寧靜紅 劉華陽 楊挺然 王潤霞 劉興華

（1 天津商業(yè)大學(xué) 天津市制冷技術(shù)重點實驗室 天津 300134）

（2 天津天商酷凌科技有限公司 天津 300134）

1 引言

隨著生活質(zhì)量水平的提高,能源和環(huán)境問題日益加劇,據(jù)統(tǒng)計,制冷行業(yè)的耗電量約占全球總用電量的17%。尋找優(yōu)良的替代工質(zhì),提高系統(tǒng)的能源利用率,降低能耗是工作的重點。換熱器對系統(tǒng)性能影響最直接,因此,優(yōu)化換熱器結(jié)構(gòu),提高效率是優(yōu)化系統(tǒng)最常用的方法之一。常規(guī)蒸氣壓縮制冷循環(huán)壓縮機排氣在冷凝器內(nèi)與冷卻介質(zhì)間壁式換熱,蒸氣凝結(jié)需經(jīng)過兩側(cè)流體的對流換熱和壁面間的導(dǎo)熱,由于蒸氣導(dǎo)熱系數(shù)不高,換熱需要較大的溫差驅(qū)動,同時壁面結(jié)垢、潤滑油積聚等問題會進一步增大換熱熱阻,導(dǎo)致?lián)Q熱效率降低,系統(tǒng)性能下降。直接接觸凝結(jié)可在小溫差下?lián)Q熱,具有傳熱系數(shù)大、熱阻小、效率高等特點,直接接觸換熱器具有結(jié)構(gòu)簡單、不易腐蝕結(jié)垢、運行和維護費用低等優(yōu)勢。直接接觸凝結(jié)現(xiàn)已廣泛用于地?zé)岚l(fā)電、海水淡化、石油精煉等領(lǐng)域[1-2]。直接接觸凝結(jié)用于制冷系統(tǒng)中,可以提高換熱效率,降低換熱溫差,進而降低壓縮機的排氣壓力、溫度和功耗,提高系統(tǒng)COP[3-5]。制冷系統(tǒng)中適當增添輔助設(shè)備也是對系統(tǒng)進行性能優(yōu)化的一種方法。噴射器作為流體裝置,具有結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、無移動部件、可適應(yīng)兩相流等特點,研究表明,采用噴射器代替膨脹裝置可以減少節(jié)流損失,回收膨脹功,提高系統(tǒng)性能[6]。Wang 等[7]通過研究混合式噴射器空調(diào)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn),基于噴射器的混合空調(diào)系統(tǒng)COP較傳統(tǒng)蒸氣壓縮空調(diào)系統(tǒng)約提高34%。Yan 等[8]利用噴射-蒸氣壓縮制冷循環(huán)提高蒸氣壓縮子循環(huán)的性能,發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)性能系數(shù)提高19.6%。目前,直接接觸凝結(jié)在制冷系統(tǒng)中的應(yīng)用仍處于理論研究階段,直接接觸凝結(jié)結(jié)合噴射引射更是鮮有報道。

本文提出一種利用噴射引射的新型直接接觸冷凝制冷循環(huán)（EDCC）,通過建立熱力循環(huán)模型,分析了蒸發(fā)溫度、主循環(huán)冷凝溫度和噴射器混合溫度對系統(tǒng)性能的影響,并與傳統(tǒng)制冷循環(huán)進行了性能對比。

2 循環(huán)系統(tǒng)介紹

圖1 為EDCC 制冷循環(huán)原理圖和壓焓圖。如圖1a 所示,主循環(huán)由壓縮機、直接接觸凝結(jié)換熱器、蒸發(fā)過冷器、噴射器、氣液分離器、節(jié)流閥和蒸發(fā)器組成,輔助循環(huán)由輔助循環(huán)壓縮機、冷凝器、節(jié)流閥和蒸發(fā)過冷器組成。流程為,主循環(huán)壓縮機排氣（點2）進入直接接觸凝結(jié)換熱器與過冷液體進行直接接觸凝結(jié)換熱,兩種介質(zhì)在換熱器內(nèi)混合凝結(jié)為飽和液體（點3）,后進入蒸發(fā)過冷器過冷。過冷液分為兩部分,一部分（點4a）進入直接接觸凝結(jié)換熱器,另一部分作為主流體（點4b）進入噴射器引吸二次流體（點8）。噴射器內(nèi)兩股流體在混合室混合（點10）,經(jīng)擴壓室擴壓后,兩相區(qū)工質(zhì)（點11）進入氣液分離器進行氣液分離,飽和制冷劑蒸氣（點1）進入壓縮機,飽和制冷劑液體（點6）經(jīng)節(jié)流閥降壓后進入蒸發(fā)器完成制冷。如圖1b 所示,兩循環(huán)由蒸發(fā)過冷器進行連接,經(jīng)節(jié)流閥節(jié)流降壓后的R717 工質(zhì)（點15）在蒸發(fā)過冷器內(nèi)為主循環(huán)的過冷過程提供冷源。

圖1 EDCC 制冷循環(huán)原理圖和P-h 圖Fig.1 Schematic diagram and P-h diagram of EDCC refrigeration cycle

3 循環(huán)系統(tǒng)熱力學(xué)模型

根據(jù)噴射器混合室內(nèi)氣液混合過程,噴射器可以分為等壓混合和等面積混合噴射器,研究表明,等壓混合噴射器模型性能優(yōu)于等面積混合噴射器模型[6],因此,采用等壓混合模型進行性能計算。噴射器和直接接觸換熱器內(nèi)存在復(fù)雜的熱質(zhì)交換過程,為簡化計算,做出以下假設(shè):

（1）噴射器混合室和直接接觸凝結(jié)換熱器的混合過程均為等壓過程；

（2）流體在混合前屬于一維穩(wěn)態(tài)絕熱流動；

（3）忽略噴射器的進出口速度；

（4）蒸發(fā)器、直接接觸凝結(jié)換熱器和輔助循環(huán)冷凝器的出口均為飽和狀態(tài)；

（5）采用噴射器的等熵效率系數(shù)來近似每段的摩擦損失,噴嘴、混合室和擴壓室的等熵效率系數(shù)分別為0.9、0.95、0.9,壓縮機等熵效率為0.9[9-10]。

3.1 噴射器熱力計算模型

噴射器是一種以高壓流體為主流體,低壓流體為二次流體,利用高壓流體引吸低壓流體的裝置。噴射器主要由噴嘴、接受室、混合室和擴壓室4 部分組成,其中主流體在流經(jīng)噴嘴時膨脹增速,在錐形接受室內(nèi)形成負壓引吸二次流體,兩流體在等截面混合室內(nèi)進行熱質(zhì)交換,在出口流速趨于一致,后經(jīng)擴壓室的減速增壓回收部分膨脹功[6,9]。圖2 為不同入口狀態(tài)點下噴射器出口狀態(tài)性能迭代計算流程圖。

圖2 噴射器模型性能計算流程圖Fig.2 Ejector performance simulation calculation flowchart

當制冷劑流經(jīng)諸如噴嘴、擴壓室這類設(shè)備時,不對設(shè)備做功,位能差可忽略不計,同時工質(zhì)流速大且噴嘴、擴壓室的長度很短,與外界交換的熱量亦可忽略不計。噴射器的性能常用噴射系數(shù)來表示,即二次流體質(zhì)量流量與主流體質(zhì)量流量之比:

式中:μ為噴射系數(shù)；m8、m4b分別為二次流體和主流體制冷劑的質(zhì)量流量,kg/s。

主流體和二次流體在噴嘴入口存在膨脹過程。根據(jù)假定條件,利用等熵效率系數(shù)替代摩擦損失,主流體的實際出口焓值為:

主流體經(jīng)噴嘴膨脹增速后的出口速度為:

二次流體的出口焓值和速度則可表示為:

兩流體在混合室出口的焓值和速度分別為:

依據(jù)假設(shè)條件,擴壓室出口速度可忽略,噴射器出口的焓值可表示為:

式中:ηN、ηM、ηD分別為噴嘴、混合室、擴壓室的等熵效率系數(shù)；v5、v9、v10分別為工作流體、引射流體和混合流體流速,m/s。

3.2 直接接觸冷凝換熱器熱力計算模型

直接接觸凝結(jié)換熱器內(nèi)部存在復(fù)雜的熱質(zhì)交換過程。通過建立二維黑箱模型進行簡化計算:

壓縮機、噴射器工作流體的制冷劑質(zhì)量流量:

冷卻過熱蒸氣的過冷制冷劑的質(zhì)量流量:

輔助循環(huán)內(nèi)制冷劑的質(zhì)量流量:

3.3 系統(tǒng)性能分析

系統(tǒng)有兩個獨立的循環(huán),因此對于系統(tǒng)性能分析則不能只考慮單一循環(huán),應(yīng)采用綜合性能系數(shù):

3.4 系統(tǒng)分析

制冷循環(huán)中存在各種不可逆過程,分析實際循環(huán)偏離理想循環(huán)的程度,了解系統(tǒng)不可逆損失大小及對系統(tǒng)的影響程度,可為循環(huán)系統(tǒng)的經(jīng)濟性改進提供理論依據(jù)[11]。流動流體所具有的為焓,系統(tǒng)中每個循環(huán)點的焓為:

式中:Ex為系統(tǒng)各點焓,kW；Exdest為系統(tǒng)各部件的損失,kW；η為系統(tǒng)的效率。

4 計算結(jié)果及分析

設(shè)定系統(tǒng)制冷量為50 kW,冷凝溫度為45 ℃,蒸發(fā)過冷器的夾點溫差為3 ℃,依據(jù)所建立的EDCC 制冷循環(huán)熱力模型對系統(tǒng)進行性能分析,并與直接接觸冷凝（DCC）制冷循環(huán)[3],復(fù)疊制冷循環(huán)進行對比。

如圖3 所示,低溫工況下,EDCC 制冷系統(tǒng)較兩種制冷循環(huán)COP提升明顯,當蒸發(fā)溫度為-35 ℃時,相較于DCC 制冷循環(huán)及復(fù)疊制冷循環(huán),EDCC 制冷循環(huán)COP分別提升6.12%、8.36%。隨著蒸發(fā)溫度的升高,各循環(huán)COP均呈上升趨勢,但相較于DCC制冷循環(huán)和復(fù)疊制冷循環(huán),EDCC 制冷循環(huán)性能系數(shù)提升相對較慢,當蒸發(fā)溫度升高10 ℃時,COP約提高8.9%,當蒸發(fā)溫度為-27 ℃時,DCC 制冷循環(huán)與EDCC 制冷循環(huán)COP相近,隨著蒸發(fā)溫度繼續(xù)升高,EDCC 制冷循環(huán)COP低于DCC 制冷循環(huán)。這是由于隨蒸發(fā)溫度的升高,復(fù)疊制冷循環(huán)和DCC 制冷循環(huán)耗功逐漸減少,性能逐漸提高,EDCC 制冷循環(huán)利用噴射器回收了膨脹功,隨著蒸發(fā)溫度升高,二次流體壓降增大,噴嘴入口焓值增大、流速升高,噴射器回收的膨脹功增加,同時由于噴射器混合溫度不變,噴射器主流體壓降不變,回收膨脹功增長速率逐漸降低,性能提升逐漸減弱,隨著蒸發(fā)溫度的繼續(xù)升高,噴射器出口壓力低于蒸發(fā)壓力,反而對循環(huán)不利。

圖3 蒸發(fā)溫度對系統(tǒng)性能系數(shù)的影響Fig.3 Influence of evaporation temperature on system comprehensive performance coefficient

圖4 蒸發(fā)溫度對系統(tǒng)效率的影響Fig.4 Influence of evaporation temperature on system exergy efficiency

如圖5 所示,隨著主循環(huán)冷凝溫度的升高,復(fù)疊制冷循環(huán)和DCC 制冷循環(huán)COP均先增大后減少,兩系統(tǒng)存在一最佳主循環(huán)冷凝溫度使得系統(tǒng)性能最佳,EDCC 制冷循環(huán)COP則隨主循環(huán)冷凝溫度的升高逐漸增大,當主循環(huán)冷凝溫度由-5 ℃升高至15 ℃,COP提高12.3%。這是由于隨著主循環(huán)冷凝溫度的升高,主循環(huán)壓縮機耗功增大,輔助循環(huán)壓縮機耗功減少,對于復(fù)疊制冷循環(huán)和DCC 制冷循環(huán),初始階段輔助循環(huán)耗功減少量大于主循環(huán)耗功增大量,系統(tǒng)耗功減少,隨著溫度的繼續(xù)升高,主循環(huán)耗功增加值大于輔助循環(huán)減少值,系統(tǒng)耗功增大,故COP先增大后減少。對于EDCC 制冷循環(huán),隨著主循環(huán)冷凝溫度的升高,噴射器主流體壓降增大,噴嘴入口焓值和流速均升高,噴射器出口壓力升高,主循環(huán)耗功增加值相對較少,輔助循環(huán)耗功減少,COP逐漸增大。

圖5 主循環(huán)冷凝溫度對系統(tǒng)性能系數(shù)的影響Fig.5 Influence of main cycle condensation temperature on system comprehensive performance coefficient

圖6 主循環(huán)冷凝溫度對系統(tǒng)效率及損失的影響Fig.6 Influence of main cycle condensation temperature on system exergy efficiency and exergy loss

如圖7 所示,隨著混合溫度升高,EDCC 系統(tǒng)性能系數(shù)和效率具有相同的變化趨勢,均先增大后減少,在不同主循環(huán)冷凝溫度下存在最佳混合溫度使系統(tǒng)性能最佳,同時隨著主循環(huán)冷凝溫度的提高性能系數(shù)和效率均有明顯提升。這是由于在主循環(huán)冷凝溫度和蒸發(fā)溫度固定時,噴射器入口的焓值固定,混合溫度升高入口流體壓降減少,噴射器入口流速減小,摩擦損耗降低,隨著主循環(huán)冷凝溫度升高,主流體壓降升高,入口焓值增大,混合室內(nèi)流速和噴射器出口壓力增大值大于損耗值,性能系數(shù)升高。噴射器擴壓室具有升壓過程,在不同主循環(huán)冷凝溫度下存在不同臨界溫度使噴射器出口壓力高于蒸發(fā)壓力,當混合溫度繼續(xù)升高,二次流體降壓減小,被引射量減少,噴射系數(shù)降低,回收的膨脹功減少,系統(tǒng)性能下降。

圖7 噴射器混合溫度對系統(tǒng)性能的影響Fig.7 Influence of ejector mixing temperature on system performance

由圖8 可以看出,EDCC 制冷循環(huán)蒸發(fā)器內(nèi)制冷劑質(zhì)量流量較小,通過對比發(fā)現(xiàn),復(fù)疊制冷循環(huán)和DCC 制冷循環(huán)蒸發(fā)器內(nèi)制冷劑的質(zhì)量流量均隨蒸發(fā)溫度的升高而降低,EDCC 制冷循環(huán)則隨蒸發(fā)溫度的升高而增大。這是由于隨著蒸發(fā)溫度的升高,常規(guī)制冷循環(huán)蒸發(fā)器進出口焓差降低,相應(yīng)蒸發(fā)器內(nèi)制冷劑質(zhì)量流量減少,EDCC 制冷循環(huán)由于利用噴射器回收膨脹功,蒸發(fā)器進出口焓差相對較大,蒸發(fā)器內(nèi)制冷劑流量相對較少,隨著蒸發(fā)溫度升高,回收的膨脹功增加,蒸發(fā)器進出口焓差逐漸降低,蒸發(fā)器內(nèi)制冷劑質(zhì)量流量逐漸增大。

圖8 蒸發(fā)溫度對蒸發(fā)器內(nèi)制冷劑質(zhì)量流量的影響Fig.8 Influence of evaporation temperature on mass flow of refrigerant in evaporator

如圖9 所示,蒸發(fā)器內(nèi)制冷劑質(zhì)量流量均隨主循環(huán)冷凝溫度的升高而增大,其中復(fù)疊制冷循環(huán)和DCC 制冷循環(huán)隨主循環(huán)冷凝溫度升高變化較大,EDCC制冷循環(huán)變化較小。這是由于隨著主循環(huán)冷凝溫度的升高,制冷劑在蒸發(fā)器進出口焓差降低,蒸發(fā)器內(nèi)制冷劑流量增加,由于噴射器回收了膨脹功,EDCC 制冷循環(huán)壓降較小,焓差相對較大,故蒸發(fā)器內(nèi)制冷劑流量隨冷凝溫度變化較小。由此可以發(fā)現(xiàn),EDCC 制冷循環(huán)有利于R290 在低溫制冷系統(tǒng)中的開發(fā)利用,同時EDCC 制冷循環(huán)更適合用于低溫工況,適當降低蒸發(fā)溫度可減少蒸發(fā)內(nèi)制冷劑的充注量,降低R290 泄漏的風(fēng)險,提高系統(tǒng)運行的可靠性。

圖9 主循環(huán)冷凝溫度對蒸發(fā)器內(nèi)制冷劑質(zhì)量流量的影響Fig.9 Influence of main cycle condensation temperature on mass flow of refrigerant in evaporator

5 結(jié) 論

提出一種利用直接接觸凝結(jié)和噴射引射的新型直接接觸冷凝制冷循環(huán),針對采用自然工質(zhì)R717/R290 的EDCC 制冷循環(huán)建立了熱力仿真計算模型,并與DCC 制冷循環(huán)和復(fù)疊制冷循環(huán)進行了性能對比,得出以下結(jié)論:

（1）蒸發(fā)溫度對EDCC 制冷循環(huán)COP的影響較大,對效率存在負面影響,蒸發(fā)溫度升高10 ℃,COP約提高8.9%,效率則隨蒸發(fā)溫度的升高而降低。EDCC 制冷循環(huán)相比傳統(tǒng)低溫制冷循環(huán)的COP提升顯著,當蒸發(fā)溫度為-35 ℃時,相比DCC 制冷循環(huán)和復(fù)疊式制冷循環(huán),EDCC 制冷循環(huán)的COP分別提升6.12%、8.36%。

（2）EDCC 制冷循環(huán)COP和效率均隨主循環(huán)冷凝溫度的升高而增大,主循環(huán)冷凝溫度由-5 ℃升高至15 ℃時,COP和效率約分別升高12.3% 和12.2%,同時對比發(fā)現(xiàn),EDCC 制冷循環(huán)較復(fù)疊制冷循環(huán)和DCC 制冷循環(huán)更適合通過改變主循環(huán)冷凝溫度來提高系統(tǒng)的性能。

（3）噴射器混合溫度對EDCC 制冷循環(huán)COP和效率具有相同的影響效果,均隨混合溫度的升高先增大后減少,在不同主循環(huán)冷凝溫度下存在不同最佳混合溫度使得系統(tǒng)性能最佳,在較低蒸發(fā)溫度時,適當提高混合溫度有利于提高系統(tǒng)性能。

（4）對比復(fù)疊制冷循環(huán)和DCC 制冷循環(huán),EDCC制冷循環(huán)可明顯降低蒸發(fā)器內(nèi)R290 的充注量,在相同工況下,與DCC 制冷循環(huán)相比,其質(zhì)量流量約降低11.9%,同時適當降低蒸發(fā)溫度和主循環(huán)冷凝溫度可以減少蒸發(fā)器中R290 的充注量,降低R290 泄漏的風(fēng)險,提高系統(tǒng)的安全性。