò)分流后經(jīng)不同程度的節(jié)流,進(jìn)人兩個(gè)蒸發(fā)器吸熱,再經(jīng)過(guò)壓力調(diào)節(jié)閥的調(diào)壓作用變?yōu)橄嗤瑝毫Φ臍鈶B(tài)工質(zhì)0,進(jìn)人壓縮機(jī)完成制冷循環(huán).

圖1 單溫壓縮制冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1 Schematic diagram of conventional single temperature CRS

2 系統(tǒng)節(jié)流損失模型的建立和計(jì)算

為簡(jiǎn)化壓縮制冷系統(tǒng)的計(jì)算,假設(shè)壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)器等均能最大限度滿足系統(tǒng)要求,壓縮機(jī)效率用系數(shù)進(jìn)行修正,同時(shí)忽略管路損失.為方便對(duì)比分析,用節(jié)流損失除以壓縮機(jī)耗功將其無(wú)量綱化.節(jié)流損失ΔH為工質(zhì)等嫡節(jié)流的焓值與等焓節(jié)流的焓差;壓縮機(jī)耗功W為壓縮機(jī)前后工質(zhì)的焓差;制冷量Q為工質(zhì)的質(zhì)量流量m與蒸發(fā)器前后工質(zhì)的焓差;回收節(jié)流損失后系統(tǒng)的制冷量Q′為等嫡節(jié)流條件下蒸發(fā)器前后工質(zhì)的焓差.

圖2 雙溫壓縮制冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.2 Schematic diagram of double temperature serial(a)and Parnell(b)CRS

對(duì)于單溫壓縮制冷系統(tǒng),節(jié)流損失占?jí)嚎s機(jī)耗功百分比:

系統(tǒng)制冷量:

回收節(jié)流損失后系統(tǒng)制冷量:

對(duì)于雙溫串聯(lián)壓縮制冷系統(tǒng),節(jié)流損失占?jí)嚎s機(jī)耗功百分比:

系統(tǒng)制冷量:

回收節(jié)流損失后系統(tǒng)制冷量:

系統(tǒng)性能系數(shù):

對(duì)于雙溫并聯(lián)壓縮制冷系統(tǒng),節(jié)流損失占?jí)嚎s機(jī)耗功百分比為

系統(tǒng)制冷量:

回收節(jié)流損失后制冷量:

制冷系統(tǒng)壓縮機(jī)效率［7］:

與原系統(tǒng)相比,性能系數(shù)提升率:

制冷劑R134a無(wú)毒、不可燃、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,臭氧消耗潛能為零,是傳統(tǒng)制冷劑氟利昂的理想替代品,現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于制冷系統(tǒng)中.因此,筆者選用R134a為工質(zhì),通過(guò)調(diào)用Refprop9.0準(zhǔn)確獲取其物性參數(shù),利用Matlab R2010a編程模擬不同工況下系統(tǒng)的性能系數(shù)和節(jié)流損失,并將回收節(jié)流損失的情況與原系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比.

3 計(jì)算結(jié)果分析

結(jié)合系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)際情況,考核單變量如節(jié)流損失占?jí)嚎s機(jī)耗功的比例(ΔH/W)及回收節(jié)流損失后系統(tǒng)性能系數(shù)提升率(λCOP,%)的影響.對(duì)于傳統(tǒng)單溫壓縮制冷系統(tǒng),考察冷凝溫度的影響時(shí),固定蒸發(fā)溫度5℃,冷凝溫度分別為:37～45℃,間隔1℃;考察蒸發(fā)溫度的影響時(shí),固定冷凝溫度45℃,蒸發(fā)溫度分別為:-3～5℃,間隔1℃,結(jié)果如圖3所示.

圖3 傳統(tǒng)單溫壓縮制冷系統(tǒng)考核情況Fig.3 Test of conventional single temperature CRS

由圖3可見(jiàn),傳統(tǒng)單溫壓縮制冷系統(tǒng)中,蒸發(fā)溫度升高時(shí),制冷劑節(jié)流程度降低,節(jié)流損失占?jí)嚎s機(jī)耗功比例(ΔH/W)逐漸降低,回收節(jié)流損失后系統(tǒng)性能系數(shù)提升率也相應(yīng)降低;冷凝溫度升高時(shí),節(jié)流程度變大,節(jié)流損失增大,節(jié)流損失占?jí)嚎s機(jī)耗功比例上升,回收節(jié)流損失后系統(tǒng)λCOP也相應(yīng)上升;而ΔH/W與λCOP變化幅度不一致,這主要是受制冷劑熱物性參數(shù)的約束.

對(duì)于雙溫制冷系統(tǒng),由于系統(tǒng)中有兩個(gè)蒸發(fā)器,其制冷負(fù)荷比的大小對(duì)系統(tǒng)性能有一定影響,因此需要考慮蒸發(fā)器制冷負(fù)荷比的影響.結(jié)合系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)際情況,考察冷凝溫度的影響時(shí),固定高溫蒸發(fā)溫度為5℃,低溫蒸發(fā)溫度為-20℃,高低溫蒸發(fā)器制冷負(fù)荷比為1.5,冷凝溫度分別為:37～45℃,間隔1℃;考察高溫蒸發(fā)溫度的影響時(shí),固定冷凝溫度為45℃,低溫蒸發(fā)溫度為-20℃,高低溫蒸發(fā)器制冷負(fù)荷比為1.5,高蒸發(fā)溫度分別為:-3～5℃,間隔1℃;考察低溫蒸發(fā)溫度的影響時(shí),固定冷凝溫度為45℃,高溫蒸發(fā)溫度為5℃,高低溫蒸發(fā)器制冷負(fù)荷比為1.5,低蒸發(fā)溫度分別為:-16～-24℃,間隔1℃;考察蒸發(fā)器制冷負(fù)荷比時(shí),固定冷凝溫度為45℃,高溫蒸發(fā)溫度為5℃,低溫蒸發(fā)溫度為-20℃,蒸發(fā)器制冷負(fù)荷比分別為:0.5～2.50,間隔0.25.雙溫串聯(lián)壓縮制冷系統(tǒng)的考核結(jié)果如圖4所示;雙溫并聯(lián)壓縮制冷系統(tǒng)的考核結(jié)果如圖5所示.

由圖4可見(jiàn),雙溫串聯(lián)壓縮制冷系統(tǒng)中,冷凝溫度、高溫蒸發(fā)器蒸發(fā)溫度、低溫蒸發(fā)器蒸發(fā)溫度對(duì)節(jié)流損失占?jí)嚎s機(jī)耗功比例及系統(tǒng)性能系數(shù)提升率的影響趨勢(shì)一致;這是由節(jié)流程度的變化所致.高低溫蒸發(fā)器制冷負(fù)荷比升高時(shí),ΔH/W維持在0.28左右,對(duì)其進(jìn)行回收后,系統(tǒng)COP提升率λCOP略有上升.原因是制冷系統(tǒng)等焓節(jié)流,高低溫制冷負(fù)荷比變化時(shí),兩膨脹閥的節(jié)流程度是不變的,因此節(jié)流損失占?jí)嚎s機(jī)耗功比之和也基本不變.

由圖5可見(jiàn),雙溫并聯(lián)制冷系統(tǒng)中,高溫蒸發(fā)器蒸發(fā)溫度、低溫蒸發(fā)器蒸發(fā)溫度對(duì)ΔH/W和λCOP的影響一致,這是由節(jié)流程度變化主導(dǎo)的;冷凝溫度對(duì)系統(tǒng)節(jié)流損失的影響呈相反的趨勢(shì),原因是雙溫并聯(lián)制冷系統(tǒng)中壓力調(diào)節(jié)閥的節(jié)流損失在總節(jié)流損失中占較大比重,且隨冷凝溫度的升高而降低.高低溫制冷負(fù)荷比升高時(shí),高溫膨脹閥和壓力調(diào)節(jié)閥的節(jié)流損失都上升,膨脹閥2的節(jié)流損失減小,但其幅度小于前兩者之和,回收節(jié)流損失后系統(tǒng)λCOP上升.

圖4 雙溫串聯(lián)壓縮制冷系統(tǒng)考核情況Fig.4 Test of double temperature serial CRS

圖5 雙溫并聯(lián)壓縮制冷系統(tǒng)考核情況Fig.5 Test of double temperature parallel CRS

對(duì)比圖3～5可見(jiàn),由于單溫壓縮制冷系統(tǒng)進(jìn)行了一次節(jié)流過(guò)程,且節(jié)流程度相對(duì)較小,節(jié)流損失明顯低于雙溫壓縮制冷系統(tǒng),回收節(jié)流損失后系統(tǒng)性能系數(shù)提升率也較低.應(yīng)重點(diǎn)考慮對(duì)雙溫壓縮系統(tǒng)的節(jié)流損失的回收.雙溫串聯(lián)壓縮制冷系統(tǒng)中,低溫蒸發(fā)器蒸發(fā)溫度的變化對(duì)節(jié)流損失影響很大;高低溫制冷負(fù)荷比變化時(shí),ΔH/W變化很小,說(shuō)明該系統(tǒng)變負(fù)荷性能較好.而雙溫并聯(lián)壓縮制冷系統(tǒng)中,高低溫制冷負(fù)荷比變化時(shí),ΔH/W變化較大,說(shuō)明它的變負(fù)荷性能較差,應(yīng)著重考慮對(duì)該系統(tǒng)變負(fù)荷條件下節(jié)流損失的回收.

4 系統(tǒng)節(jié)流損失回收方案分析

節(jié)流損失的回收通常有3種途徑［3］:①液態(tài)制冷劑進(jìn)人膨脹閥之前進(jìn)行過(guò)冷或回?zé)岵僮?②多級(jí)液態(tài)制冷劑節(jié)流配合多級(jí)蒸汽壓縮過(guò)程;③應(yīng)用沒(méi)有節(jié)流過(guò)程的降壓部件(如噴射器)來(lái)取代膨脹閥、毛細(xì)管等節(jié)流元件.其中,方法1最為簡(jiǎn)單也最常用;但液態(tài)制冷劑過(guò)冷需要額外的換熱面積,足夠高的冷媒流率,并保持穩(wěn)定的操作條件以維持所需過(guò)冷度,這在制冷系統(tǒng)中難以滿足.若進(jìn)行回?zé)岵僮?則會(huì)起到正反兩方面的效果,一方面可降低節(jié)流損失,另一方面卻會(huì)增加壓縮機(jī)功耗.方法2通常在兩級(jí)壓縮制冷系統(tǒng)中使用,節(jié)能效果非常顯著;如使用兩級(jí)蒸發(fā)壓縮系統(tǒng)可降低一半節(jié)流損失,但會(huì)使得系統(tǒng)復(fù)雜程度提高,增加系統(tǒng)投資.方法3則被認(rèn)為是最具應(yīng)用價(jià)值的方案,引起廣泛關(guān)注.

由于傳統(tǒng)雙溫串聯(lián)制冷系統(tǒng)的ΔH/W及回收節(jié)流損失后系統(tǒng)λCOP和系統(tǒng)復(fù)雜程度均介于其余兩種系統(tǒng)之間,最具代表性.因此筆者針對(duì)雙溫串聯(lián)壓縮制冷系統(tǒng),利用噴射器取代膨脹閥組成壓縮/噴射制冷系統(tǒng)(C/ERS)［8］,對(duì)方案3的可行性進(jìn)行驗(yàn)證.加人噴射器后新系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖6所示.

噴射器雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,但內(nèi)部流動(dòng)卻相當(dāng)復(fù)雜,機(jī)理尚未被完全掌握.為簡(jiǎn)化熱力學(xué)計(jì)算過(guò)程,采取噴射器理論計(jì)算的通用假設(shè)［9］.為保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行,氣液分離器內(nèi)制冷劑的干度還應(yīng)滿足條件［10］:

不同工況下雙溫串聯(lián)壓縮/噴射制冷系統(tǒng)的考核工況及方式與雙溫壓縮制冷系統(tǒng)相同.

圖6 雙溫串聯(lián)壓縮/噴射系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.6 Schematic diagram of double temperature parallel C/ERS

圖7為不同工況下COP提升率的對(duì)比情況.由圖7可知,考核范圍內(nèi),新系統(tǒng)性能系數(shù)提升率總高于單純回收節(jié)流損失的方案.原因有二:第一,噴射器可回收部分節(jié)流損失;第二,噴射器的升壓作用提高了壓縮機(jī)人口制冷劑蒸汽的壓力,降低壓縮機(jī)耗功;升高冷凝溫度、高溫蒸發(fā)器蒸發(fā)溫度或降低低溫蒸發(fā)器蒸發(fā)溫度時(shí),新系統(tǒng)較單純回收原壓縮系統(tǒng)節(jié)流損失的方案性能系數(shù)提升率更大,考核工況內(nèi)系統(tǒng)性能系數(shù)提升率可達(dá)51.5%.

圖7 不同工況下COP提升率對(duì)比情況Fig.7 Comparisons of COP increase rate under various operating conditions

5 結(jié)論

(1)傳統(tǒng)壓縮制冷系統(tǒng)中,在不考慮系統(tǒng)其他損失的情況下,節(jié)流損失占?jí)嚎s機(jī)耗功的比例達(dá)31.9%.

(2)對(duì)于雙溫壓縮制冷系統(tǒng),節(jié)流損失占?jí)嚎s機(jī)耗功的比例較單溫壓縮系統(tǒng)高約50%,應(yīng)注重對(duì)雙溫壓縮制冷系統(tǒng)中節(jié)流損失的回收.

(3)利用噴射器取代壓縮制冷系統(tǒng)中的節(jié)流元件,不但能夠回收節(jié)流損失,還可降低壓縮機(jī)耗功,是提高系統(tǒng)COP的理想方案.

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Study on the Throttling Losses in CRS and Solutions

WEIXin-li,WANG Zhong-hua,GENG Li-hong,MENG Xiang-rui
(School of Chemical Engineering and Energy,Zhengzhou University,Zhengzhou 450001,China)

A thermodynamic model is established to make a theoretical analysis on conventional compression refrigeration systems(CRS),throttling losses under various operating conditions are simulated with Matlab R2010a.R134a is chosen as refrigerant in the model and its thermo-physical properties are obtained from REFPROP 9.0.The results show that:1.throttling losses in CRS accounts for 13 to 31.9 of compressor power;2.throttling losses of double temperature CRS are about 50%higher than that of the single temperature CRS;3.throttling losses change with operating conditions.According to the characteristics of CRS,three commonly used ways to recover throttling losses are analyzed.COP of C/ERS is simulated under various operating conditions and compared with the simply recover throttling losses scheme,the results verify the feasibility of using ejector in CRS.

compression refrigeration;throttling loss;energy saving;ejector

TB61+5

A

10.3969/j.issn.1671-6833.2015.03.015

1671-6833(2015)03-0068-05

2015-01-01;

2015-03-10

河南省重點(diǎn)科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目(112102310041)

魏新利(1956-),男,河南輝縣人,鄭州大學(xué)教授,博士,博士生導(dǎo)師,主要從事生物質(zhì)能利用低溫余熱制冷及發(fā)電等研究,E-mail:xlwei@zzu.edu.cn.