寧靜紅 楊挺然 劉華陽

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

0 引言

隨著環(huán)境和能源問題的加劇，提高制冷系統(tǒng)的效率，降低其對環(huán)境的影響，已成為制冷行業(yè)發(fā)展的必然趨勢［1-3］。制冷系統(tǒng)換熱器效率的高低將直接影響系統(tǒng)的性能，提高換熱效率是優(yōu)化系統(tǒng)常用的方法［4-6］。寧靜紅等［7-10］提出高溫蒸氣與過冷液直接接觸冷凝（DCC）的新型制冷循環(huán)。目前，對直接接觸凝結(jié)換熱在制冷系統(tǒng)中的應(yīng)用研究仍處于理論研究階段。

已有研究表明，在制冷系統(tǒng)中增設(shè)噴射器，能有效提高制冷系統(tǒng)的性能［11-16］。Yan等［11］在常規(guī)蒸氣壓縮制冷系統(tǒng)中增設(shè)噴射器，其性能系數(shù)平均可提高約19.6%。李敏霞等［12］利用引射器的回收膨脹功，將CO2跨臨界制冷系統(tǒng)系統(tǒng)的性能提升40%左右。Wang 等［13］對帶噴射器的混合式空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)模擬與試驗研究，研究結(jié)果表明，帶噴射器的混合空調(diào)系統(tǒng)性能系數(shù)比傳統(tǒng)的蒸氣壓縮空調(diào)系統(tǒng)要高出約34%。陳光明等［14］對噴射器在制冷系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行詳細(xì)研究。

寧靜紅等［15］提出一種新型的帶噴射器的直接接觸制冷循環(huán)（EDCC），利用過冷液冷卻壓縮機進(jìn)行排氣，增設(shè)噴射器來回收部分膨脹功，并建立熱力學(xué)模型進(jìn)行模擬，研究結(jié)果表明，EDCC制冷循環(huán)的總體性能要優(yōu)于復(fù)疊式制冷循環(huán)和DCC 制冷循環(huán)。為進(jìn)一步探究EDCC 制冷系統(tǒng)的性能，在新型EDCC制冷循環(huán)的基礎(chǔ)上，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，分析蒸發(fā)溫度、主循環(huán)冷凝溫度和過冷度對EDCC 制冷系統(tǒng)性能的影響。同時，在相同工況條件下，將EDCC制冷系統(tǒng)的性能與帶噴射器蒸氣壓縮制冷的循環(huán)性能進(jìn)行比較。最后，引入總當(dāng)量變暖影響（TEWI）參數(shù)［16］對EDCC 制冷系統(tǒng)進(jìn)行環(huán)境分析。研究結(jié)果可為帶噴射器的直接接觸冷凝制冷系統(tǒng)的實際應(yīng)用和性能的提升提供理論參考。

1 循環(huán)描述

EDCC 制冷循環(huán)的原理圖如圖1 所示。循環(huán)系統(tǒng)由主回路由壓縮機、DCC 冷凝器、蒸發(fā)器、蒸發(fā)過冷器、噴射器、氣液分離器和膨脹閥組成。主循環(huán)壓縮機排出的氣體在進(jìn)入DCC冷凝器后，會與過冷液體直接接觸進(jìn)行凝結(jié)換熱，氣液流體在換熱器內(nèi)混合冷卻為飽和液體，然后進(jìn)入蒸發(fā)過冷器內(nèi)，由輔助循環(huán)進(jìn)行過冷。過冷液分為兩部分，一部分進(jìn)入直接接觸式換熱器，另一部分作為主流體進(jìn)入噴射器，吸引蒸發(fā)器內(nèi)的制冷劑蒸氣，回收膨脹功。兩股流體在噴射器內(nèi)混合升壓，混合升壓后的工質(zhì)進(jìn)入氣液分離器進(jìn)行氣液分離，飽和的制冷劑蒸氣進(jìn)入壓縮機，飽和的制冷劑液體經(jīng)膨脹閥降壓后進(jìn)入蒸發(fā)器進(jìn)行供冷。

圖1 EDCC制冷循環(huán)原理圖

EDCC 制冷循環(huán)的溫熵圖與壓焓圖如圖2、圖3所示。由圖可知，過冷液（點4）分為兩部分，DCC冷凝器入口的制冷劑為過熱蒸氣和過冷液體（點2 和點4a），出口為飽和液體（點3），過冷液（點4b）和制冷劑蒸氣（點8）作為主流體和二次流體進(jìn)入噴射器，且在噴射器內(nèi)存在一個壓降的過程，兩股流體在等面積的混合室內(nèi)進(jìn)行混合換熱，后經(jīng)擴壓室升壓回收部分膨脹功，升壓后的制冷劑位于兩相區(qū)（點11），然后進(jìn)入氣液分離器進(jìn)行氣液分離。EDCC制冷系統(tǒng)的主循環(huán)和輔助循環(huán)系統(tǒng)通過蒸發(fā)過冷器連接在一起。該熱交換器可作為輔助循環(huán)的蒸發(fā)器和主循環(huán)的過冷器。在熱交換器中，兩種不同溫區(qū)的介質(zhì)進(jìn)行換熱。

圖2 EDCC制冷循環(huán)溫熵圖

圖3 EDCC制冷循環(huán)壓焓圖

2 系統(tǒng)建模

2.1 EDCC制冷循環(huán)熱力模型

根據(jù)系統(tǒng)的運行工況，可選定主循環(huán)工質(zhì)為R290、輔助循環(huán)工質(zhì)為R717。采用MATLAB 軟件對EDCC 制冷循環(huán)進(jìn)行系統(tǒng)性的編程。為簡化計算過程，對循環(huán)做出以下假設(shè)。①忽略因工質(zhì)與管道、部件間的摩擦而造成的壓力損失。②壓縮機的等熵效率系數(shù)與壓比有關(guān)。③蒸發(fā)器冷凝器的出口狀態(tài)為飽和狀態(tài)。④膨脹閥的節(jié)流過程為絕熱過程。

EDCC 制冷循環(huán)熱力的計算表見表1。假定總制冷量為50 kW，通過計算各部件的質(zhì)量方程與能量方程，得到系統(tǒng)的性能系數(shù)，見式（1）。

表1 系統(tǒng)各部件質(zhì)量方程和能量方程

式中：Q0為制冷量，kW；WM,Com、WA,Com分別為主循環(huán)壓縮機和輔助循環(huán)壓縮機消耗的功率。

其中，壓縮機的等熵效率與壓縮機的壓比有關(guān)，見式（2）。

式中：η為效率。

在制冷循環(huán)中，存在著各種不可逆的過程，通過分析實際循環(huán)偏離理想循環(huán)的程度，來了解系統(tǒng)各組件損失大小及對系統(tǒng)的影響程度。

式中：E為，J；W為功，kJ。

式中：mi為質(zhì)量流量，kg/s；s為熵，kJ/K；h為焓，kJ/kg；T為溫度，K。

該系統(tǒng)由主循環(huán)壓縮機、輔助循環(huán)壓縮機、DCC 冷凝器、蒸發(fā)過冷器、膨脹閥、蒸發(fā)器和噴射器組成。制冷循環(huán)中各個部件的損失計算方式如下。

2.3 環(huán)境分析

制冷系統(tǒng)的環(huán)境評估常采用總當(dāng)量變暖影響（TEWI）參數(shù)，該參數(shù)考慮直接排放當(dāng)量和間接排放當(dāng)量。其中，直接排放當(dāng)量包括制冷劑泄漏和制冷劑的回收額，間接排放量與系統(tǒng)的運行功率及時間有關(guān)，見式（16）到式（19）。

式中：mref為制冷劑充注量；Lrate為制冷劑泄漏率（本研究取4%）；Ltime為系統(tǒng)運行壽命（本研究取15 a）；αrecup為制冷劑的回收系數(shù)（本研究取70%）；β為CO2的間接排放系數(shù)（本研究取0.86 kg/kW·h）；Eannual為年耗電量；Toper為系統(tǒng)平均日運行時間（本研究取16 h）。

該系統(tǒng)的制冷劑主要集中在蒸發(fā)器和冷凝器。根據(jù)Botticella 等［17］建立的數(shù)學(xué)模型，制冷劑可分為單相和兩相，根據(jù)相應(yīng)公式可對制冷劑的充注量進(jìn)行估計，見式（20）到式（24）。

式中：ρe為蒸發(fā)器內(nèi)工質(zhì)的平均密度；ρc為冷凝器內(nèi)工質(zhì)的平均密度；ρg為工質(zhì)飽和液體下的密度；ρl為工質(zhì)飽和氣體下的密度；α為空泡率；s為滑動比；x為干度。

3 結(jié)果與討論

3.1 運行參數(shù)對EDCC 系統(tǒng)COP 及效率的影響

圖4 蒸發(fā)溫度對性能系數(shù)及效率的影響

圖5 主循環(huán)冷凝溫度對性能系數(shù)及效率的影響

3.2 EDCC 制冷循環(huán)與蒸氣壓縮噴射引射制冷循環(huán)對比分析

在相同假設(shè)及工況條件下，建立帶噴射器的蒸汽壓縮制冷循環(huán)模型，進(jìn)行熱力學(xué)計算，并與EDCC制冷系統(tǒng)性能進(jìn)行對比。蒸發(fā)溫度對兩個系統(tǒng)循環(huán)的COP及效率的影響對比如圖6 所示。在蒸發(fā)溫度較低時，EDCC 制冷循環(huán)的COP要高于蒸氣壓縮噴射引射制冷循環(huán)。當(dāng)蒸發(fā)溫度為-35 ℃時，COP提升約1.57%。隨著蒸發(fā)溫度的升高，兩個系統(tǒng)的COP均呈上升趨勢，但EDCC 制冷循環(huán)的COP提升較慢。當(dāng)蒸發(fā)溫度升高到-27 ℃后，EDCC 制冷循環(huán)的COP逐漸低于蒸氣壓縮噴射引射制冷循環(huán)。對比效率可知，EDCC 制冷循環(huán)的效率要略高于蒸氣壓縮噴射引射制冷循環(huán)的效率。同時，隨著蒸發(fā)溫度的升高，兩個循環(huán)系統(tǒng)的效率逐漸降低。這是因為隨著蒸發(fā)的溫度提高，各系統(tǒng)的主循環(huán)耗功減少，系統(tǒng)的性能系數(shù)增大。此外，隨著蒸發(fā)溫度的升高，噴射器的二次流體壓降增大，噴嘴入口的焓值增大、流速升高，回收的膨脹功增加，同時由于噴射器的混合溫度不變，噴射器主流體的壓降不變，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，導(dǎo)致噴射器出現(xiàn)回流等現(xiàn)象，不利系統(tǒng)性能的提升。

圖6 蒸發(fā)溫度對系統(tǒng)性能的影響

圖7 蒸發(fā)溫度對系統(tǒng)及部件損失的影響

3.3 EDCC制冷循環(huán)的環(huán)境分析

在主循環(huán)冷凝溫度為5 ℃時，不同蒸發(fā)溫度下的TEWI值如圖8、圖9 所示。由圖8 可知，在EDCC制冷循環(huán)中，輔助循環(huán)的TEWI值要高于主循環(huán)的TEWI值，輔助循環(huán)的TEWI值約占系統(tǒng)總TEWI的62%。隨著蒸發(fā)溫度的升高，主循環(huán)與輔助循環(huán)的TEWI值明顯減少，系統(tǒng)總TEWI減少。根據(jù)系統(tǒng)對環(huán)境產(chǎn)生影響的方式不同，TEWI值可分為直接TEWI和間接TEWI。由圖9 可知，直 接TEWI值較小，系統(tǒng)的TEWI幾乎全為間接TEWI。由于系統(tǒng)的循環(huán)工質(zhì)全部為自然工質(zhì)，GWP 較小，直接TEWI影響較小。隨著蒸發(fā)溫度的升高，直接TEWI值逐漸增大，間接TEWI值逐漸減少，蒸發(fā)溫度升高10 ℃，TEWI降低12%。TEWI值越高，系統(tǒng)對環(huán)境產(chǎn)生的不利影響越大。因此，可通過優(yōu)化輔助循環(huán)和提高蒸發(fā)溫度來降低系統(tǒng)TEWI值。

圖8 蒸發(fā)溫度對系統(tǒng)TWEI的影響

圖9 蒸發(fā)溫度對直接和間接TEWI的影響

4 結(jié)論

本研究對帶噴射器的直接接觸冷凝制冷系統(tǒng)進(jìn)行熱力學(xué)模擬分析，同時與帶噴射器蒸氣壓縮制冷循環(huán)的熱力性能進(jìn)行比較，并引入總當(dāng)量變暖影響（TEWI）參數(shù)，分析EDCC制冷系統(tǒng)的環(huán)境性。通過對EDCC系統(tǒng)進(jìn)行性能、環(huán)境分析，得出以下結(jié)論。

①蒸發(fā)溫度、主循環(huán)冷凝溫度和過冷度對系統(tǒng)COP和效率均有顯著影響。其中，蒸發(fā)溫度越高，系統(tǒng)的COP越高，蒸發(fā)溫度升高10 ℃，該系統(tǒng)的性能提高15%，而系統(tǒng)的效率隨蒸發(fā)溫度的升而高降低。系統(tǒng)的COP與效率均隨主循環(huán)冷凝溫度的升高而呈現(xiàn)上升趨勢。過冷度越高，系統(tǒng)的耗能增加，系統(tǒng)的COP和效率均降低。

②在低溫工況下，EDCC 制冷循環(huán)的系統(tǒng)COP要優(yōu)于帶噴射器蒸汽壓縮制冷循環(huán)。隨著蒸發(fā)溫度的升高，EDCC 制冷循環(huán)系統(tǒng)的性能優(yōu)勢逐漸降低。EDCC制冷循環(huán)全工況下的效率要高于帶噴射器蒸氣壓縮制冷循環(huán)損失也相對較少。

③在EDCC 制冷循環(huán)中，輔助循環(huán)TEWI約占系統(tǒng)總TEWI的62%，間接TEWI約占系統(tǒng)總TEWI的99%以上。優(yōu)化輔助循環(huán)和提高蒸發(fā)溫度有利于提高系統(tǒng)的環(huán)境友好性。