劉成炎 閆繼位 陳 琪 陳光明

(1浙江大學制冷與低溫研究所 杭州 310027)(2浙江省制冷與低溫技術(shù)重點實驗室 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)重點實驗室 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)，在高沸點工質(zhì)中添加低沸點工質(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。采用熱力計算的方法對比研究了新系統(tǒng)和常規(guī)系統(tǒng)的熱力學性能，同時還研究了蒸發(fā)溫度、升壓比對新系統(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使它成為當前制冷技術(shù)研究熱點之一。1901年，LeBlanc和Parsons設計出首臺噴射制冷系統(tǒng)，20世紀30年代，噴射制冷系統(tǒng)被廣泛應用于大型建筑，但隨后被效率更高的壓縮式制冷系統(tǒng)取代[1]。自此，噴射器的研究進展緩慢。隨著近幾十年來，各國學者“節(jié)能減排”意識的提高，噴射制冷技術(shù)又逐漸成為研究的熱門。噴射制冷技術(shù)的主要缺點是制冷系數(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，很多學者從改進系統(tǒng)和制冷劑兩方面進行了研究。

1957年，Mizrahi[3]等學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，同時系統(tǒng)的發(fā)生溫度也降到100 ℃以下。驅(qū)動溫度要求的降低，使噴射制冷系統(tǒng)能夠利用溫度更低的低品位熱。Holton[4]的實驗研究結(jié)果表明，當采用分子量較大的工質(zhì)時，噴射制冷循環(huán)的性能較好。Sun[5]等針對多種制冷劑的工作效率進行了研究，對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，在高沸點工質(zhì)中添加低沸點工質(zhì)可以使系統(tǒng)達到更低的蒸發(fā)溫度。Tan[9]等人提出了應用R32/R236fa混合制冷劑的自動級聯(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)溫度下都能正常運行Schutte&Koerting公司的研究表明[10]：多級噴射制冷系統(tǒng)可以獲得更低的蒸發(fā)溫度，同時可以使噴射式制冷系統(tǒng)在高冷凝溫度下運行。

基于上述研究成果，將混合制冷劑R134a/R32應用于兩級噴射制冷系統(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)是一個兩級噴射制冷系統(tǒng)。將混合制冷劑應用于兩級噴射制冷系統(tǒng)是一個全新的研究方向。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工質(zhì)、混合液體含有更多的高沸點工質(zhì)。在雙流體噴射制冷系統(tǒng)的高壓級和低壓級，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工質(zhì)，引射流體中含有更多低沸點工質(zhì)，循環(huán)的這個特點可以減小系統(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，作為工作流體進入低壓級噴射器引射蒸發(fā)器中的低沸點工質(zhì)，低沸點工質(zhì)被引射升壓到中間壓力，并在低壓級噴射器中與高沸點工質(zhì)混合后經(jīng)過低壓級冷凝器冷凝放熱，進入氣液分離器。氣液分離器中的高沸點液體工質(zhì)通過低壓級泵加壓進入低壓級發(fā)生器，氣液分離器中的低沸點氣體工質(zhì)被高壓級發(fā)生器出口高壓的低沸點工質(zhì)引射升壓通入高壓級冷凝器冷凝放熱。高壓級冷凝器出口的低沸點液體工質(zhì)分為兩股，其中一股通過高壓級泵在高壓級發(fā)生器中吸熱成為高壓氣體；另一股經(jīng)過節(jié)流元件后進入蒸發(fā)器蒸發(fā)吸熱獲得制冷量。

3 新系統(tǒng)的熱力計算

3.1 噴射器

噴射系數(shù)是噴射器的主要性能指標之一。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，根據(jù)相關(guān)文獻可以得到計算噴射系數(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為擴散器速度系數(shù)，φ4為混合室入口段速度系數(shù)。

(7)

qH2=

(8)

當在s-s截面上引射流體達到臨界速度時，有qHS=qH*=1，此狀態(tài)叫第二極限狀態(tài)，對應的噴射系數(shù)用下式求得：

(9)

氣體動力函數(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。參照圖2，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壓力，均為無量綱參數(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。

部分物理量的下標參考噴射器的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 噴射器計算結(jié)構(gòu)簡圖Fig.2 Computing structure diagram of ejector

計算噴射器噴射系數(shù)的具體流程圖如圖3所示。

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

3.2 各點焓值的計算

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

對整個循環(huán)進行熱力計算時，還要進行如下假設：(1)低壓級循環(huán)混合制冷劑各組分的摩爾分數(shù)等于氣液分離器液相各組分的摩爾分數(shù)；(2)高壓級循環(huán)混合制冷劑各組分的摩爾分數(shù)等于氣液分離器氣相各組分的摩爾分數(shù)；(3)高、低壓發(fā)生器的過熱度取5 ℃；(4)高壓冷凝器的過冷度取5 ℃；(5)蒸發(fā)器的過熱度取5 ℃；(6)制冷劑泵工作過程為等熵過程。

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

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為各個部件的功率，kW；h1—h13為系統(tǒng)中各個點的焓值，kJ/kg；u1為低壓級噴射器的噴射系數(shù)；u2為高壓級噴射器的噴射系數(shù)。

4 結(jié)果的分析與討論

在進行熱力計算時，蒸發(fā)溫度為0—15 ℃，高壓冷凝溫度為35 ℃、40 ℃。全壓縮比在兩級之間相等分配。低壓級噴射器的膨脹比取4，高壓級噴射器的膨脹比取3。單一工質(zhì)兩級噴射制冷系統(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。計算結(jié)果均基于此工況。

首先，對常規(guī)單一工質(zhì)兩級噴射制冷系統(tǒng)與新系統(tǒng)的熱力性能進行了對比研究。當冷凝溫度一定的時候，系統(tǒng)COP隨著蒸發(fā)溫度的變化趨勢如圖4所示。

圖4 常規(guī)系統(tǒng)與新系統(tǒng)性能對比圖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%。對于常規(guī)兩級噴射制冷系統(tǒng)來說，在低蒸發(fā)溫度高冷凝溫度的極限工況下幾乎不能運行，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，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，還對升壓比對系統(tǒng)COP的影響進行了理論研究。通過假設高壓級冷凝壓力為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足拉烏爾定律的特性，提出了一種新的兩級噴射制冷循環(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，在高沸點制冷劑中加入低沸點制冷劑可獲得性質(zhì)更加理想的制冷劑。新循環(huán)的特點是工作流體中含有更多的高沸點工質(zhì)、引射流體中含有更多的低沸點工質(zhì)，工作流體和引射流體組分含量的不同使得系統(tǒng)的熱力學性能更加優(yōu)越。本文采用熱力計算的方法研究了雙流體噴射制冷循環(huán)的性能，經(jīng)過熱力計算，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，COP提高28%—65%。

(2)對于常規(guī)兩級噴射制冷系統(tǒng)來說，在低蒸發(fā)溫度高冷凝溫度的極限工況下幾乎不能運行。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)兩級級噴射制冷系統(tǒng)寬廣很多。

(3)其他工況相同時，系統(tǒng)的冷凝溫度越高，系統(tǒng)的COP越低；其他工況相同時，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。

1 Kanjanapon C, Satha A . Ejectors: applications in refrigeration technology[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews,2004(8):129-155.

2 李海軍.噴射器性能、結(jié)構(gòu)及特殊流動現(xiàn)象研究[D].大連：大連理工大學，2004.

Li Haijun. A study on the performance, structure and special flow phenomena of ejector[D]. Dalian: Dalian University of Technology, 2004.

3 Mizrahi J, Solomiansky M, Zisner T, et al. Ejector refrigeration from low temperature energy sources[J]. Bull.Res.Counc. of Israel, 1957(6):1-8.

4 Holton W C. Effect of molecular weight of entrained fluid on the performance of steam-jet ejector[J]. ASME Transaction, 1951(10):905-910.

5 Sun D W. Comparative study of the performance of an ejector refrigeration cycle operating with various refrigerants[J]. Energy Conversion & Management, 1999, 40(8):873-884.

6 張于峰, 李燦華. 雙元工質(zhì)噴射制冷循環(huán)研究[C].中國工程熱物理學會工程熱力學與能源利用學術(shù)會議，杭州， 1998.

Zhang Yufeng, Li Canhua. The theoretical research of binary non-azeotropic refrigerant in ejector refrigeration system[C]. Academic Conference on Engineering Thermodynamics and Energy Utilization of Engineering Thermal Physics Society of China, Hangzhou, 1998.

7 張于峰, 馮 永. 雙元工質(zhì)噴射制冷循環(huán)[J]. 天津大學學報:自然科學與工程技術(shù)版, 1999(5):543-546.

Zhang Yufeng, Feng Yong. Research on binary non-azeotropic mixtures in jet refrigeration system[J]. Journal of Tianjin University,1999(5):543-546.

8 張于峰. 雙元工質(zhì)在噴射制冷系統(tǒng)中循環(huán)機理的研究[D]. 天津：天津大學, 2003.

Zhang Yufeng. Research on Cycle Mechanism of Binary Non-azeotropic Refrigerant in Ejector Refrigeration System[D]. Tianjin: Tianjin University, 2003.

9 Tan Y, Wang L, Liang K. Thermodynamic performance of an auto-cascade ejector refrigeration cycle with mixed refrigerant R32+R236fa[J]. Applied Thermal Engineering, 2015, 84:268-275.

10 陳作舟. 高冷凝溫度下兩級噴射式制冷系統(tǒng)研究[D]. 杭州：浙江大學, 2014.

Chen Zuozhou. Investigation on a two-stage ejection-refrigeration system under high condensing temperature[D]. Hangzhou: Zhejiang University, 2014.

11 索科洛夫EЯ, 津格爾HM (著)，黃秋云 (譯). 噴射器[M]. 北京: 科學出版社, 1977.

Sokolov EЯ, GerzehHM. Ejector[M]. Beijing: Science Press, 1977.

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

國家自然科學基金(51376156)項目資助。

劉成炎，男，24歲，碩士。

TB66,TB61

A

1000-6516(2016)03-0011-06